（机械工程专业论文）脱氢液乙苯过热器失效原因分析及技术改进.pdf

| 学位论文数据集 j i i i iii i i i iii i i ii i i i u f y 1810 5 4 3 中图分类号 t h 6 学科分类号 53 0 3 1 论文编号 l o o 】0 2 0 0 7 0 0 l5密级公开 学位授予单位代码 10 0 10 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名邵德华学号 20 0 2 0 3 0 0 l5 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 7 课题来源自选课题研究方向压力容器技术 论文题目脱氢液乙苯过热器失效原因分析及技术改进 关键词苯乙烯乙苯过热器失效分析技术改进 论文答辩日期2 0 0 7 年1 2 月10 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师崔文勇教授 北京化工大学 工程力学 评阅人i王奎升 教授北京化工大学机械 评阅人2陈香凯高工中石油长城公司 机械 评阅人3 崔文勇教授北京化工大学工程力学 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴 答辩委员l王奎升 教授北京化工大学机械 答辩委员2 张有忱教授北京化工大学机械 答辩委员3 崔文勇教授北京化工大学 工程力学 答辩委员4陈香凯高工中石油长城公司 机械 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( 中国图书资料分类法) ) 查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 i j i ：j ：i 化i 。人产i 。f i i i 倾卜节f 妒沦殳 脱氢液乙苯过热器失效原因分析及技术改进 摘要 脱氧液乙苯过热器( e a 一3 0 4 ) 足齐鲁分公- j 苯乙烯装茕乙苯脱氧甲几 的父键换热砹矫，山l i 小化友。币：l ：株j 弋会字i ：制造。1 9 9 2 年投川后小剑p t l 年，| = ! i j 现商滞i 端铃；极与换热篱的：i = l f ! 接接头多处开裂、泄漏故障，m 经多 次维修j i ：进行厂次整体更新，设备丌裂、泄漏问题木能彻底解决，成为 制约苯乙烯装嚣安稳运行的瓶颈。本义结合装黄牛j 沁实际，分析确认j ，改 符，人效的微小肠i | 大i ，并提j ，相j 澎的技术改进万案，即：将设符材质山 2 2 5 c r - lm o 改为o c r l8 n i 9 ，消除丫材质在- i ：作温度卜存在的高珏l 火脆 化i u j 题；利j i j j , ；z 力分析方法进行管板设计，减少毹；板厚度，改善j ，换热毹： 1 j 锐；板岁- l 接接头受力状况，降低了换热管与管板内孔焊施1 ：难度；改进滑 动1 毫；板结构，增加滑动管板与壳体的设计间隙，增设辅助滑块，使滑动毹； 极笏丁滑动；针对设器材质改变后壳体热膨胀量增加的实际，通过增设壳 体波纹膨胀1 ，和同定支鹰等措施，保证丫整个系统热力，l 衡。通过技术改 进制作的新设符投j 门后，过热器壳程和管程i “入口温差得剑优化，捉高j ， 设嵛换热效果；壳程前后乙苯质量分数差值达到j - l 二艺要求，设符内漏最减 少，装黄经济效黼得剑人1 9 i ；提高。：1 j 业应用证明技术改进获得成功。 关键词：苯乙烯，乙苯，过热器，失效，分析，技术改进 i n v a l ! d a t i n ga n a “s i sa n dt e c h n i c a l imp r o v e me n to fe t h y l b e n z e n es up e r h e a t e r a b s t r a c t e t h y l b e n z e n es u p e r h e a t e r i st h ek e yh e a t e x c h a n g e ri ns t y r e n eu n i to fq i lu p e t r o c h e m i c a l c o r p ，t h ef o r m e r l ye q u i p m e n t w a sm a d e b yj a p a n e s e s u m i t o m ok a b u s k i k ik a i s h af i r s t t h es u p e r h e a t e rp u tp r o d u c t i o n i n19 9 2 ， w h e ni tu s e dl