化工常见单体设备操作(最终定稿)

单体设备操作91化工机械与设备知识911制氢主要设备概况反应器类制氢装置的反应器有加氢反应器、脱硫反应器、中低温变换反应器，甲烷化反应器等。低温变换反应器操作温度较低，筒体材质一般为16MNR，其余反应器如果采用热壁结构，筒体材质一般为15CRMOR，也有采用冷壁结构，在反应器内壁加衬一定厚度的隔热材料（如膨胀珍珠岩），筒体材质就可降为16MNR。反应器的内构件通常有分布器、热电偶管等。塔类设备酸性水汽提塔，用于酸性水汽提。为了防止酸性介质的腐蚀，主体材质为0CR18NI10TI或复合钢板，通常内装陶瓷填料；二氧化碳吸收塔，主要内构件有除雾器、分液管、分布盘等，通常内装填料（如鲍尔环等），主体材质常用16MNR；二氧化碳再生塔，采用塔盘结构或填料，为防止碱液腐蚀，主体材质常用复合钢板（即碳钢内衬不锈钢）。冷换设备类装置的冷换设备主要用于中、低变气的冷却及锅炉水、汽的加热。操作条件较为苛刻，操作介质有腐蚀性，管子一般选用不锈钢（CR18NI10TI等），壳体和管箱也较多采用不锈钢或复合钢板（16MNR0CR18NI9）。还有用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，降低贫液温度的冷换设备，再生塔重沸器等。此外开工冷却器、开工加热器及压缩机循环气冷却器等冷换设备一般采用碳钢设备。PSA变压吸附塔变压吸附塔用于冷却分水后的氢气提纯。其操作压力在245MPA与003MPA之间循环变化，因此除常规的压力容器的要求外，还需要根据相关标准进行疲劳分析。主体材质一般为16MNR。为使气体分布均匀及防止吸附剂带出，吸附器底部气体入口装有过滤锥，顶部气体出口装有过滤篮，内装分子筛，活性炭和硅胶等吸附剂。912制氢装置的设备腐蚀与防腐知识9121腐蚀部位、形态和原因（1）转化炉炉管的破坏转化炉管入口是原料烃和水蒸汽，而在转化催化剂床层反应生成转化气。在炉管外边是燃烧烟气，烟气中含有硫化物和氧化。转化炉管的工作条件苛刻，管壁工作温度高（850920），内外壁温差大（28101），承受内压引起的工作应力和自重应力，并经受开停工引起的疲劳和热冲击。由于温度及应力共同作用，常在距炉管内表面大约为壁厚的1/3处首先产生微裂纹，再向内、向外表面扩展，造成炉管径向开裂。由于迎火与背火面的温差应力常导致炉管弯曲。国外曾对32套使用HK40铸造管的转化炉进行统计。其中有16套转化炉管损坏是由于局部过热引起。局部过热主要是由于催化剂破碎、造成阻力降增加。阻力降增加的原因（1）水被带入炉管内（例如锅炉水位高）使催化剂破碎；（2）填装催化剂的机械磨损生成的粉末在炉管内积聚；（3）由于紧急停车。温度急剧下降炉管收缩，使催化剂受过大压力而破碎。由于阻力降增加，使通过该管的原料量减少带不走热量，因而使炉管出现过热。炉管局部过热会使其寿命大为减少。例如HK40合金铸管在以粗汽油为转化原料时，当管壁温度900，压力为40MPA理论寿命约为10年。而在950时寿命少于3年。操作压力、温度对炉管使用寿命影响见图91。图91操作压力、温度对炉管寿命的影响炉管的过热损坏表现为渗碳、蠕变和破裂。渗碳是指碳向金属或合金内部的扩散侵入。尤其是奥氏体不锈钢，因碳在钢中的固溶度大很容易发生渗碳。在转化炉管，碳来源于高温含碳气体在钢表面分解，并按下式反应析出碳原子2COCCO2COH2CH2OCH4C2H2C2H6CCH4H2渗碳速度与温度有关，温度越高，速度越快，特别是当混合气中有氢存在时，能促进渗碳反应的进行。在过热环境中，容易产生相的CR25NI20炉管容易发生渗碳作用。炉管的破裂部位多发生在焊缝上，母材上也时有发生。破裂经常为纵向的。横向裂纹则少见。炉管因铸造缺陷（如疏松，缩孔夹渣及偏析）在使用一定时间后，也产生贯穿壁厚的裂纹。炉管中的介质腐蚀亦可引起材料的劣化。