己内酰胺三效蒸发再沸器水击原因分析及防范措施_苏同君.pdf

2023 年第 40 卷 第 2 期石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY失 效 分 析引用格式:苏同君，郭晓龙 己内酰胺三效蒸发再沸器水击原因分析及防范措施J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):57-60SUTongjun，GUO Xiaolong Cause analysis of water hammer in triple effect evaporation reboiler of caprolactam unit and its preventive measuresJCorrosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):57-60己内酰胺三效蒸发再沸器水击原因分析及防范措施苏同君，郭晓龙(中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北 石家庄050099)摘要:己内酰胺三效蒸发把己内酰胺溶液的质量分数由 30%浓缩为 90%。高温高压的C17602 物料进入低温低压的再沸器 E17603 管程后发生闪蒸和水击。分析了水击引起的三效再沸器泄漏的过程及机理，并提出调整设备高度以改变压力差、改变三效蒸发为单独蒸发、改变进料方式以及增加进料分布器缓解水击等防范措施。增加进料分布器的方案改动小、投资少，可明显降低水击引起的设备安全隐患。关键词:己内酰胺;三效蒸发;水击;泄漏;措施收稿日期:2022-09-09;修回日期:2023-01-08。作者简介:苏同君(1964)，高级工程师，研究方向为炼油化工设备腐蚀与防护、特种设备安全管理。E-mail:stj sjlhsinopec com1工艺简介及参数己内酰胺采用苯法生产工艺，具体来讲，己内酰胺萃取精制装置在催化加氢工艺后采用三效蒸发的方法将己内酰胺水溶液的质量分数由 30%浓缩为 90%。在三效蒸发中，上一塔底液相顺流至下一塔再沸器管程底部，上一塔顶产生的蒸汽进入下一塔再沸器壳程，作为下一塔再沸器的加热热源，对下一塔己内酰胺进一步蒸发提纯。己内酰胺蒸发单元采用二段三效蒸发流程，为保证蒸发效果，再沸器中被加热物料与加热蒸汽间有足够的温差，系统的压力从超过大气压依次降为真空。三效蒸发流程见图 1。己内酰胺水溶液温度-饱和蒸气压曲线见图 2。图 1三效蒸发二塔、三塔流程示意由 设计物料平衡手册 及 DCS 记录可得蒸发塔顶部工艺参数，见表1。系统设备材质为304。2设备基本情况蒸发塔和再沸器技术参数见表 2。75失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷图 2己内酰胺溶液温度-饱和蒸气压曲线表 1蒸发塔顶部工艺参数项目C17602 顶C17603 顶w(己内酰胺)，%53 590操作温度/11368操作压力(绝)/kPa15018饱和蒸汽压(绝)/kPa14026密度/(kgm3)9701 010表 2蒸发塔和再沸器技术参数项目C17602E17603形式筛板塔立式固定管板再沸器规格DN1800DN1800浓缩液管道规格DN150DN450设计压力/MPa022011设计温度/140115设备材质304304壁厚/mm10生产实际中，三塔再沸器 E17603 下封头内存在严重的水击现象，设备本体振动严重。通过工艺参数及负荷的调整只能小幅度缓解水击，并不能完全消除。浙江巴陵恒逸和岳阳巴陵石化等企业采用相同的己内酰胺生产工艺，三效蒸发再沸器均存在不同程度的水击现象。3设备泄漏及鉴定情况2020 年 3 月 E17603 下封头与进料管角焊缝处出现约 5 cm 凸起(图 1 中 A处)泄漏，拆解再沸器封头后，发现封头进料分配板支腿与封头焊接固定处开焊，分配板脱落卡在封头角焊缝处。分配板与焊缝接触处可见明显磨损凹陷，见图 3。4原因分析在一效蒸发、二效蒸发和三效蒸发的蒸发过程中，为保证蒸发效果，再沸器中被加热物料与加热蒸汽间有足够的温差，会将系统的压力从超过大气压依次降为真空。由表 1 可见，C17602 操作压力为正压(表压)，C17603 为负压(表压)。图 3封头焊缝凸起及内部焊缝母材凹陷已知 C17602 至 E17603 流速 u=0 4 m/s，忽略蒸发塔气相部分压力，管道内径 d=158 mm、黏度 =1 19 cp、密度 =970 kg/m3，管道长度 l=8 m、弯头 4 个、闸阀 2 台、截止阀 1 台。判断流体流动类型:Re=du=51 515 4 000根据摩擦系数与雷诺准数及相应粗糙度关系查得 =0 021。管件当量长度:Le=4 35+2 7+1 300=454 m管路压力降:P=hf=ld+Le()d+eu22 式中进出口损失 e取值为 1 5。结合管路压力降、设备尺寸、液位控制高度及表 1 数 据，可 以 计 算 C17602 底 部 浓 缩 液 和E17603 底部液相工艺参数，见表 3。图 1 中发生凸起泄漏处为 A点，C17602 选择与泄漏点相同高度的 A 点计算。85第 2 期苏同君等 己内酰胺三效蒸发再沸器水击原因分析及防范措施失 效 分 析表 3蒸发塔底部工艺参数项目C17602 底部 A 处 E17603 封头 A处w(己内酰胺)，%53590操作温度/11065操作压力(绝)/kPa17850饱和蒸汽压(绝)/kPa14026密度/(kgm3)9701 0104 1水击引起疲劳冲击由表 3 可知，C17602 底部浓缩液通过 DN150管道进入到 E17603 封头，压力值由高于饱和蒸汽压突然下降至饱和蒸气压以下，如图 2 中 B 点所示。C17602 浓缩液在 E17603 封头底部分配板处发生汽化闪蒸。随着两股物料的混合，高温浓缩液温度降低，直至低于此处饱和蒸汽压力对应的温度，气泡凝结、破裂，形成水击。水击对分配板与封头焊接部位形成高频振荡，引起焊接疲劳失效。