e s sf o u r y e a r s ，t h e w e l dj o i n tb e t w e e nt u b e a n dh i g h t e m p e r a t u r e t u b e s h e e tb e g a nt oc r a c ki nm a n yp o i n t s ，a n d i tc a u s et o l e a k a l t h o u g ht h eh e a t e x c h a n g e rw a sr e p a i r e dm a n yt i m e sa n dr e p l a c e d ，t h e p r o b l e mw a sn o tr e s o l v e d t h i sb e c a m et h eb o t t l e n e c ko fs a f e t yi np r o d u c t i o n o fs t y r e n eu n i t a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c ep r a c t i c eo fs t y r e n eu n i t ，t h i sp a p e r a n a t o m i z e d t h eb a s i cr e a s o n so ff o r m e r l ye t h y l b e n z e n es u p e r h e a t e r s i n v a l i d a t i o n ，a n d c o n s t i t u t et h ep r o j e c to ft h es u p e r h e a t e r st e c h n i c a li m p r o v e m e n t t h ep r o j e c t i n c l u d e ：f i r s t ，t h eh e a t e x c h a n g e r sm a t e r i a lw a sc h a n g e d f r o m2 2 5 c r - lm ot o 0 c r l8 n i 9 ，i te l i m i n a t e dt h ep h e n o m e n o no ft e m p e r i n ge m b r i t t l e m e n t a n d o f a il o y s t e e la tt h ew o k i n gt e m p e r a t u r e ；t h et u b e s h e e t sw e r ed e s i g n e db yt h e m e t h o do fs t r a i na n a l y s i s ，i tm a d et h et u b e s h e e t st h i n e r , a n da m e l i o r a t e dt h e s t r a i no ft h ew e l dj o i n tb e t w e e nt u b ea n dt u b e s h e e t ，i tm a d e t h ej o bo ft h ed e e p l v j 匕j j i 化i + 人if i i ! 彤l | j z f 节沦爻 i m p r o v e db e t w e e nt u b ea n dt u b e s h e e tt oe a s i l y ：t h es t r u c t u r eo ft h es li d e t u b e s h e e tw a si m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ec l e a r a n c eb e t w e e nt u b e s h e e ta n d s h e l l ，a d d i n gt h ea u x i l i a r ys l i d eb l o c k ，t h es l i d et u b e s h e e tb e c o m es l i d i n g ， e a s i l y ：1 1 0b ed i r e c t e da g a i n s tt h es h e l lh o te x p a n dl a r g e r t h em e t a l l i cb e l l o w s e x p a n s i o nj o i n ta n dt h ef i x e dp e d e s t a lw e r ea