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聚四氟乙烯用于浓硝酸设备防腐

2016-08-29 10:21阅读:
  【摘要】浓硝酸和聚四氟乙烯的特性,结合浓硝酸装置的实际生产运行情况和设备腐蚀泄漏情况,说明聚四氟乙烯在解决设备腐蚀 泄漏问题中的作用,以及所取得的经济效益。
  【关键词】浓硝酸 聚四氟乙烯 腐蚀泄漏
  硝镁法浓缩工艺生产浓硝酸技术成熟,生产的浓硝酸纯度 高(达 98%以上),是目前应用最广泛的浓硝酸生产工艺,中国石 油辽阳石化分公司年产 4 万吨浓硝酸装置已运行 6 年,期间由 于设备设计、选材和运行工况复杂等原因,个别设备曾多次出现 腐蚀泄漏问题。结合生产现场实际情况,说明聚四氟乙烯在解决设备腐蚀泄漏问题中的作用。
  一、浓硝酸和聚四氟乙烯的特性
  1.浓硝酸特性
  浓硝酸的分子式为HNO3,分子量63.016,相对密度1.054 (98%),熔点-42 ℃,恒沸 121 ℃,78 ℃分解,无色透明液体,具 有吸湿性、腐蚀性和窒息性。几乎和所有金属起作用,具有强氧化性,是一种强氧化剂。本装置生产的 98%的 成品浓硝酸称为“发烟硝酸”。
  2.聚四氟乙烯的特性
  聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoro Ethylene,PTFE),俗称塑料王。聚四氟乙烯的基本结构为-CF2-CF2-CF2CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-,化学性质稳定,具有优良的耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好 的抗老化能力, 可在-200~290 ℃的环境中长期使用,除 熔融金属钠和液氟外,能耐其他一切化学药品,在王水 中煮沸也不起变化。广泛应用在国防军工、原子能、石 油、无线电、电力机械、化学工业等重要部门。
  3.浓硝酸装置设备运行情况
  由于硝酸的腐蚀性极强,浓硝酸装置在设计之初主要采用 高硅铸铁和 304L(00Cr19Ni10)两种材料,高硅铸铁虽然耐硝酸腐蚀能力极强,但属脆性材料,其强度、塑性和韧性差,极易断 裂,在使用上受到一定程度的限制。304L 虽然可在常温稀硝酸中长期使用,但由于浓硝酸生产工况的特殊性,也会造成材料的腐蚀失效,因此造成了装置个别设备腐蚀泄漏现象的发生。聚四 氟乙烯在设计之初主要用做设备连接和密封用垫片。
  二、聚四氟
乙烯在设备中的应用
  1.硝镁加热器
  硝镁加热器的作用是将稀硝酸、硝酸镁和水的三元混合物 料加热,蒸出硝酸蒸汽,为浓缩塔提供蒸馏操作热源,是蒸馏装 置中典型的塔底再沸器,材料 304L,工作温度为 160~180 ℃。通 常情况下 304L 完全可以满足设备运行条件,但由于设备运行 中的复杂工况,设备的不同部位曾出现过多次腐蚀泄漏现象,设备工况图如图 1 所示。
图 1 硝镁蒸发器
  图 1 中 A, B 和 C 处曾多次出现过腐蚀泄漏现象, A 处为三元混合物料的下料管线,流经其中的物料不但对其产生冲刷作 用,而且由于其处在高温环境中,硝酸对其腐蚀作用不可小视, 当温度从 10 ℃增至 75 ℃时,金属镍在酸中的腐蚀速度将增加 100 倍,导致 304L 不锈钢的腐蚀速度迅速增加,造成 A 处腐蚀泄漏。实际生产中曾多次更换过 10 mm 厚的 304L 管线,但效果不佳,腐蚀后剩余厚度在 2 mm 左右,将下料管线改为 304L 内 衬聚四氟乙烯,不但耐冲刷而且完全可以抵抗高温硝酸的腐蚀。
  B 处为 U 形管正对下料管处,正常运行时物料对 B 处的正 面冲刷作用要大于 A 处,且 U 形管上温度更高,硝酸对其的腐 蚀程度更加剧烈, B 处也曾多次发生腐蚀泄漏现象,泄漏后导致浓缩塔负压波动,影响蒸馏效果和稀镁浓度,严重影响装置的正 常生产,后来为防止其冲刷腐蚀,停车清罐时,在 B 处加装一块 10 mm 厚的聚四氟乙烯防冲板,来防止物料对 B 处造成的冲刷 腐蚀,效果一直很好。
