酸性水单塔低压汽提塔顶空冷器腐蚀原因分析和对策

2022-05-30 16:34:21 作者：化工活动家来源：化工活动家分享至：

导读

酸性水单塔低压汽提装置以上游各装置来的酸性水为原料，经脱气、脱油、换热后进入汽提塔上部，汽提塔顶酸性气经空冷器冷却后，进入塔顶回流罐，不凝的酸性气送至硫磺回收装置，凝液返塔回流。

某酸性水汽提（SWS）装置的原料主要组分是H2O，NH3，H2S和CO2，采用单塔低压汽提工艺，其塔顶酸性气温度114~120℃，操作压力约0.13MPa。该装置空冷器管束材质选用耐腐蚀性较好的316L不锈钢（SS），管束使用一年左右后被腐蚀减薄，发生泄漏。

腐蚀类型分析

在1标准大气压，40℃时，NH3，H2S，CO2的溶解度分别是307，2.4，1g/L。而实际化验酸性水，发现H2S+CO2与NH3的摩尔浓度比接近1。经分析，该类酸性水中NH3和H2S大部分以NH4HS或NH4HCO3的形式存在，其pH值一般在7~9。H2S，CO2和NH3的溶解度随着温度降低而增大，故当其随蒸汽进入SWS塔顶空冷器，随着温度的降低，溶液中离子的浓度将快速增加而加速腐蚀空冷器管道。酸性水单塔低压汽提装置塔顶空冷器的腐蚀主要为湿H2S损伤（鼓泡/氢致开裂HIC/应力引发的氢致开裂SOHIC/硫化物应力腐蚀开裂SSC），NH4HS腐蚀、磨蚀/磨蚀-腐蚀、钛氢化，腐蚀类型示意见图1。

该SWS装置空冷器材料为316LSS，因此不存在钛氢化腐蚀，主要腐蚀应是湿H2S损伤和NH4HS腐蚀，及一定的化学腐蚀和冲刷腐蚀。

腐蚀原因分析

以H2S和NH3质量浓度分别为20g/L和10g/L的原料水为高浓度酸性水（HSW），H2S和NH3质量浓度分别为2g/L和1g/L的原料水为低浓度酸性水（LSW），考察分析该酸性水单塔低压汽提装置塔顶空冷器的腐蚀原因。

1 气相模拟数据

该塔顶压力恒定，LSW进料时空冷器入口H2S气相分压PH2S和NH3气相分压PNH3分别为26.0kPa和12.0kPa，HSW进料时空冷器入口PH2S和PNH3分别为40.7kPa和30.1kPa，随着温度降低，气相含水量降低，H2S和NH3的浓度上升。根据相关标准计算得出塔顶空冷器出口温度对应的PH2S和PNH3及Kp系数（Kp=PH2S×PNH3）（见表1）。

并由Kp系数计算得到NH4HS结晶温度曲线（见图2）。

由表1可知，相同温度下，HSW汽提空冷器出口的PH2S，PNH3及Kp值和LSW相差不大，NH4HS腐蚀风险相当。根据图2，Kp值增大，NH4HS结晶温度升高，空冷器出口温度不变，则更易生成NH4HS结晶。计算得到该SWS塔顶NH4HS结晶温度约为50℃，考虑设计管壁温度大于65℃以防止结晶腐蚀。

2 液相模拟数据

表2为塔顶空冷器不同出口温度下液相中H2S和NH3的质量分数。以液相中H2S和NH3全部转化为NH4HS计，估算出NH4HS的质量分数。

由表2可知，在空冷器出口温度相同时，HSW和LSW液相中的NH4HS含量相差不大；随空冷器出口温度降低，H2S和NH3的溶解度增大，液相NH4HS含量升高，发生NH4HS溶液化学腐蚀的可能性增大。