d d e d ，t h i sm e a s u r e se n s u r e dt h e t h e r m o d y n a m i cb a l a n c eo ft h ew h o l es y s t e m a f t e rt h en e ws u p e r h e a t e rt h a t w a sm a d eu s i n gm e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n tu s e df o ral o n gt i m e ，t h ee x i to r e n t r a n c e s t e m p e r a t u r eo ft h e s h e l l s i d e p a s s a n dt u b es i d e p a s s w e r e o p t i m i z e d ，t h i se n h a n c e dt h eh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c y ：t h ed i f f e r e n c eo f e t h y l b e n z e n e sc o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ee x i ta n de n t r a n c eo ft h es h e l ls i d e p a s s a c c o r d e dw i t h t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h e i n n e rl e a ko ft h e s u p e r h e a t e rd e c r e a s e d ，t h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h es t y r e n e u ni t i n c r e a s e d l a r g e l y i n d u s t r i a la p p l i c a t i o nt e s t i f y t h a tt h em e a s u r e sf o r i m p r o v e m e n ti ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：s t y r e n e ，e t h y l b e n z e n e ，s u p e r h e a t e r , i n v a l i d a t i o n ，a n a l y s i s ， t e c h n i c a li m p r o v e m e n t v 北j ：i 化j + 人7 ：i “颂i ：q - f r 论殳 目录 摘j l 兽ill ab s t r a c t iv 目录、l 第一章绪论l 1 1 术乙烯化j 托i ：岂介乡f j 1 1 2 齐似水乙烯裟r 筛介1 1 2 1 烷j 化i i 几7 l i ，_ i ：艺1 1 2 2 乙苯精馏i t ) u i i j 犯i ：艺2 i 2 3 乙术脱钒l 、f i ；u i j 批i ：艺3 1 2 4 笨乙烯耥馏i p 已乍，犯l ：艺3 13 脱瓴液乙笨过热器介2 f j 4 1 3 1 脱钒液乙术过热器l ：艺批述4 i 3 2 脱瓴液乙休过热器砹符揣述6 1 4 小秘，卜宝。_ 7 第二章研究内容及文献综述8 2 1 项i l 水源及意义8 2 2 研究内窬及l i 标8 2 2 1 研7 芒内秤8 2 2 2f i j d t , i 丰，j ：9 2 3 小课题枷火领域的背景知谚l 、研究状况和自订沿发展情况9 2 3 1 换热器的分类9 2 3 2l ；壳，c l = 换热器的构造! 捌式1 0 2 3 3 ；板1 ，换热竹的连接办j 1 0 2 3 4 换热器的火效，l ! ! 式1 3 2 3 5 铬臼1 钢的f i j i 火脆化i u j 题1 4 2 3 61 ；极强皮设计办法比较1 5 2 41 日内外jr j 挺的乍i x j 乍l ：l ：f 1 1 16 2 5 小蕊小结1 7 第三章e a 3 0 4 设备失效原因分析l 8 v i 北j j i 化1 人。、iw 坝卜f 妒沦殳 3 1 改矫改1 5 i l c 材i 述i8 3 2 改掩，人效原分析1 9 3 2 1f i ，力竹板j 伯 奉改汁轮阳i l l j 隙小够i9 3 2 2 胍十4 j ：”个火脆化2 ( ) 3 3 陡搿人妓机川l 2 4 3 4 小，卜室l i 2 5 第四章e a 3 0 4 管板应力分析设计2 6 4 1e a 3 0 4 披术改进思路2 6 4 2j 够j 分1 1 | i 设il 。