乌鲁木齐石化汽油醚化装置醚化反应器内件损坏原因分析

刘伟

摘要：本文首先简单介绍了乌鲁木齐石化汽油醚化装置的概况、工艺流程和醚化反应器的设备运行情况，然后描述出醚化反应器内件损坏的具体情况，根据这一损坏情况对其产生的原因进行了详细的分析，最后提出了对醚化反应器损坏内件的维修措施。希望此文对同行的研究有所裨益。

关键词：汽油醚化装置；醚化反应器；损坏

一、装置概况简介

乌鲁木齐石化公司炼油厂汽油醚化装置与2010年3月由乌石化设计院设计，轻汽油设计处理能力40万吨／年。工艺生产技术采用美国CDTECH公司催化蒸馏技术，由中国化学工程第十一建设有限公司负责建设。2011年建设施工，同年试车一次成功。

二、装置工艺流程简介

醚化装置是通过将催化汽油原料脱砷后利用加氢蒸馏塔将轻汽油提纯，然后轻汽油中的烯烃（主要是活性烯烃：异戊烯、异己烯等）和甲醇反应生成醚（高辛烷值汽油组分），生产低烯烃含量、高辛烷值车用汽油，降低汽油蒸汽压。通过轻重汽油的分离、选择性加氢、醚化、甲醇回收、异构化等工序，使经过醚化装置后的产品汽油的烯烃含量降低，饱和蒸汽压降低，同时辛烷值得以提高，甲醇综合利用得到升值。

醚化反应器的作用：在强酸性的催化剂作用下，活性的C6烯烃异构物和活性的C7烯烃异构物分别与甲醇反应，生成与之相对应的甲基叔己基醚和甲基叔庚基醚。醚化反应为可逆的放热反应。

三、醚化反应器R-201设备运行情况简介

醚化反应器R-201，共有三台设备，正常工况下，反应器使用2台，一台备用。反应器内承装的催化剂是球形强酸树脂催化剂，每台反应器约承装40吨左右的催化剂，每台设备上共有套管式热电偶4个。

设备规格：Ф1400*5957筒体材质：Q345R

容器容积：57.3m3压力容器类别：3类

容器内径：3000mm容器高：10264mm

介质：轻汽油、甲醇、醚筒体厚度：26/30mm

设计压力：1.8MPa设计温度：240℃

操作压力：0.58MPa操作温度：55℃

断裂热偶套管材质：20号钢

四、醚化反应器R-201/B内件破损情况介绍

在泄剂过程中，发现下面三段的热电偶套管掉落，待剂卸完后，将掉落的套管拿出后发现，套管和相应的拉筋也已扭曲变形，同时发现容器内进出爬梯也掉落两根。而顶部的热偶套管却是完好。

五、原因分析

1、温度超高，导致金属性质发生变化，强度不足，在催化剂的重力、外界流体冲击力量等条件下发生变形断裂。经过调查，之前R-201/B反应器温度没有发现异常或超温现象。而反应器正常运行时温度在50℃左右，温度本身不高，超温也不基本不会超出太多，催化剂本身反应时的放热极限温度也就在120℃，对设备本身瞬间伤害不会有太大影响，所以温度超高不是造成内件变形断裂的直接原因。

2、轻微的酸腐蚀：醚化反应器所用催化剂为磺酸根树脂催化剂，有一定的游离酸和磺酸基腐蚀，经过了解及其他厂经验，国产树脂催化剂磺酸根牢固度一直不好，游离的酸也多。所以对设备腐蚀较重。但如果选用的是进口的罗门哈斯的树脂催化剂，腐蚀会轻的多。因为罗门哈斯的树脂游离酸少，磺酸根牢固度也高的多。而醚化反应器R-201/B所用催化剂便是罗门哈斯的。且从容器内壁表面看，肉眼也未见明显腐蚀特征。从设备检测院检测来看，筒体厚度检测基本在26.1至26.4mm范围内，封头厚度在31.4至31.9mm范围内，排除误差，与设计图纸提供的厚度26/30mm一致，壁厚未见明显减薄。硬度实际检测HB=148至160之间，而Q345R硬度标准为HB≥120，也符合要求，焊缝检测，由于受环境温度关系，只能做着色，检查结果也未见异常。所以，酸腐蚀不是导致内件变形断裂的直接原因。

