己内酰胺三效蒸发再沸器水击原因分析及防范措施！

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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

1 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。

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

表2 蒸发塔和再沸器技术参数

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μ=1.19 cp、密度ρ=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:

根据摩擦系数与雷诺准数及相应粗糙度关系查得λ=0.021。

管件当量长度:

∑Le=4×35+2×7+1×300=454 m

管路压力降:

式中进出口损失ξe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。

表3 蒸发塔底部工艺参数

4.1 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A-A局部图。

图5 进料分布器

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。

苏同君， 郭晓龙

【作者机构】 中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司

【来    源】 《石油化工腐蚀与防护》

为了提升石化行业本质安全，保障石化企业“安稳长满优”运行，解决设备运行与检维修“卡脖子”技术热点、痛点、难点问题，提高石化企业设备管理完整可靠性，设备智能化运维、预知性维修和检维修水平，引领我国石化智慧运维与检维修行业发展新质生产力，在中国石油、中国石化、中国海油、中国中化、国家管网、国家能源、延长及地方石油、天然气、LNG、管道、炼油、石化、煤化工、化工、精细化工、新材料企业设备管理部门的大力支持下，中国化工学会拟于2026年6月10-12日在陕西西安举办“2026年（第七届）石油化工设备智慧运维与检维修技术大会暨展览会”（IOMT CHEM 2026）。

大会将紧紧围绕“加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，共商当前设备管理与检维修中管理和技术方面堵点、难点、痛点的解决对策，防风险、除隐患，通过提升石油化工领域设备的安全运维水平，确保装置长周期安全稳定运行，助力行业可持续发展。遏制生产安全事故，为我国石化设备运维管理水平迈向国际化提供借鉴。特此通知，诚挚欢迎积极参加。

??????如有计划联合主办、协办大会、专题推广以及展位宣传的企业请及时咨询：马工15101023809

大会主题

加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越

大会组织机构

主办单位

中国化工学会

特邀协办

西安交通大学

中国石油长庆油田分公司

中国石油兰州石化分公司

中国石油长庆石化分公司

陕西延长石油（集团）有限责任公司炼化公司

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司

中国化工学会化工安全专业委员会

中国化工学会化工机械专业委员会

中国化工学会智能制造专业委员会

中石研石化设备安全运维专家服务（中心）专业委员会

中机维协石油石化建安检维修分会

中国石化集团石油化工设备防腐蚀研究中心

中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心

特邀单位

中国石化生产经营管理部

中国石油生产经营管理部

中国石油炼油化工和新材料分公司

中国石化炼油事业部

中国石化化工事业部

中海石油炼化有限责任公司

中化能源股份有限公司

国家能源投资集团有限责任公司化工事业部

国家能源集团中国神华煤制油化工有限公司

国家石油天然气管网集团有限公司生产部

陕西延长石油（集团）有限责任公司生产经营部

中国石油青海油田分公司

中国石油宁夏石化分公司

中石化安全工程研究院有限公司

中国石油庆阳石化分公司

陕西煤业化工集团有限责任公司

中煤陕西能源化工集团有限公司

陕西渭河煤化工集团有限责任公司

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司

宁夏宝丰能源集团股份有限公司

支持单位

中国石油天然气集团有限公司

中国石油化工集团有限公司

中国海洋石油集团有限公司

国家石油天然气管网集团有限公司

中国中化控股有限责任公司

国家能源投资集团有限责任公司

陕西延长石油（集团）有限责任公司

特别支持

全国化工自动化及仪表信息站

全国化工防腐蚀信息站 

全国化工机械及设备信息站

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会议重点研讨内容

1.国内外石油化工装置大型机组检维修发展现状与展望；

2.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；

3.石油化工装置机泵在线监测系统、预知性维护技术；

4.石化化工企业转动设备维护检修及节能改造升级技术；

5.特种机泵：螺杆机、真空压缩机、屏蔽泵等检修运维技术；

6.石油化工设备润滑要求、机组润滑系统运行及管理；

7.石油化工装置法兰密封结构安装与维修技术；

8.炼油化工装置烟气轮机长周期运行管理；

9.石油化工装置耐高温防腐防护和防火技术；

10.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；

11.风机、离心泵、各类压缩机等大型机组优化增效节能改造；

12.石油化工电气、仪表设备全寿命周期管理；

13.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、爆破片、过程分析仪表、DCS、FCS等检修运维技术；

14.石油化工装置隐患治理、泄漏治理，大型在役老旧装置的升级改造；

15.石化罐区系统安全与VOCs一体化风险管控技术；

16.数字赋能设备全生命周期管理及智能巡检机器人应用、运维数字化转型、无人化升级方案，智能检修升降设备、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

17.可燃、有毒等挥发性气体、挥发性有机物的泄露监测、气体探测传感器的应用；

18.露天设施的雷电预警技术、防雷接地技术、静电接地技术应用；

19.储罐隐患治理与改造提升之检验标准应用（储罐区技术改造、新型浮盘、原油储罐安全预警、安全阀、紧急泄压阀设计选型、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封等）；

20.炼油化工装置大型机组核心部件修复再制造；

21.石油天然气输配管网完整性管理与抢检修技术；

22.液化天然气（LNG）储运运营管理与设备维护技术；

23.煤化工设备运行安全与检维修技术；

24.油气田地面工程数字化安全与设备检维修技术；

25.泵设备助力石化化工领域节能新工艺的技术探讨；

26.设备智慧运维与检维修新设备、新技术、新材料在石油化工领域的应用。

会议日程安排

6月11日：开幕式及全体大会，特邀院士、领导、专家主旨演讲；

6月12日：全天分论坛。

分论坛一：石化企业转动设备智慧运维与检维修技术论坛；

分论坛二：石化设备润滑与装置节能降碳改造论坛；

分论坛三：石化企业腐蚀防护与管道罐区安全技术论坛；

分论坛四：石化设备健康体系建设与自愈调控修复论坛。

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会议拟邀请代表

中国石化、中国石油、中国海油、国能集团、中化集团、国家管网、陕西延长、民营炼化企业及煤化工、罐区、码头、化工、氯碱、纯碱、磷肥、轮胎、精细化工生产企业设备部门管理与技术人员及工程建设公司、石化设备制造企业、检维修服务企业管理与技术人员和相关技术研究机构、大专院校等单位的科研与技术人员参加会议。

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