河e 蜒i j 2 6 4 3 换热器竹板分析砹汁准则的考虑索2 7 4 4 竹板分析改 f 考虑i ：况和心j 计定玳则2 8 4 4 11 ；板分析敬汁考虑l ：况2 8 4 4 2 分析设计心力计定准则2 9 4 5e a 3 0 41 1 ；极& i f i f 濉x - 卜弹3 0 4 5 11 i ；扳农i f l 滞l i l 謦对镑扳心了的影响3 0 4 5 2e a 3 0 41 板农而温芹的近似汁算3 0 4 6e a 3 0 41 ：板计罅简化模型31 4 6 1e a 3 0 4 简化结构模型3l 4 6 2e a 3 0 4 简化力学模，啦3 2 4 7 原e a 3 0 4 换热器竹板应力分析3 3 4 7 1 此ie a 3 0 41 ；板分析计算3 3 4 7 2 坞ie a 3 0 4 ：扳j 啦力分析结果比较3 6 4 8 硎：制e a 3 0 4 ；极分析设计3 7 4 8 1 研制e a 3 0 41 ；极分析计算3 7 4 8 2 研制e a 3 0 41 ；板心力分析结果比较4 0 4 9j 够川g b l51 19 9 9 进行符板比较计算4 1 4 10 小誓，j 、宝出4 2 第五章e a 3 0 4 技术改进措施4 4 5 1 技术改进1 i 要内容4 4 5 2 介理选择设备：e 体材质4 5 i 5 2 1 设备选材4 5 5 2 2 篱材、板材和焊接材料技术要求4 5 5 3 改进滑动端结构4 7 v 北京化l ：人学鼙硕十学位论文 5 3 1 合理设计滑动管板与壳体的间隙：4 7 5 3 。2 增设支撑滑块4 8 5 4 应用分析设计方法，减小管板厚度4 8 5 5 换热管j 管板连接设计j 制作4 9 5 5 1 换热管与管板连接结构选择4 9 5 5 2 内孔焊结构特点及改进4 9 5 5 3 研制划应力槽专用刀具5 l 5 5 4 改进焊接设备5 l 5 5 5 优化焊接工艺，保证焊接质量5 2 5 6 改进壳体结构，增设热膨胀补偿器5 4 5 6 1 壳体轴向热膨胀计算比较5 4 5 6 2 增设两组热膨胀补偿器5 4 5 6 3 热膨胀补偿器结构5 5 5 7 技术改进设备的工业应用5 6 5 8 本章小结5 6 第六章结论与展望。5 7 6 1 本文主要结论5 7 6 2 工作展望j 5 8 参考文献5 9 蚕j 【谢。6 3 作者和导师。 v m 北京化工大学工程硕士学位论文 1 1 苯乙烯生产工艺介绍 第一章绪论 苯乙烯( s m ) 是一种重要的基本有机化土原料，用途十分广泛，可用于生产聚苯乙 烯树脂( p s ) 、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯( a a s ) 树脂、苯乙烯一丙烯腈共聚物( s a n ) 树脂、 丁苯橡胶和丁苯胶- ( s b w s b r 胶乳) 、离子交换树脂、不饱和聚酯以及苯乙烯系热塑 性弹性体( s b s ) 等。此外，还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业。 日前，世界上苯乙烯的生产方法主要有乙苯脱氢法、环氧丙烷一苯乙烯联产法、 热解汽油抽提蒸馏回收法以及丁二烯合成法等。其中乙苯脱氢法是目前国内外生产苯 乙烯的主要方法，其生产能力约占世界苯乙烯总生产能力的9 0 ，包括乙苯催化脱氢 和乙苯氧化脱氢两种生产工艺。环氧丙烷一苯乙烯联产法由于具有不需要高温反应， “三废 少，投资费用和操作费用低，可以同时联产苯乙烯和环氧丙烷两种重要的有 t i z - f 】 机化工产品等优点，是今后建设大型苯乙烯生产装置的主要发展方向： 。 1 2 齐鲁苯乙烯装置简介 中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司塑料厂6 0 k t a 苯乙烯装置是齐鲁3 0 0 k t a 乙烯工程的配套项目，生产装置1 9 9 2 年1 0 月投用，采用美国孟山都鲁姆斯公司的 乙苯催化脱氢专利技术和基础设计，引进关键设备和仪表，用乙烯与苯直接烃化反应 生成乙苯，然后乙苯脱氢生产苯乙烯。苯乙烯装置由烷基化单元、乙苯精馏单元、乙 苯脱氢单元和苯乙烯精馏单元等四部分组成，装置流程如图1 1 所述。 1 2 1 烷基化单元生产工艺 烷基化单元由烷基化反应和烷基转移反应两部分构成。本单元以乙烯与苯为原 料，以三氯化铝为催化剂，氯化氢为为助催化剂，在高温下进行均相烷基化反应，生 产乙苯。