丙烯腈装置流化床反应器化学清洗方法与实践

2023-02-21田民格姚飞飞陈军民韦亚飞

山西化工 2023年1期

田民格，姚飞飞，宋旗，陈军民，韦亚飞

（欣格瑞（山东）环境科技有限公司，山东济宁 272415）

引言

丙烯腈属于大宗基本有机化工产品，是三大合成材料的基本原料。近年来，随着丙烯腈下游产品ABS/SAN、丙烯酸酰胺、丁腈橡胶和己二腈等的广泛应用，国内丙烯腈行业发展较快，产能迅速增加[1]。其中，由空气分布板、丙烯和氨混合气体分配管、U 形冷却管和旋风分离器等部分组成的循环流化床式反应器是丙烯腈生产中使用最广泛的反应器。

丙烯腈装置反应器内部产生的大量反应热，由来自冷剂槽的循环饱和水带走，饱和水在反应器内部经多组U 型冷却水管传热，产生的汽水混合物回到冷剂槽进行汽液分离，分离后的饱和蒸汽会再次经反应器的U 型冷却水管进行过热，产生的高压蒸汽混合调温后至空压制冷单元作为透平用蒸汽[2-3]。

在装置开车前，在对公用工程高中压蒸汽管线进行化学清洗的同时，对反应器内部撤热水管线及蒸汽管线进行化学清洗，可去除反应器在制造、运输、贮存和安装等过程中在设备及管线内部产生和存在的铁锈、焊渣、轧制鳞皮、油脂氧化物、浮尘及砂石等污垢，对装置的顺利开车及使用具有重要意义[4]。

1）化学清洗可去除管内的铁锈等污垢，使金属表面清洁度提高，可大幅度缩减蒸汽管线后续吹扫及撤热水系统冲洗所需时间，大大节省蒸汽及脱盐水用量，具有较高的经济效益。

2）仅通过水冲洗或吹扫不易将沉积在撤热水管和蒸汽管内的较大固体杂质冲出系统。在运行使用过程中，U 型管底部弯管沉积的污垢大量沉积后会影响撤热水流量，降低冷却效果，影响正常生产；另一方面，流动性质的污垢会对弯管部位的金属产生长时间的击打、摩擦等作用，极易损伤金属基体。通过化学清洗可使管道内部的污垢溶解去除，避免上述情况的产生。

3）撤热水管在弯管段部位的直径有轻微的变化，会导致弯管内的压力和流速发生变化，使弯管内壁凹面处介质流速降低，压力增大。在管内介质为水和蒸汽的条件下，管内气泡极易在管内凹面高压区破灭，对局部撤热水管产生气蚀磨损。通过化学清洗，可去除弯管部位的表面锈蚀，减少凹凸面。

1 现场条件及设备构造分析

在施工前，为了确保反应器撤热水系统及反应器蒸汽系统化学清洗项目的有效开展，在参考相应标准及规范要求的同时，需结合现场施工条件及设备结构特点，通过分析和计算，选择合适的施工方法，编制切实可行的施工方案。

1.1 现场不利施工条件

经过对现场公用工程条件的沟通调查，有以下不利于施工的情况：

1）施工用水。化学清洗应选用脱盐水或软化水，施工现场无较大脱盐水接口，最大接口仅为DN100，供水量最高达100 t/h，且无法长时间供应；消防水水质较差，氯离子含量和浊度较高，无法使用。

2）热源。由于该项目为新建项目，装置区域内无蒸汽引入，排除蒸汽加热；该新建装置为扩建项目，厂区内已有其他装置正在运行，不具备采用燃烧方式进行加热。

3）电源。施工区域附近仅有施工临时电源可供使用，用电负荷不宜过大。

4）排污。装置现场设置有4 个污水池，设计有正式管线可输送废液至老厂的污水处理厂，但由于施工进度不同，暂时未能接通，仅能暂时存放于污水池中。

在清洗系统设计、介质选择和工艺设计时充分考虑了上述不利因素，采取了针对性措施，保证了项目顺利实施。

1.2 设备构造分析

经过图纸分析、现场观察和沟通，该流化床反应器内部撤热水管和蒸汽管均为U 型管，单根撤热水管由多根U 型管组焊而成。该系统为多金属材质。

现场两台反应器并列布置。每个反应器的撤热水系统与蒸汽系统划分为N 个象限，每个象限由数根撤热水管组成，并联设置，每根撤热水管均安装有阀门。

2 方案设计

2.1 泵选型

反应器每个象限单独建立循环。根据流速计算进行清洗泵选型，流速计算表见表1。

表1 流速计算表

根据计算结果可以看出，以反应器的一个象限的撤热水管为独立的清洗回路，可选用50 m3/h～127 m3/h的清洗泵，结合我公司设备型号，可选用2 m3/h×100 m3/h清洗平台、2 m3/h×75 m3/h清洗平台。其中2 m3/h×100 m3/h清洗平台的功率为18.5 kW，扬程为40 m；2 m3/h×75 m3/h清洗平台的用电功率为4 kW，扬程为85 m。两种泵站均可在施工现场找到合适的临时电源接口。经查阅设计资料，查明反应器撤热水系统冷却水管内设计压力，两种泵站的扬程均符合要求。