如某厂制氢转化炉管采用HK40材料，其中有两根炉管选用了ERNICR3和镍基焊丝（CR21、NI78、C009、SI099、TI007）。施焊投用15000小时后，焊缝及热影响区表面隆起、冷后变成疏松多孔。因燃料气含有H2S（1001000PPM），事故分析认为镍基焊缝道在烟气中有比较高浓度的SO2、O2介质中，受到了高温硫化腐蚀，形成NI和NI3S2的共晶反应，生成NISY液相而遭烧损。（2）进出口尾管和集合管的破裂这类破裂大都多发生在猪尾管与炉管或集合管轴芯呈90角的进出口处，且多呈环向裂纹，部分出现在焊缝及热影响区。（3）烟气余热回收系统烟气余热回收系统（包括省煤段、原料混合一段、二段和水保护段）是利用转化炉高温烟气的余热预热原料和发生蒸汽。由于燃料含硫，在省煤段等低温部件常出现较严重的露点腐蚀。在高温部位，如混合二段和水保护段，管内外介质温差大（300737），常使碳钢管发生高温氧化、脱碳、蠕变。例如某厂该系统各段的工作条件、用材及存在的主要腐蚀形态见表91。表91某厂烟气余热回收系统工作条件、用材及腐蚀条件项目原料预热一段原料预热二段省煤段混合预热一段混合预热二段水保护段蒸发段管内介质原料原料软化水蒸汽原料蒸汽原料炉水炉水蒸汽管外介质烟气烟气烟气烟气烟气烟气烟气入口温度，40200104220400223223出口温度，200320200400500223223烟气入口温度，315707315707800950252烟气出口温度，200525170200525707800315主要腐蚀形态露点腐蚀停工露点腐蚀露点腐蚀局部过热破裂局部过热破裂材质20G15CRMO20G15CRMO1CR18NI9TI20G20G（4）中压蒸汽发生器中压蒸汽发生器是利用700800的转化粗氢气的余热发生245294MPA的中压蒸汽。中压蒸汽发生器多采用平管板列管式换热器。设备的结构和材料应着眼于有良好的耐热和抗腐蚀性能。为了尽量减少高合金钢的用量，转化气入口端的管板和壳体采用耐火隔热衬里，水垢或水循环不良引起管破裂，故锅炉给水水质和炉管的设计安装正确与否对中压蒸汽发生器能否长期使用起着关键作用。（5）中温临氢系统（250）的腐蚀这些部位与氢气直接接触的碳钢易发生脱碳和氢脆。（6）脱碳系统的高温碳酸钾碱液和湿二氧化碳的腐蚀。二氧化碳冷凝水溶液，在60以下对碳钢的腐蚀尚小，在60以上腐蚀性就加重，如再生塔的上部内构件、再生器管线、空冷器及冷凝液流经的管线、设备等是主要的腐蚀部位。热碳酸钾溶液易引起碳钢材料侵蚀性腐蚀。在流速高的部位会破坏金属表面的保护膜，而加速了金属的腐蚀。如再生塔重沸器管壁温度较高的部位，管表面接触的溶液容易急剧沸腾汽化，汽化后的气体体积成百倍的增大，形成气液夹带，交替冲蚀的爆沸现象，使腐蚀大大加剧。热碳酸钾溶液腐蚀的主要部位还有贫液和半贫液的叶轮、轴套、泵壳、阀件、吸收塔底部等。如某制氢装置的脱碳系统，半贫液泵的碳钢叶轮、口环、轴套等运动42小时后就腐蚀报废。贫液泵的碳钢叶传输线、口环、轴套等运动80小时就腐蚀坏。泵壳穿孔，贫富钾液调节阀的不锈钢和碳钢管板间的胀接口穿孔泄漏。某厂再生塔重沸器、U型188不锈钢管，运动28天就有11根管在与管板连接处发生间隙腐蚀穿孔。某厂再生塔塔底隔板17M长的焊缝因腐蚀开裂而倒塌。9122腐蚀控制方法91221转化炉炉管（1）防止硫的腐蚀，必须充分脱除原料气和燃料中的硫，要求燃料气含硫量小于20MG/M3，液态烃燃料含硫量小于100PPM。（2）在运输、贮存、安装和停工期间应避免转化炉管与硫化物、氯化物接触，不要在潮湿或露天环境存放。（3）尽量减少频繁开停工和防止局部过热。炉管的管壁平均温度超过允许温度38，被称为“破坏性过热”将严重缩短炉管的使用寿命。对HK40材质炉管壁温度以控制在900以下为宜。运行中防止管内催化剂架桥、结焦和粉碎堵塞，避免偏流而造成局部过热。