反应方程式如下： 主反应：c 6 h 6 + c 2 h 4 一c 6 h 5c 2 h 5 ( 乙苯)( 1 1 ) 北京化工大学工程硕士学位论文 副反应：c 6 h “c 2 h 5 pc 2 h 4 一c 6 】1 6 - o ( c 2 h s ) n + l( 1 2 ) 其中，1 1 为苯环上的乙基数目。副反应生成二乙苯、三乙苯、四乙苯以及少量五、 六乙苯，过程中还有少量异丙苯、正丙苯、丁基苯及高沸物生成。影响上述烷基化反 应的主要因素有反应温度、苯烯比( 苯和乙烯之比) 、催化剂活性、反应停留时间等。 反应温度升高，反应速度加快；苯烯比适宜，可在乙烯完全转化的基础上降低能耗； 催化剂活性越高，反应速度越快；反应时间增长，转化率增高。 苯 图i - i 苯乙烯装置工艺流程简图 另外，在烷基化反应的同时，循环多乙苯进行烷基转移反应，反应方程式如下： c 6 h 4 ( c 2 h 5 ) 2 + c 6 h 6 2 c 6 h s c 2 h 5 ( 1 - 3 ) c 6 h 3 ( c 2 h 5 ) 3 + c 6 h s c 2 h 5 2 c 6 h 5 ( c 2 h s ) 2 ( 二乙苯)( 1 - 4 ) 影响烷基转移反应的主要因素有反应温度、催化剂活性、反应停留时间等。 烷基化和烷基转移反分别在反应器各自的反应区进行，烷基化液( 包括反应产物 和未反应的苯) 经闪蒸，气相进入h c l 回收系统，液相进入三级洗涤系统。烷基化液 首先经水洗除去大部分的a 1 c 1 3 和游离的h c i ，然后经碱洗中和，除去其中的少量a i c l 3 和h c l ，再经水洗除去夹带的少量n a o h 。洗涤后的烷基化液进入乙苯精馏单元进行 分离精馏。 1 2 2 乙苯精馏单元生产工艺 乙苯精馏单元由苯塔( t 2 0 1 ) 、乙苯塔( t 2 0 2 ) 、多乙苯塔( t 2 0 3 ) 、脱非芳塔( t 2 0 4 ) 四个塔组成。前三个塔的作用是将烷基化单元反应产物分离成苯、乙苯、多乙苯和残 油，其中回收的苯返回到烷基化反应器和烷基转移反应器，多乙苯返回到烷基转移反 应器。脱非芳塔则用于脱除进料和反应过程中生成的轻烃组分、水和轻非芳烃。乙苯 2 北京化工大学工程硕士学位论文 塔顶采出产品乙苯送往脱氢单元，塔釜产物进入多乙苯塔。多乙苯塔塔顶采出多乙苯 混合物返回烷基化单元进行烷基转移反应，塔釜残液去罐区。主要影响因素为精馏塔 再沸器用高压蒸汽压力，压力波动将引起精馏塔的工艺参数波动。 1 2 3 乙苯脱氢单元生产工艺 乙苯和蒸汽混合蒸发后，被加热到反应温度，在催化剂的作用下，脱氢制得苯乙 烯。高温脱氢反应物经冷却、冷凝后，在分离器中分离成气相、烃相和水相。烃相一 脱氢混合液送往储罐，水相一工艺冷凝液经汽提系统处理后进入低压冷凝液罐，作为 锅炉给水或送界外，气相一尾气经冷却、压缩并用残油洗涤后或去p s a 制氢，或去 过热炉作燃料气。 乙苯脱氢反应为吸热反应，反应所需热量由蒸汽过热炉的过热蒸汽提供，脱氢反 应在负压下进行，温度5 8 0 _ - 6 3 0 。 主反应：c 6 h 5 c 2 h 5 一c 6 h 5 c h 一- - - c h 2 + h 2 1 2 4 6 5 k j m o l( 1 4 ) 主要副反应：c 6 h s c 2 h 5 + i - 1 2 一c 6 h s c h 3 + c h 4( 1 5 ) c 6 h s c 2 h 5 一c h 2 = 一c h 2 + c 6 h 6( 1 6 ) c 6 h 5 c 2 h 5 8 c + 5 h 2( 1 7 ) 脱氢催化剂在反应过程中再生，但随着使用时间的延长，其活性逐渐下降，需定 期更换。影响脱氢反应的主要因素有反应温度、反应压力、水比( 水和乙苯之比) 、催 化剂活性、空速等。 反应温度升高，转化率提高；反应压力降低，转化率提高；水比增大，转化率提 高；催化剂活性好，转化率提高；空速降低，转化率提高。 1 2 4 苯乙烯精馏单元生产工艺 苯乙烯精馏单元通过三塔精馏系统：粗苯乙烯塔、乙苯回收塔、精苯乙烯塔和闪 蒸罐，将脱氢液分离成乙苯、甲苯苯、苯乙烯和苯乙烯焦油。粗苯乙烯塔塔顶馏分 为乙苯、甲苯、苯送往乙苯回收塔，塔釜液为苯乙烯及其聚合物，送往精苯乙烯塔。 精苯乙烯塔塔顶为产品苯乙烯，塔釜液去闪蒸罐回收苯乙烯，经回收后剩余为苯乙烯 焦油，与烃化液残油混合后去焦油储罐。乙苯回收塔塔釜为循环乙苯去脱氢单元乙苯 蒸发器，塔顶为苯甲苯，作为副产品去甲苯储罐。 1 北京化工大学工程硕士学位论文 1 3 脱氢液乙苯过热器介绍 脱氢液乙苯过热器( e a - 3 0 4 ) 是苯乙烯装置乙苯脱氢单元的关键换热设备，它与后 续设备中压蒸汽废热锅炉( e a - 3 0 6 ) 及低压蒸汽废热锅炉( e a 3 0 7 ) 壳体连成一体成为管 程串联的换热器组( 图1 - 2 ) ，原设备整体由日本住友重工株式会社制造。 