由于反应器内U 型管的特殊结构，在管内的气体前有动力泵提供的液体推动，后有液体压阻，极易产生气塞。在选用扬程较高泵站的情况下，提高管内气体前的推动力，可有效避免气塞的产生。综合考虑上述条件，拟选用2 m3/h×75 m3/h 清洗平台，该泵站扬程可达85 m，可有效避免反应器U 型管在清洗期间产生气塞。同时在清洗过程中，严格控制清洗箱中的液位，避免外界气体吸入泵体，进入管路系统。

2.2 工艺设计

由于现场热源受限，应选用在常温条件下具有优异清洗效果的清洗剂。通过比较，确定使用具有络合作用的复合清洗剂和亚硝酸钠加钝化促进剂进行化学清洗和钝化。该清洗剂对温度无特殊要求，常温即可使用，适用于系统金属材质。该清洗剂具有较强的络合能力，可避免清洗剥离下的污垢沉积在冷却管内部；亚硝酸钠加钝化促进剂可在常温下达到较好的钝化效果。

由于排污池内污水无法短时间内排出，受限于排污池容量，在酸洗完成后采用碱性转换液顶排酸洗液，可使酸洗后的金属表面快速脱离敏化状态，并减少脱盐水用水量及污水排放量。在碱性转换完成后，快速加入亚硝酸钠和钝化促进剂进行钝化处理，可使金属表面进入钝化状态。

2.3 系统设计

根据所选用的泵站型号，对清洗流速进行核算，核算结果见表2。

表2 清洗流速核算

根据上述计算结果，在化学清洗期间以一个象限的撤热水管为独立的一个循环回路即可达到化学清洗0.2 m/s 的流速要求。在切换循环回路时，首先关闭1 根～2 根撤热水管，再开启下一个循环回路的1 根～2 根撤热水管，依次类推，可使切换清洗循环过程的清洗流速稍大于循环清洗过程的清洗流速，避免先开后关引起的气塞。

在酸洗前的水冲洗过程中，将待清洗反应器的N个象限进一步划分，设计为12 个冲洗回路，以每3 根撤热水管为一个独立的冲洗回路，以较大的压力和冲洗流速，将系统内的固体污垢冲出系统，并且可以将管内气体冲出系统。在切换冲洗回路时，首先关闭冲洗回路的一个撤热水管，然后再开启下一冲洗回路的一个撤热水管，以此类推。按照此方式切换冲洗回路可切换冲洗过程的冲洗流速稍大于冲洗过程的冲洗流速，避免产生气塞的同时，也可借助短时间更大流速的冲洗，将管内污垢进一步冲出系统。

3 清洗过程

清洗过程主要包括以下环节：正式系统隔离检查及正式系统阀门状态检查调整→上水冲洗查漏→酸洗前开始冲洗→预缓蚀→酸洗→顶排酸液→钝化。

在上水前，对系统水容积及各独立清洗循环系统容积进行核算，单台反应器及其外圈管线的清洗水容积约在25 m3，整个系统清洗水容积以60 m3计。

3.1 系统检查

在正式上水冲洗前，对正式系统所有相关阀门状态及隔离措施进行检查，确认不参加化学清洗的系统已与系统可靠隔离，系统内的流量计已采用临时管道短接。由于撤热水管较多，为避免误操作，需先将所有撤热水管一次阀门关闭，二次阀门开启，在操作时，仅对一次阀门进行操作。

3.2 上水冲洗查漏

在首次上水时，对所有临时系统的焊口、法兰等连接部位进行检查和紧固，对于泄漏严重的部位进行停机消缺。

3.3 酸洗前水冲洗

系统消缺完成后，按照设计进行大流量开式冲洗。在实际操作中，冲洗工序从距离反应器外围管圈入口最远处的撤热水管及蒸汽管开始，第一回路冲洗时间较长，排水明显比较浑浊。在后续切换冲洗系统时，每一路系统在切换完成后约5 min～8 min 即可排放出浑浊污水，持续冲洗约1 min即可比较清澈。两个反应器冲洗总用时近5 h，冲洗水清澈，无明显杂质时完成冲洗。

3.4 预缓蚀

冲洗完成后，以最后一路冲洗回路所在的反应器象限为第一循环回路建立循环，并根据该系统水容积加入0.3%SGR0405 缓蚀剂进行预缓蚀。缓蚀剂会使脱盐水的pH 升高，显示碱性，在检测到循环回水出现碱性后，继续循环5 min～10 min即可切换至下一循环回路。依照此步骤对两个反应器的所有撤热水管和蒸汽管进行了预缓蚀。

3.5 酸洗

预缓蚀完成后，按照每个小循环清洗系统的容积，加入清洗剂，在回水清洗药剂质量分数大于1%后即可切换循环清洗系统。反应器外围管圈、撤热水母管和蒸汽母管的综合水容积远大于反应器内撤热水管和蒸汽管容积，其内部的药剂在切换清洗循环时，会快速补入反应器内管线，稳定反应器内的药剂浓度。整体加药完成后，再次由第一个清洗循环开始进行切换，每个清洗循环回路持续进行10 min～20 min的强制循环清洗，然后按照方案设计进行切换操作。经过对药剂浓度的跟踪化验，药剂浓度趋于稳定时判定清洗终点，实测终点残余质量分数在2%±0.3%。