3 空冷器换热效果模拟

表3为HSW和LSW汽提塔顶空冷器管壁温度模拟计算数据对比。

由表3可知：

①同样工况下，HSW汽提空冷器出口管壁温度比LSW汽提约高8℃；

②空冷器管束的管壁温度沿气体流动方向逐步降低；

③空气温度对空气管束的管壁温度有较大影响；

④管内膜传热系数随温度降低而迅速降低，管外膜传热系数和金属传热系数基本不变。

SWS塔顶气进入空冷器后，温度降低，水蒸气饱和蒸气压降低，会令水蒸气冷凝速率急剧降低，导致换热管内部换热系数急剧下降。空气侧设有翅片加强了换热效果，管程和壳程侧的换热系数相差不大。空气温度降低，容易出现NH4HS结晶冲刷和溶液化学腐蚀。

4 管道内气液相流动状态

表4为计算的HSW汽提和LSW汽提空冷器的出入口流速。

HSW汽提与LSW汽提两者蒸汽消耗量相差不大，即在空冷器入口气量相差不大，流速相差不大，均小于两相流最大允许流速。但LSW汽提空冷器出口气体流速仅为HSW汽提的1/10。相同温度下，气体流速越低，空冷器换热管内部液体所占体积将越大。在多管程未设置坡度情况下，部分换热管冷凝水将积聚，无法及时排出，造成严重的偏流，使管壁温度更低，更易形成NH4HS结晶腐蚀。

5 NH4HS溶液对金属的腐蚀

几种常用金属在NH4HS溶液中的腐蚀速率见表5。

大。表5所列几种常用金属中，钛和合金800的NH4HS腐蚀速率最低，耐腐蚀性能最好，铝和316SS次之，碳钢最差。溶液中的NH4HS质量分数从35%提至45%时，316SS腐蚀速率从0.01mm/a升高至12.3mm/a，而合金800、钛和铝腐蚀速率变化不大。由表2推测空冷器出口温度65℃时，对应NH4HS质量分数约40%，此时316SS腐蚀速率约为0.12mm/a，即此工况下316系列不锈钢耐腐蚀性不够理想。选择更耐NH4HS腐蚀的材质才能有效防止NH4HS的化学腐蚀。

6 加氢型与非加氢型SWS腐蚀对比

对比多家炼油厂的SWS装置，发现加氢型SWS空冷器基本没有腐蚀，而非加氢型SWS空冷器多根换热管腐蚀穿孔且多为下管排。主要原因分析如下：

①非加氢型SWS空冷器所需冷却负荷较小，而空冷器设置偏大，管壁温度低于NH4HS的结晶温度，导致管束顶部发生NH4HS的结晶冲刷腐蚀和高浓度NH4HS溶液化学腐蚀；

②非加氢型SWS空冷器为多管程空冷器，未设置坡度，使换热管内部分冷凝水无法及时排出，积聚于下管排，形成高浓度NH4HS溶液化学腐蚀或NH4HS结晶冲刷腐蚀。

防腐蚀措施

结合实际经验，在不改变工艺流程的情况下，可对SWS空冷器实施如下措施以减缓NH4HS结晶冲刷腐蚀和高浓度NH4HS溶液化学腐蚀。

（1）注水。采取间断注水或蒸汽加热措施，降低NH4HS质量分数，防止铵盐结晶引起的堵塞和腐蚀。

（2）升级材质。最后一个管程采用抗腐蚀性能更好的材质，如钛、哈氏合金C276或合金800等，减缓NH4HS结晶冲刷腐蚀和高浓度NH4HS溶液化学腐蚀。

（3）提高管壁温度。换热管管道对称布置，防止局部温度过低；最后一排管排做成低翅化比的钢管、部分空气内循环或于空冷器底部增加加热盘管；空冷器电机采用全部变频、单台多个风机并设置百叶窗，保证管束温度均匀。

（4）控制气速。控制塔顶管线中气体的流速在15m/s以下，以减缓冲刷腐蚀；H2S/NH3汽提塔顶冷凝物料的速度控制12m/s以下。

（5）翅片管设置坡度。单管程空冷器管束翅片管应向流体出口方向倾斜，倾斜度最小为10mm/m；多管程空冷器管束的最后一个管程的翅片管应向流体出口方向倾斜，倾斜度最小为10mm/m。该措施可防止液体堵塞换热管导致换热温度不均匀而形成的NH4HS结晶冲刷腐蚀和高浓度NH4HS溶液化学腐蚀管束。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。