（4）转化炉管在750800温度下长期运行，金相组织中易出现相，故推荐使用改良型HK40离心铸造管。改良型HK40中，SI、CR、MN含量有所降低，而C、NI、N含量有了适当提高，以抑制相的产生。元素成份和产生相的关系可用下式计算NV666SI466CR366MN266FE066NI式中NV为平均电子空位浓度；为炉管中元素含量（重量）NV数低于270，不会出现相，数字越大出现的相就越多。转化炉管也可采用HP型合金（25CR35NI）。该合金钢具有更高强度，可耐更高温度，热膨胀系数较小，所以更能适应交变热负荷工况。它还有较好的韧性和可焊性。表92为常用耐热合金铸造管的化学成份。表92为常用耐热合金铸造管的化学成份牌号CCININBCOWTI其它CINI型HK400402520改良HK40043235225高SIHK400452520SIHP0502535SI20高SIHP0502535SI20HO0502729含钛材料02HIKA1A0402520含铌材料1N519030242415MANAURITE36050253515MANAURITE36505025251015HIKA11304025200202BST045252006015MANAURITE900015223012含钨材料HOW0402535MORE10452535NA22H0502848MORE20403350含钴材料HOW3045254533SUPER22H040284855TENEX05022381345SUPERTHERM0502535155（5）要保证炉管制造质量，严格执行入厂检验，化学成份和机械性能符合要求，无偏析、夹杂、裂纹、机械损伤。（6）炉管损坏一部分是由焊缝损伤造成的，应选用配套焊条或焊丝烛接。常用HK40配套焊材为NCF10HC、NCFHK、NC310HS、TGS310HSA、ER310HC、ERINCR3、H4C26NI26（四川化机厂）、PK40（北京电焊条厂）等。这些焊接材料适当提高了3NI含量，能有效地防止的产生，提高焊缝的强度。镍基焊材不宜用在氧、硫含量较高的高温环境中作HK40的焊接材料。不同母材相焊的焊材选用见表93表93不同母材相焊的焊材选用HK40INCOLOY800SUPERTHERMHK40310HCINCON1L82ENICRFE2310HCINCON1L82INCON1L82ENICRFE2INCON1L82ENICRFE2INCON1L625其它合金钢及碳钢INCON1L82ENICRFE2INCON1L82ENICRFE2INCON1L82ENICRFE2日本氩弧焊的焊丝牌号为TGS310HC，美国牌号AISI310。91222烟气露点腐蚀（1）控制排烟温度或加热介质的入口温度从而确保管壁温度高于烟气露点温度。（2）采用较低过剩空气系数燃烧法。（3）选择耐蚀合金或非金属材料，如含铜低合金玻璃管，有机氟化物工程材料和聚苯硫醚涂料均有一定的防护效果。（4）改进管排结构和适当增加腐蚀裕量，可以延长省煤器使用寿命。91223中压蒸汽发生器材料选用中压蒸汽发生器选用的材料应良好的耐热性、抗氢性能。高温转化气入口端的管板常采用耐火绝热炉衬加以防护（1CR18NI19TI绝热衬里）。管板端部插入套管（CR20NI32），套管与换热管间采用装填高硅玻璃棉或陶瓷纤维隔热层。91224中温变换器和甲烷化反应器材料选用中温变换器和甲烷化反应器等中温临氢设备（温度200、压力1275MPA），一般选用15CRMO钢，以避免发生表面脱碳和内部脱碳。91225脱碳系统二氧化碳冷凝液流经的部位，如冷凝冷却器、分液罐及其系统管线推荐用0CR18NI11TI；再生塔顶、二氧化碳空冷器用铝合金管，再生塔顶挥发线由于气相腐蚀较轻可用碳钢管。碳酸钾净化液在流速较高、有节流或流向改变等部位容易产生冷蚀、冲蚀。