3、焊接质量问题，焊缝强度不够导致变形断裂。3根断裂的套管全部是从焊缝处断裂，从套管断裂口处看，套管焊接坡口处的焊肉较为饱满，角焊缝处有细小间隙，但也不足以断定焊接质量存在一定缺陷。而套管的拉筋支撑断裂从现场情况来看，基本都不是从焊缝处断裂，全部是扁钢靠近焊缝处断裂，断裂口有平整的，也有不规则的，更像是外力拉扯下突然崩断的现象。且拉筋有扭曲变形的现象，应该是套管整体受力不均，拉筋突然崩断的惯性加之外力条件下导致扭曲变形。

4、脆性断裂：催化在装填过程中，由上向下倾倒，在重力条件下，对套管进行了一定力量的冲击，导致套管连接处强度逐渐失效，最终发生断裂。

5、韧性断裂：该套管由于长期受到各方向的外力作用（由上向下的重力，介质冲击力等，由下向上的催化剂膨胀后向上顶的力等），就像来回上下撇铁丝，弯折处变形，金属疲劳后，发生断裂。

6、树脂催化剂膨胀后，床层体积发生变化，在容器内固定的容积下，由于容器顶部有空余空间，容器内填满的催化剂膨胀挤压空间，便会形成由下向上的力量，并对套管及扁钢进行一定的冲击。而催化剂膨胀的原因主要是在正常生产过程中，随着催化剂的不断失活，不可避免的会吸附一些有机物质（中和反应产生的氨、烷基胺、二甲基甲酰胺等，原料中带的丁二烯、异戊二烯等），从而发生溶胀。另一个原因主要是应环保泄剂的要求，车间特制定的利用水浸泡催化剂，将催化剂中的甲醇等有毒物质吸附出来（甲醇易溶于水的特性），长期浸泡催化剂导致催化剂膨胀。

离子交换树脂的膨胀现象，通常出现在树脂放入水中时，树脂吸收水分而导致体积增大，或离子形态发生转变时。当溶液中的电解质浓度发生变化时，离子交换树脂的体积也会相应发生变化。这属于离子交换树脂类聚电解质溶液行为的特征，其溶液性质与所处的溶剂环境关系很大。在离子交换树脂中，匹配的离子分布在高分子离子周围，对于阴离子交换树脂而言，随着匹配阴离子浓度的变化，高分子离子的尺寸也要发生变化。另一方面，当树脂吸附了极性有机物质（如有机酸）后，不仅由于其本身吸水导致树脂的膨胀，还由于极性有机物质对水的氢键作用，使水分子附着于树脂与极性有机物分子形成的表面上，使树脂对水的吸附量增大，从而导致了树脂的膨胀。

树脂催化剂膨胀后，体积增大，40吨催化剂本来就密实的填充在反应器内，经过空间挤压后，由于容器顶部留有空间，催化剂会向上发力，同时膨胀的催化剂会对热偶套管形成一股向上的力。导致套管向上受力变形弯曲。并最终导致套管断裂。套管断裂脱离后，热偶的探针继续受力，因而也会发生向上的变形弯曲。但由于顶部有空余空间，顶部的热偶套管受力就会少很多，所以这也是顶部套管没有断裂的原因。

综上所述，车间判定，该套管断裂变形的原因是套管在正常生产过程中套管表面因受装填催化剂冲击力、催化剂本身的重力，催化剂膨胀向上挤压的顶力，所受的各方交变应力不断的变化，焊缝强度不够，轻微的酸腐蚀，等综合原因，最终导致套管及拉筋变形断裂。

六、措施

1、对断裂套管及拉筋进行修复，焊接。

2、装填催化剂时尽量避开对套管的冲击。

3、由于催化剂在生产过程中不可避免的会发生溶胀现象，车间会协调设计院对该反应器进行重新设计，分为三段床层，每段床层都留有一定的膨胀空间，另外，R-201/B顶部热偶套管之所以完好，就是由于顶部有空余空间，才使得顶部热偶套管受力较少，热偶套管才未发生断裂掉落现象。也恰恰证明分段床层、留有膨胀空间的设计会比较合理。