  C 处为人孔接管的焊口及焊口附近筒体处,由于正常生产 时的液位控制在高出加热管束 100~200 mm, C 处不和物料接触,设备设计没有考虑腐蚀问题,但该点的腐蚀却很严重,也曾 多次发生过腐蚀泄漏现象,多次进行过焊接加强板的防护措施, 但问题的根源并没有解决。分析其腐蚀原因,由于三元混合物料液面上方充满了高温硝酸蒸汽,人孔处的硝酸蒸汽遇冷冷凝成 硝酸,沿人孔接管管壁下流,液滴附着停留在接管焊口和焊口附 近的筒体上,由于设备壳体温度同样接近 160~180 ℃,硝酸液 滴被蒸发提浓,浓硝酸液滴对设备 C 处造成腐蚀破坏,造成泄 漏,影响生产, C 处的腐蚀情况如图 2 所示。将人孔接管改为倒 插入设备 50 mm 左右,避免了冷凝酸对设备本体的腐蚀。
 图 2 C 处腐蚀情况
  2.浓硝酸汽相管线
  浓硝酸汽相管线,最初设计 材料为304L。塔顶汽液分离罐分 离出的浓硝酸蒸汽,通过浓硝酸 汽相管线被塔尾水喷射器吸收形成酸性水。由于浓硝酸蒸汽温度 较高,在被抽送过程中部分冷凝 成硝酸液滴,造成汽相带液,加之 流速快,对汽相管线造成严重的 冲刷腐蚀,腐蚀后的管线最薄处 不足1 mm,两套装置平均每 3个 月就要全部更换一次汽相管线, 不但影响装置的正常生产,而且更换管线的费用高,施工难度大, 腐蚀情况如图3所示。
图 3 管线的腐蚀情况
  后来将浓硝酸汽相管线改 为 304L 内衬聚四氟乙烯,完全解决了汽相带液冲刷腐蚀问题,虽 然费用是原来的 2 倍左右,但一 次性投入可以终身受用,自更换 已连续运行两年,从未出现过腐蚀泄漏问题。
  3.混合分配器
  混合分配器的作用是将生 产浓硝酸所用原料稀硝酸和浓硝酸镁(150 ℃)按 1∶2(体积比) 充分混合送入浓缩塔塔中,以便充分发挥浓硝酸镁的脱水作用,更好的进行提馏和精馏,生产合格的浓硝酸。设备材质为高硅铸 铁,属脆性材料,其强度、塑性和韧性差,极易断裂,特别是在骤 冷骤热的情况下,更容易断裂。工况图如图 4 所示。
图 4 混合分配器
  由于设备原始设计原因,稀硝 酸和浓硝酸镁未得到充分混合换热 就流入塔中,且两种物料在设备 de 面附近模糊分层,上层为低温的稀硝酸,下层为高温的浓硝酸镁,由 于塔内负压操作(-2~-8 kPa),物料被抽入塔中,混合物料出口处液 面时高时低,这样就造成单一物料 在 d-e 面的交替富集,使 d-e 面骤 冷骤热,特别是冬季,稀硝酸温度 在-30 ℃左右,使高硅铸铁的脆性加强,且两物料温度梯度达到 180 ℃,造成设备沿 d-e 面的断裂泄漏,严重影响装置的正常生产, 设备断裂情况如图 5 所示。
 图 5 设备断裂情况
  将设备壳体更换成 304 内衬聚四氟乙烯,不但耐腐蚀、强度 高,适合浓硝酸装置的生产运行环境,而且彻底解决了混合分配器的断裂泄漏问题。
  4.主要阀门
  浓硝酸装置的主要阀门,如塔顶回流阀,不合格酸阀,酸冷 却器阀等,均为 KY704 高硅奥氏体不锈耐酸钢材料,短期使用效果还可以,但时间较长时,由于开关次数多,密封面磨损,金属 表面光洁度变差,加快腐蚀,均出现密封面腐蚀内漏现象,后均 改为 304L 内衬聚四氟乙烯形式,使用效果一直很好。
  三、经济效益
  浓硝酸装置设备腐蚀泄漏严重,聚四氟乙烯在浓硝酸设备中的应用,解决了大量设备腐蚀泄漏问题,不但避免了设备泄漏给 装置带来的非计划停车,而且减少了高额的设备维修更换费用。按每年每套减少非计划停车4次计,每套每次从停车维修更换设 备到恢复正常生产需要 20 h,浓硝酸装置2套设备平均每小时生产成品酸5.1t,则每年可多产酸408 t,98%的浓硝酸价格按每吨 2400元计算,则可增加效益97.92万元。每 2 年可节省1 台硝镁 加热器, 2台混合分配器,DN80的304L管线200 m,阀门6台,则 每年减少由于腐蚀泄漏造成的设备损耗费用45.39万元。
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