4 2分配板支腿焊接强度不足水击发生在封头分配板处(见图 4)，因分配板支腿角钢与封头内壁未满焊，水击振动引起焊缝产生疲劳开裂。分配板脱落后卡在封头管口处，在流体冲刷下，分配板在管口处形成浮阀效应，分配板(浮阀阀瓣)上下运动与封头角焊缝频繁碰撞。管口处的分配板影响浓缩液流速，此处流通面积突降，流速增大，高速液体流动在分配板与管口接触点形成涡流，引起冲刷腐蚀。未满焊的分配板支腿在水击振动的作用下产生疲劳开裂，分配板在脱落后与封头焊缝频繁撞击，加之高速流体冲刷，引起封头焊缝泄漏。图 4进料分配板及支腿示意5改进措施5 1改善工艺条件消除水击如上文所述，水击的原因是 C17602 塔底浓缩液饱和蒸汽压高于 E17603 操作压力。操作经验可知，降低 C17602 底部压力或升高 E17603 的压力，均会导致再沸器流体循环热平衡遭破坏、生产负荷不达标、蒸发效果降低和产品质量不合格，并且可调节范围较小，远不能达到消除水击的程度1。通过升高 C17603 液面高度进而升高 E17603封头静压的方式，降低 C17602 底部与 E17603 底部的压差。由表 2 可知，欲达到消除水击的目的，C17603 的液面高度至少要升高 13 m，对于现有装置和设备而言，这一方案改动较大，需要更新三效塔、三效再沸器及相关管道和附属管件，投入成本较高，且可行性需要进一步验证，极限情况下不符合立式热虹吸式再沸器型式与基本参数2。如果改变三效蒸发为单独蒸发，可以达到分别控制三个蒸发塔工艺参数、消除水击的目的，但设备投资和蒸汽消耗增加，经济效益受影响3。将 C17602 浓缩液改为 C17603 气相空间进料，可以消除封头水击、振动现象，但浓缩液在C17603 中段也会发生闪蒸、压力波动，影响流体循环蒸发并对上部筛板塔 C17603 塔盘带来安全隐患。综上所述，在现有装置基础上通过工艺调整和改进均无法达到消除水击、振动的目的。5 2增加进料分布器缓解水击C17602 浓缩液进入 E17603 封头前，如果液体流通截面扩大、液体流速降低、流体被分散，那么闪蒸产生的气泡会减小，水击产生的设备振动也会大幅改善。根据这一结论，可以在 E17603封头处增加液体分布器，将原来单股液流进料改为多股细小液流进料。同时，为保证不影响再沸器虹吸动力，分布器布置与液相循环方向相同。分布器通过支腿与封头满焊固定，防止水击引起的分布器振动或晃动。进料分布器见图 5，其开孔方式见 AA 局部图。图 5进料分布器95失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷6结束语己内酰胺三效蒸发再沸器水击振动问题一直妨碍着苯法生产己内酰胺的正常运行，对设备的可靠性运行带来极大风险。通过解析水击产生的原因，从工艺和设备两个方面提出改进方案，其中工艺改进方案可对设计阶段提供参考，设备改进方案可用于现有设备的改动，以减少水击造成的设备安全隐患。参考文献 1张朝环 热虹吸式再沸器的压力平衡设计J 化工进展，2015，34(A01):43ZHANG C H Pressure balance design for thermal siphon re-boilerJ Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34(A01):43 2胡景辉，张芳军，李雨，等 基于压力平衡下的立式热虹吸再沸器安装高度设计J 河南化工，2017，34(10):42HU J H，ZHANG F J，LI Y，et al Design of installation heightof vertical thermosiphon reboiler based on pressure balance J Henan Chemical Industry，2017，34(10):42 3任占胜 机械式蒸汽再压缩蒸发和三效蒸发的计算机模拟 J 化工生产与技术，2021，27(2):40REN Z S Computer simulation of MVR recompression evapora-tion and three-effect evaporationJ Chemical Production andTechnology，2021，27(2):40(编辑张向阳)Cause analysis of water hammer in triple effect evaporation reboiler ofcaprolactam unit and its preventive measuresSU Tongjun，GUO Xiaolong(SINOPEC Shijiazhuang Refining Chemical Company，Shijiazhuang 050099，China)Abstract:The mass fraction of caprolactam solution is concentrated from 30%to 90%by triple effect evaporation of caprolactamunit Flash and water hammer occur while high temperature and high pressure C17602 material enters the tube pass of low tem-perature and low pressure reboiler E17603 Leakage process and mechanism of triple effect reboiler caused by water hammer werediscussed;preventive measures were introduced，such as adjusting equipment height to change pressure difference，turning tripleeffect evaporation into separate evaporation，chan