如贫液泵、半贫液泵、泵进出口管线、产供销门、重沸器、能量回收透平、压力表和温度计管嘴等均推荐用0CR18NI11TI钢，流速低于15M/S以下的部位可用碳钢。防止系统中生成和从外界混入固体颗粒，加强对钾碱液的过滤以减少机械杂质的磨损。吸收塔和再生塔塔体推荐用20R钢，但在再生塔顶封头至顶部塔盘的筒体部分因接触湿二氧化碳，可内衬0CR18NI9TI。在使用含钡缓蚀剂的情况下，塔盘亦可使用碳钢制作。如果塔盘使用不锈钢，则与碳钢塔体相焊接的塔内构件可作为牺牲阳极而使用碳钢，以保护塔体免遭电化学腐蚀。为了避免碱的应力腐蚀开裂，使用温度超过90的主要设备，如碳钢制造的吸收塔和再生塔，应进行焊后热处理以消除残余应力。热处理后硬度值不大于HB200，且不得在设备上再进行任何焊接。配制钾碱液的原料中碳酸钾含量不应低于96，含氯量应低于001。控制碳酸钾溶液的浓度低于10，重沸器中的转化气温度应低于149。当操作上出现超温时，随管壁温度升高，管表面的溶液就会急剧沸腾汽化，在气液交替处存在爆沸现象，使腐蚀加剧。钾碱溶液中加入五氧化二钒缓蚀剂，它使金属表面氧化生成一层连续的、粘附性很强的金属氧化膜，这层致密的钝化膜具有良好的保护性能。钒缓蚀剂在使用过程中，由于还原性物质的作用，五价钒会逐渐还原四价钒，四价钒虽不能形成保护膜，但当五价钒在金属表面形成保护膜之后，它确具有维护保护膜的作用，如果膜遭到破坏或磨损，溶液中只要含有五价钒，保护膜就能得到修复。五价钒与四价钒的比值在1005都能够较安全的运行。溶液中铁含量在短时间内有明显增加，就表明存在局部腐蚀。如果铁含量继续增长，最后就会发生铁钒共沉淀，造成大量钒损失而使腐蚀加剧。一般铁含量为200300PPM，就认为腐蚀严重，当总钒浓度低于015，正五价钒浓度低于01时，就需要补加五氧化二钒，使溶液中偏钒酸钾（KVO3）的浓度提高到00708。此时最好切断工艺气体，进行2028小时的系统钝化处理，并将部分钾碱液引入贮罐，在罐内通入工业风，温度维持在7080，经氧化后的溶液再补入系统中去，该法能使部分钒转化为五价钒。913材质选用标准制氢装置设备的常见选材见表94。表94制氢装置设备用材转化炉材料炉管IN519、MANAURITE36、HK40、HK40改良型、HP上尾管0CR18NI9TI15CRMO下尾管INCOLOY800CR20NI32，INCOLOY800H出口集合管INCOLOY800HCR16NI36入口集合管CR5MO15CRMO、16MO水保护段管20号混合预热一段管20号、12CRMOV05MO钢混合预热二段管0CR18NI9TI原料预热一段管20号原料预热二段管20号、15CRMOV蒸发段管20号省煤段管20号、涂层保护中压蒸汽发生器壳程碳钢管程15CRMO管板15CRMO管子15CRMO甲烷化反应器15CRMO转化炉材料高（中）温变换器15CRMO低温变换器15CRMO二氧化碳吸收塔壳体碳钢塔盘0CR19NI9二氧化碳再生塔壳碳钢衬0CR18NI11TI塔盘0CR19NI9再生塔重沸器壳碳钢管低碳CR18NI8钢（304L）管板CR18NI8不锈钢（304）再生塔顶空冷器铝合金茂名炼化6104NM3/H制氢装置，其管道器材的选用原则如下（1）管道器材按石油化工企业管道设计器材选用原则（SH305994）的要求进行选用。（2）对临氢介质的管道及其配的材质按最新版“纳尔逊曲线”进行选材。（3）对于存在碳酸腐蚀的管，全部选用不锈钢材质，氧腐蚀较严重的部分脱盐水管道也采用不锈钢管道。（4）装置所需的器材均为国内供货，供应的材料按国标（GB）和中国石化行业标准（SH）选用。（5）钢管按石油化工企业钢管尺寸系列选用规定（SH3405）进行选用，所对应的管道配件尺寸亦按（SH3405）进行选用。管道法兰采用与API阀门相配的的中国石化行业标准钢制管法兰（SH3406）；与设备相连的法兰采用与SH3406等同的国家标准钢制管法兰（GB911588）。