转化器泄漏的原因分析

王 凯，苏警钟，代福建

（青岛海晶化工集团有限公司，山东 青岛 266042）

转化器是一种大型的列管式换热设备，列管内装满以活性炭为载体的氯化汞催化剂。在列管内，乙炔与氯化氢在催化剂的作用下发生反应生成氯乙烯。该反应为强烈的放热反应，反应带的中心温度最高可达200℃左右。转化器的泄漏会严重影响正常生产，降低转化器腐蚀泄漏的频率以及有效利用合成反应释放的热量是节能降耗、提高企业竞争力的关键。由于生产方法不同、工艺技术差异、转化器制造厂家选择和日常管理与维护的偏差，各厂家的使用状况也不尽相同，转化器泄漏的原因错综复杂。根据国内电石法PVC成本估算表，在电石法PVC成本构成中，电石、氯化氢和制造成本3部分所占比例达到80%～90%[1]，要降低聚氯乙烯的生产成本，不仅要在原材料消耗上下功夫，也应该在降低转化器泄漏的几率，减少设备成本上采取措施。

1 氯乙烯合成工艺简述

海晶集团经过混冷器、深冷器、旋风分离器、酸雾捕集器等一系列混合脱酸设备后，干燥的乙炔和氯化氢混合气进入预热器，在升温至80℃以上后进入转化器。在转化器列管内的氯化汞触媒的催化作用下，乙炔和氯化氢反应生成粗氯乙烯气体，经过总管汇集后进入净化系统。在合成反应过程中释放的热量由94℃左右的热水带走，并且在废热锅炉内采集大量的蒸汽供溴化锂制冷装置和热水槽升温使用。

2 影响转化器列管腐蚀泄漏的因素

2.1 循环水质对转化器的影响

循环热水的水质指标较多，影响转化器列管电化学腐蚀的因素主要有pH值、溶解氧和Cl-的含量。当循环水的pH值小于4时，阴极的反应为氢的去极化反应，增加了对钢的腐蚀速度；当pH值大于13时，由于腐蚀产物变为可溶性HFeO-2，使腐蚀速度加快；当循环水呈弱碱性时，腐蚀速度下降，但缓蚀率很低，不能有效抑制列管的电化学腐蚀。

循环水的氧浓度增加，直接导致阴极的氧去极化反应，加速了电化学腐蚀。

活性阴离子Cl-具有特性吸附和诱导作用，其存在会加速局部腐蚀，促进局部腐蚀的自催化。因而，是影响转化器循环冷却水电化学腐蚀最重要的因素之一。目前，海晶集团使用无离子水给热水槽补充水，避免Cl-富集，一般控制其含量在25×10-6以下。

2.2 转化反应温度不均匀对转化器的影响

合成反应是在内径57 mm的列管内进行的，在触媒的作用下，反应温度很不均匀。列管外的传热介质为准沸腾状态的水，当列管内反应温度过高或热负荷较大时，列管外的水在上升过程中汽化相当强烈。在汽泡湮灭的瞬间，作用在列管上的应力高达104 MPa，对列管产生较大的冲击，从而加速列管的腐蚀。目前，海晶集团将转化器温度控制为92～165℃。

正常使用的转化器，管程进行反应的温度约为130℃左右，壳程循环水的温度为91～97℃。温差的存在使管板和列管产生不等量变形，要求列管的伸长量大于管板的变形量。于是，列管变形量受到约束而承受压应力，这种变化随温度的改变而改变，当焊接或胀接应力不足以达到管板与列管的最小拉脱应力时，就会造成泄漏。

生产流量的波动以及频繁的开停车都会使转化器管程内温度在较短的时间内变化剧烈，从而导致应力腐蚀。另外，在设备泄漏时，均采用将漏管两端用电焊堵死，这样不可避免地对漏管周围的列管产生热影响，以致修复不久，堵管的周围又泄漏。

2.3 混合气体中水分对转化器的影响

乙炔、氯化氢原料气中含有一定的水分，与氯化氢形成盐酸，从而引起酸性腐蚀。目前，该公司采用混冷器、深冷器、旋风分离器、酸雾捕集器等一系列混合脱酸设备，最低脱水温度可达-15～18℃。保证混合气中的水分含量为0.03%以下。

2.4 转化器加工质量及其结构对转化器的影响

由于转化器的特殊使用环境，对其加工也提出了特殊要求。在焊接过程中，咬边、夹渣、气孔、焊缝开裂、焊缝腰高不足等是常见的易泄漏缺陷。转化器上部出水管与花板之间存在气相空间，可能产生滞流状态，使列管产生气蚀破坏。在转化器下部的进水管与下花板之间存在湍流区，容易积聚腐蚀物，从而产生局部电化学腐蚀，加速列管的腐蚀破坏。制造厂家应提高转化器列管与管板之间焊缝金属的耐腐蚀性，可以尝试在转化器列管与管板之间的焊缝金属表面涂刷一层酚醛树脂或其他防腐层。因为转化器工作介质之间的热交换主要集中在列管管壁，所以，此方案对转化器的换热性能影响不大。