f 瓦盅暑 撇删、 1 、 、仨 d c 3 0 2 厂l 5 t a 3 0 6 柏0 7e a 3 0 4 j 8 。f 1巾巾1) 一一 。乜一。酬 一 jij - i _ a 5 6 0 06 8 9 04 0 0 04 0 0 02 3 0 0 2 5 7 0 0 图1 _ 2 e a 3 0 4 e a 3 0 6 e a 3 0 7 换热器组示意图 1 3 1 脱氢液乙苯过热器工艺描述 来自罐区或乙苯单元的原料乙苯在流量控制下，首先与乙苯回收塔釜液泵( p 4 1 3 ) 送来的循环乙苯汇合，再与来自管网的2 1 0 k p a g 配汽蒸汽同时进入乙苯蒸发器 ( e a 3 0 1 ) 被加热后蒸发，获得乙苯一水蒸汽混合物，然后进入过热器( e a 3 0 4 ) 被管程的 从反应器( d c 3 0 2 ) 流出反应气体加热后在第一脱氢反应器( d c 3 0 1 ) 底部的混合器处同 来自蒸汽过热炉( b a 3 0 1 ) a 室的过热主蒸汽混合进入反应器( d c 3 0 1 ) 催化剂床层，乙苯 在负压绝热条件下发生脱氢反应。 第一反应器( d c 3 0 1 ) 流出物进入位于第二脱氢反应器( d c 3 0 2 ) 顶部的中间再热器 ( e a 3 0 2 ) 之管程，同壳程的来自蒸汽过热炉( b a 3 0 1 ) b 室的过热蒸汽换热，进入第二脱 氢反应器d c 3 0 2 的催化剂床层，实现第二阶段负压绝热脱氢反应。 乙苯经历了在d c 3 0 1 和d c 3 0 2 中完成的二个阶段绝热脱氢反应后，反应产物从 d c 3 0 2 排出，首先进入脱氢液乙苯过热器( e a 3 0 4 ) 管程，与壳程的进料乙苯一水蒸汽 换热后进入中压废热锅炉( e a 3 0 6 ) 的管程，加热壳程的锅炉给水，壳程产生3 2 0 k p a g 蒸汽，反应产物进入低压废热锅炉( e a 3 0 7 ) 的管程。自e a 3 0 7 流出的反应产物仍呈气 态，进入急冷器( b h 3 0 1 ) ，喷入急冷水进入主冷器( e c 3 0 1 ) 的管程，实现气液分离。 4 北京化工大学工程硕士学位论文 脱氢液乙苯过热器( e a 3 0 4 ) 的工艺作用是冷却反应生成物、加热反应原料，并副 产部分蒸汽。操作过程为：来自脱氢反应器d c 3 0 2 的高温生成物( 脱氢液及蒸汽) 进入 e a 3 0 4 管程换热冷却，入口温度为5 8 3 。c ，经换热降至3 1 4 进入e a 3 0 6 换热器继续 作为热介质进行换热，介质成分为苯、乙苯、甲苯、苯乙烯、氢气、一氧化碳、水蒸 汽等，其中苯乙烯含量约为6 1 。壳程介质为乙苯及蒸汽，入口温度9 2 ，出口温 度为5 3 8 。 e a 3 0 4 工艺物料除苯、乙苯、甲苯、苯乙烯等有机物外，还有氢气、一氧化碳、 氧气、水蒸汽等，在高温、负压状况下易燃易爆，且氢气、一氧化碳都是较强的还原 剂。另外换热器的管程、壳程出入口温度相差较大。过热器出现泄漏会对壳程苯乙烯 含量产生很大影响( 因壳程压力较管程高，进料乙苯通过泄漏点进入管程脱氢反应物 内) ，使壳程苯乙烯含量降至6 0 以下。导致壳程出口温度升高，管程温度下降，部 分设备发生聚合反应，使装置苯乙烯产量下降，催化剂不能发挥其应有效能，严重时 造成装置全线停车，带来巨大的经济损失和严重的环保污染事故，制约了生产装置高 效长周期安全运行。 d c 一舷挖 第二段脱氯屋藏疆 图l - 3 脱氢产物热回收工艺流程图 北京化工大学工程硕士学位论文 1 3 2 脱氢液，乙苯过热器设备描述 脱氢液乙苯过热器( e a 3 0 4 ) 原设备由日本住友重工株式会社制造，为内置填料函 列管式换热器，设备壳体直径1 7 5 0 m m ，设备长度1 1 2 9 0 m m ，有8 7 0 根0 3 8 x 2 2 换热管，管长8 8 0 0 m m ，固定管板的厚度为1 1 7 m m ，滑动管板的厚度为7 0 m m ，设备 主体材质( 壳体、换热管及管板) 为2 2 5 c r - 1 m o ，其中换热管材质为a s t ms a 2 1 3t 2 2 ， 壳体、管板材质为a s t ms a 3 8 7g r 2 2 。其主要技术参数如表1 1 。 