附录制氢装置结构用材表附表1国外某公司制氢装置结构用材表设备材料碱洗罐碳钢25MMCA内件410S型钢硫吸收罐碳钼1/225MMCA碱液分离罐碳钢25MMCA高温变换反应器碳钼1/225MMCA内件碳钼1/2低温变换反应器碳钢25MMCA内件碳钢热凝结罐和冷凝结罐碳钢内衬25MM304钢或至少堆焊38MM304L钢二氧化碳吸收塔碳钢25MMCA塔盘410S钢气体入口管嘴、分配器除雾器304钢甲烷化反应器碳钼1/225MMCA内件碳钼1/2氢压机入口和出口分油罐碳钢25MMCA转化气中压蒸汽发生器壳碳钢3MMCA管箱入口碳钼1/23MMCA耐火衬里出口碳钼1/23MMCA管板碳钼1/23MMCA管子碳钼1/2，有用INCOLOY800套图变换气废热换热器壳碳钢3MMCA管箱、管板碳钼1/23MMCA管子碳钢甲烷化反应器预热器壳碳钼1/23MMCA管箱、管板碳钼1/23MMCA管子碳钼1/2锅炉给水预热器壳体碳钼3MMCA管箱碳衬至少25MM304钢管板304钢12MMCA管子304钢管箱304钢12MMCA甲烷化反应器进料产品换热器壳碳钼1/23MMCA管板碳钼1/23MMCA管子碳钼1/2产品气体冷却器和氢压机后冷器管箱碳钢3MMCA管子碳钢条件用材金属温度850碳钢25MMCA碳钢1/225MMCA铬5/4钼1/225MMCA转化炉流出物（从转化炉至二氧化碳吸收塔）金属温度1100INCOLOY80012MMCA或碳钼1/225MMCA内部绝热产品气体（从二氧化碳吸收塔来）金属温度500碳钢25MMCA碳钼1/225MMCA转化原料接触的配管蒸汽碳钢12MMCA碳钢管线阀体碳钢25MMCA阀内件铬12碳钼1/2钢管线阀体碳钼1/225MMCA阀内件铬12铬5/4钼1/2钢管线阀体铬5/4钼1/225MMCA阀内件铬12阀门304钢管线阀体304钢12MMCA阀内件304钢蒸汽/甲烷转化炉转化段工艺物流金属温度1100304钢12MMCA转化段蒸汽金属温度900铬5/4钼1/212MMCA加热炉辐射段出口猪尾管和集合管HK40（038045C）INCOLOY800（固溶退火）泵碱液循环和洗涤水泵壳碳钢25MMCA叶轮铸铁锅炉给水和锅炉给水循环泵壳铬1225MMCA叶轮铬12压缩机氢压机碳钢和低合金钢叶轮铬12注CA腐蚀裕量附表2凯洛格公司制氢装置结构用材表设备材料一段转化炉转化炉管HK40集气管INCOLOY800上升管高温合金钢或HK40原料混合气加热器管5/4CR1/2MO原料预热器管5/4CR1/2MO蒸汽、空气加热器管9/4CR1/2MO蒸汽过热器管9/4CR1MO壳SA516GR70顶部封头C1/2MO衬里上18CRNI下25CR20NI内件18CR8NI二段转化炉混合器INCOLOY800壳体碳钢衬里上18CR8NI下25CR18NI折流板18CR8NI出口接管5/4CR1/2MO夹套内管碳钢中压蒸汽发生器夹套外管C1/2MO壳体碳钢、SA516、CR70管5/4CR1/2MO壳体C1/2MO进口端管板5/4CR1/2MO低压蒸汽发生器出口端管板C1/2MO壳体碳钢高（中）变换气蒸汽发生器管C1/2MO壳体C1/2MO甲烷化进气加热器管C1/2MOCO2吸收塔壳体填料碳钢不锈钢、碳钢CO2再生塔壳体上部壳体下部填料碳钢衬不锈钢碳钢、不锈钢玻璃纤维聚丙烯再生塔重沸器壳体管管板管箱碳钢304L304贫液锅炉给水换热器壳体管碳钢304L再生塔蒸汽重沸器壳体管管板碳钢304L304再生塔顶气体冷凝器壳体管碳钢304甲烷化器壳体及内件C1/2MO甲烷化气/锅炉水加热器壳管、管板管箱入口管箱出口碳钢C1/2MOC1/2MO碳钢附表38001200工作温度下耐热铸钢商品名称对照表合金名称铸造合金学会（ACI）CR/NI其他元素S（4）压缩机一回一、二回二，旁路阀全开，负荷为零；（5）控