2006年10月至11月，该公司对转化器进行了改进。（1）使用无离子水给热水槽补充水，避免Cl-富集，一般控制其含量在 25×10-6以下；（2）经常分析循环水的pH值，使其稳定在8～10；（3）严格控制原料气中水的质量分数在0.03%以下；（4）加高转化器上部的出水管，消除气相区。经过这一系列的改进，取得了较好的效果。转化器列管泄漏的频率明显下降，但是泄漏的情况仍然存在。

因此，解决转化器泄漏的原因还须从源头抓起，选择有经验的厂家进行制造加工。在项目设计阶段，对不同规格的转化器进行比较选择，在加工制造过程中，派技术过硬、责任心强的工程技术人员赴厂家进行监督，有效保证转化器的加工质量。

2.5 废热锅炉对转化器的影响

从节能降耗、降低成本的角度来讲，采用废热锅炉是非常必要的，可以将合成反应释放出大量的热量进行综合利用。按1 mol乙炔反应生成1 mol氯乙烯，释放出124.8 kJ的热量来计算，12万t/a PVC需要氯乙烯的量为240 kmol/h，这样，每小时就要释放出2.99×107kJ的热量，这些热量绝大部分都被循环热水带回热水槽，造成热水的蒸发量大，同时，大量的热量流失现象发生。因此，更有必要采用废热锅炉将大量的热量进行综合利用，从而实现节能降耗的目的。

废热锅炉的工作原理是，热水在转化器内部循环的动力主要来自循环水的密度差，因为，在转化器内部的水基本处于沸腾状态，温度要比废热锅炉内的水温高，这样就会造成转化器内部水的密度小于废热锅炉内水的密度。借助于这个密度差，锅炉内的水会向下流，而转化器内的水会向上流动，这就促进了热水的循环。同时，在转化器内部的水为沸腾状态，会有大量的气泡向上浮动，在一定程度上促进了热水的循环，虽然降低了电能的消耗，但是造成了循环水的流量和流速都很低，也导致了转化器的热水进出口温差较大，使向上浮动的气泡在湮灭时的瞬间对列管也有很大的冲击力，一般可达104 MPa。这一现象也加剧了转化器的泄漏。目前，该公司废热锅炉的工艺是热水在转化器及废热锅炉内进行循环。同时，由热水泵不断地向锅炉内补充热水，多余的热水会从溢流口流回热水槽，在锅炉内采集到的蒸汽从锅炉上面的管路回到热水槽，另一路送给溴化锂。后期因转化器泄漏的频率较高，怀疑是循环水的循环效果不好，于是，在转化器的进水总管上增加了热水泵进行强制循环，这样，转化器的泄漏频率有所下降，但是增加了电耗，提高了产品的成本。

但通过这件事，也得出了结论，那就是对于现在的工艺情况来讲，只要满足了热水能够良好地循环，就可以降低转化器泄漏的频率。为此，只有对废热锅炉进行改造，才能做到热水良好循环和节能降耗的双赢。

3 废热锅炉的改造设想

在废热锅炉的锅炉内加1个隔板，该隔板不是将锅炉彻底分开，而是与顶部留有空隙，保证锅炉顶部的气相空间为一体，但隔板要尽量高以保证隔板两侧的液体不会左右流串。这样，既可将转化器的进水与回水彻底分开，还可以保证两部分液体上部分空间等压。同时，也要使第一台锅炉的溢流口高于回水部分的出口，以保证始终满足转化器的进水液位高于回水的液位，推动热水的循环。这个液位差成为热水循环的主要动力，循环也是热水进行循环的主要方式。虽然仍存在由于温差导致的热水循环，但已不再是热水循环的主要方式了。循环热水的流速及流量可以通过控制进水与回水的液位差来进行控制。同时，也要保证为第一台废热锅炉补充热水的热水泵的流量要略高于循环水的流量，即要保证转化器的进水与出水始终存在恒定的液位差。这样，就可以在满足提高热水循环流量和流速的前提下节约电能。另外，将转化器的回水不直接引回热水槽，而是将其作为第二台废热锅炉的进水。在安装废热锅炉时，第二台废热锅炉的支架要低于第一台，第一台的回水溢流口高于第二台废热锅炉的进水管口。其他的锅炉也按照同样的安装方式即可，最后一台锅炉的回水口直接连接到热水槽上。同时，将各废热锅炉的上面的排气口汇集到1根总管上供给溴化锂和热水槽升温用，这就可以保证各废热锅炉内具有相同的压力，进而保证各废热锅炉的液面更加稳定，不会再出现因转化器的温度不同而导致锅炉内压力不同，造成锅炉内液面不稳定的情况。

［1］严福英.聚氯乙烯工艺学.北京：化学工业出版社，1990：326.