表1 - 1 脱氢液乙苯过热器( e a 3 0 4 ) 技术参数 项目名称管程壳程 设计压力( m p a ) 0 2 1 真空0 2 1 真空 设计温度( ) 6 1 05 6 5 工作压力( m a a )0 0 4 0 8 ( 绝) 0 0 9 8 4 工作温度( ) 入口：5 8 3出口：3 1 4入口：9 2 出口：5 3 8 物料名称脱氢液及蒸汽乙苯及蒸汽 程数 1 1 焊缝系数1 o1 o 腐蚀裕度( m m ) 3 o3 o 换热面积( m 2 ) 9 1 4 e a 3 0 4 高温端管板为固定管板结构，换热管与管板的连接采用内孔对接焊( 图 1 4 ) ；低温端为滑动管板结构，换热管与管板采用内孔搭接焊( 图l 一5 ) 。 ，厂 l 图1 - 4 高温端管板与换热管的连接方式图l - 5 低温端管板与换热管的连接方式 6 北京化工大学工程硕士学位论文 1 4 本章小结 本章简要介绍了目前世界上常用的苯乙烯生产工艺，对齐鲁分公司塑料厂6 0 k t a 苯乙烯装置的生产工艺进行了描述。重点论述了本文研究的脱氢液乙苯过热器 ( e a - 3 0 4 ) 在苯乙烯装置乙苯脱氢单元的工艺作用及其工艺流程，介绍了脱氢液乙苯过 热器的结构型式和技术参数。 7 北京化工大学工程硕士学位论文 第二章研究内容及文献综述 2 1 项目来源及意义 中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司塑料厂苯乙烯装置脱氢液乙苯过热器 ( e a 3 0 4 ) 是装置的关键换热设备，生产装置1 9 9 2 年投用，1 9 9 5 年8 月发现固定管板与 换热管的内孔对接焊部分焊口断裂，现场进行抢修堵管处理，其后管束多次失效泄漏， 先后用空心塞堵管1 9 0 根，严重影响装置安全生产。1 9 9 8 年重新设计制造，壳体仍采 用c r - m o 钢，换热管、管板材料改用奥氏体不锈钢，换热管与管板的连接方式由内孔 对接焊改为强度焊加贴胀。设备投用后，换热管的胀接区域多次鼓包开裂，造成装置 停车，共发现1 0 0 多根换热管泄漏，严重制约苯乙烯装置生产的能力，成为装置生产 达标和安全生产的“瓶颈 。设备换热管多次泄漏失效，严重影响苯乙烯装置的生产， 为保证生产装置长周期安全运行，提高生产装置的经济效益，决定立项分析脱氢液 乙苯过热器失效原因，提出技术改进措施，进行设备研制。 找出脱氢液乙苯过热器的失效原因，提出技术改进措施，完成设备研制，对保 证生产装置长周期安全运行、提高生产装置的经济效益和推进重大设备国产化研制具 有十分重要的意义。 2 2 研究内容及目标 2 2 1 研究内容 本课题研究分两方面内容，分析脱氢液乙苯过热器的失效原因，并提出技术改 进措施。研究的主要内容有： ( 1 ) 分析滑动管板的滑动状况，比较铬钼钢和不锈钢的使用情况，找出导致换热管 与管板焊接接头失效的原因，选择合理结构和材料： ( 2 ) 解决设备壳体材质改变所引起的壳程新增膨胀量问题，与串联设备统筹考虑， 必要时新增壳体膨胀节； 一 一 北京化工大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 利用应力分析方法，对管板进行应力分析计算，减少固定和滑动管板的厚度， 降低管板两侧温差，改善管板受力状况； ( 4 ) 准确计算滑动管板及相应壳体的操作工况下的径向热膨胀，合理选择滑动管板 和壳体的设计间隙； ( 5 ) 解决内孔对接焊的焊接工艺问题。 2 2 2 研究目标 通过准确分析脱氢液乙苯过热器的失效原因，提出合理的技术改进措施。研制 设备壳程和管程出入温度得到优化，减少设备内漏，设备管程前后苯乙烯浓度差预计 小于1 ；提高设备换热效果，降低系统能耗；摆脱设备依赖进口的局面，降低设备 制造安装资金。消除制约苯乙烯装置生产的瓶颈，保证生产装置长周期安全运行，提 高生产装置的生产效益。 2 3 本课题相关领域的背景知识、研究状况和前沿发展情况 2 3 1 换热器的分类 换热器是石油、化工、制药、轻工和食品等行业中广泛采用的单元设备。由于生 产的规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型是多种多样的。换 热器按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器和汽化器等。换热器按其传热特征，可 分为下列三类： ( 1 ) 直接接触式换热器，在这类换热器中，冷、热两流体通过直接混合进行热量交 换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下，这是比较方便和有效的，且其结构比 较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 ( 2 ) 蓄热式换热器，主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可充填耐火砖或金属带 等作为填料。冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室，通过填料将来自热流体的热量， 传递给冷流体，达到换热目的。结构简单，且可耐高温，常用于气体的余热及其冷量 的利用。缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 ( 3 ) 间壁式换热器，间壁式换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁( 或石 墨等导热性能好的非金属壁) 隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递， 9 北京化工大学工程硕士学位论文 间壁式换热器是目前应用最为广泛的换热器。间壁式换热器根据传热面的结构形状可 分为管式和板式两大类，管式中又有管壳式、套管式、蛇管式、以及翅片管式等多种 形式，板式中又有波纹平板式、螺旋板式、板壳式、板翅式等多种形式。其中管壳式 换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有 约7 0 的主导地位。随着强化传热等技术的发展，管壳式换热器在制造技术和传热性 能上也不断提高。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也 为i s o 国际标准化组织所重视。因此出现了t e m a 、a p l 6 6 0 、j i s b 8 2 4 9 等一批管壳 式换热器标准，i s o 目前正在与a p i 联手并会同有关国家编制i s o 管壳式换热器标准。 中国国家标准管壳式换热器( g b l 5 1 1 9 9 9 ) 作为强制标准在我国已经广泛应用。 2 3 2 管壳式换热器的构造与型式 管壳式换热器由于设备结构紧凑、坚固，并且能选用多种材料制造，故适应性强， 尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍采用。管壳式换热器在操作时，由于冷、热 两流体温度不同，使壳体和管壁的温度有差异，造成壳体和管子的热膨胀程度不同， 当两者温差较大( 5 0 c 以上) 时可能将管子扭弯，或使管子从管板上拉松，甚至损坏整 个换热器。对此，必须从结构上考虑热膨胀的影响，采用各种补偿的办法。管壳换热 器的种类很多，目前广泛使用的，按照有无热补偿或补偿方法的不同，主要有下列几 种：( 1 ) 固定管板式换热器，( 2 ) 浮头式换热器，( 3 ) u 形管式换热器，“) 填料函式换热器。 2 3 3 管板与换热管的连接方式 换热管与管板连接焊缝在换热器中起到了对不同压力、不同温度的介质流体间的 隔离作用。对于管壳式换热器，换热管与管板连接焊缝的使用条件和泄漏的后果决定 了其对焊接结构的选择和对焊缝质量的评定要求。使用条件包括温度、压差、流体的 冲蚀作用，机械或热力引起的载荷，以及介质的腐蚀性等。在某些情况下，管板两侧 的工艺条件包括介质的性质差别很小，所以泄漏( 除了传热损失外) 并不重要；而另外 一些情况下，例如高压给水的换热，换热管与管板连接焊缝的泄漏，若不及时进行修 复，就可能导致对管板上小桥和周围其它管子的冲蚀。在换热器两侧流体介质完全不 相容时，换热管与管板连接焊缝的泄漏会直接影响生产的稳定、产品的质量和设备的 安全性，泄漏严重时甚至还可能引起爆炸事故。管壳式换热器主要的失效为管板与换 热管的连接失效。因此，管板与换热管的连接是管壳式换热器设计、制造的关键。 1 0 北京化工大学工程硕士学位论文 管板与换热管的连接方式有以下几种：强度胀接，强度焊，胀焊并用。连接结构 的选取需要根据不同的使用条件，是否存在问隙腐蚀，换热管和管板材料的加工机械 性能、焊接冶金性能等，并结合加工装备和技术能力的实际情况决定。 对于设计压力小于等于4 m p a ，设计温度小于等于3 0 0 ，操作中无剧烈的振动， 无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀的换热器可采用胀接结构。强度胀接的结构型 式及尺寸应符合图2 1 的规定。 吲 j i y j im 甏 x 一 瑾 叫f 用于年f 板皿毫免闻l i t 囊蚀的场合 “) ( b )( c ) 图2 - 1 强度胀接的结构型式及尺寸 对于振动较小和无间隙腐蚀的换热器，换热管与管板的连接方式可采用强度焊结 构，强度焊的结构型式及尺寸应符合图2 2 的规定。 对于密封性能要求较高，承受振动或疲劳载荷，有间隙腐蚀，或采用复合管板的 换热器，换热管与管板的连接方式应采用胀焊并用结构。胀焊并用结构由于能有效地 阻尼管束振动对焊口的损