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1、变换炉操作安全性分析侯 国（中国石化股份有限公司湖北化肥分公司 湖北枝江443200）摘要 变换工艺的简要描述，通过分析变换工艺的工艺特点和压力容器计算，说明变换炉的操作安全性及其操作建议。关键词 变化工艺 变化炉 设计计算 安全性 操作建议 1、变换工艺的简要描述变换反应映方程式：反应特点：可逆、放热、反应前后体积不变、反应速度慢，必须依赖催化剂才能实现工业化生产。降温、加压、提高水碳比利于变换反应的进行，在工业化生产中，这些参数的选择除了考虑设备等固定资产投资的经济性以及催化剂特性外，还要考虑操作成本、设备腐蚀等因素。湖北化肥分公司煤代油改造工程变换工艺流程如下：流程中主要设备20台，其中
2、反应设备3台，换热设备8台，混合分离类设备9台，分四个阶段集中在3台变换炉中完成变换反应，变换炉设备特性以及变换各主要阶段工艺气成分数据分别见表一和表二，本文结合工艺数据，通过压力容器常规计算说明变换炉在操作中的安全注意事项并提出操作建议。表一 设备特性表（压力单位Mpa）序号名称规格尺寸材质设计压力设计温度工作介质1第一变换炉38003200（68+4）14Cr1MoR+304L3.9475变换气2第二变换炉40003700（76+4）15CrMoR+304L3.9400变换气3第三变换炉4000121506415CrMoR3.9290/255变换气表二 工艺气体成分表（温度：，压力：Mpa
3、） 气体状态和组成关键点气体状态工艺气体成分组成（%）温度压力H2COCO2H2OH2S原料气分离器入口1603.823.251.93.215.90.4一变入口2613.6813.229.61.852.0出口452.63.75532.410.421.032.8二变入口2803.628.19.018.241.7出口338.73.56433.83.324.036.0三变一段入口2553.5532.33.122.938.9一段出口281.53.51734.80.625.436.4二段入口2303.50734.80.625.436.4二段出口2343.46935.20.225.836.04#变换气分离
4、器出口403.42154.90.440.10.30.32、变换炉筒体强度核算通过对该单元主要设备变换炉的强度核算，说明设备的安全性以及在生产操作过程中必须注意的几个问题。计算依据GB150-1998第5.2条的规定：设计温度下筒体计算厚度 （5-1）设计温度下筒体计算应力 （5-2）设计温度下筒体最大允许工作压力 （5-4）Pc 设计压力Di 圆筒内直径t 许用应力 e 有效厚度 焊缝系数计算数据如下操作温度操作压力计算温度PcDitetPW第一变换炉4503.684753.93800116681110.92 65 4.08 5003.9380088681110.92 86 3.09 5253
5、.9380058681110.92 132 2.04 5503.9380037681110.92 211 1.30 第二变换炉3504003.554003.94000110761104.58 72 4.10 4253.94000107761104.58 74 3.99 4503.94000104761104.58 76 3.88 4753.94000103761104.58 77 3.84 5003.9400088761104.58 91 3.28 三变下段2323.452553.94000128.57681116.66 62 4.30 2703.94000126.22681116.66 63
6、 4.22 2803.94000124.66681116.66 64 4.17 三变上段2673.452903.94000123.18721110.28 64 4.36 3503.94000114.78721110.28 69 4.06 4003.94000108.94721110.28 73 3.85 由计算数据可知：第一变换炉在设计温度和设计压力下工作，筒体的计算厚度为65mm，GB150-1998上没有列出304L复层材料在450及以上温度下的许用应力数据，在此复层材料只考虑耐腐蚀，不列入强度计算，设计者选取的有效厚度为68mm，受压圆筒的计算应力为t=110.92Mpa，t=116Mp
7、a，可见强度设计裕量很小。如果由于操作原因导致设备温度升高，假定操作温度升高至500，按设计压力计算，筒体计算厚度为86mm，大于设计者选取的有效厚度68mm，计算应力110.92Mpa，大于该温度下材料的许用应力88Mpa，按操作压力计算，筒体计算厚度为81mm，大于设计者选取的有效厚度68mm，计算应力104.66Mpa大于该温度下材料的许用应力88Mpa，由此可见操作温度是设备安全的敏感性因素，为确保第一变换炉的设备安全，操作时必须严格控制操作温度，确保设备在475以下操作，以保证设备安全。第二变换炉在设计温度和设计压力下工作，筒体的计算厚度为72mm，GB150-1998上没有列出30
8、4L复层材料在450及以上温度下的许用应力数据，在此复层材料只考虑耐腐蚀，不列入强度计算，设计者选取的有效厚度为76mm，受压圆筒的计算应力为t=114.58Mpa，t=110Mpa，设备是安全的。如果由于操作原因导致设备温度升高，假定操作温度升高至450，按设计压力计算，筒体计算厚度为76mm，等于设计者选取的有效厚度76mm，计算应力104.58Mpa，略大于该温度下材料的许用应力104Mpa，短时间内操作，设备安全。如果操作温度达到475，按设计压力计算，筒体计算厚度为77mm，大于设计者选取的有效厚度76mm，计算应力104.58Mpa，大于该温度下材料的许用应力103Mpa，按操作压
9、力计算，筒体计算厚度为70mm，小于设计者选取的有效厚度76mm，计算应力95.20Mpa小于该温度下材料的许用应力103Mpa，如果操作压力稳定，在短时间内操作，设备也是安全的。当操作温度升高至500时，按设计压力计算，筒体计算厚度为91mm，大于设计者选取的有效厚度76mm，计算应力104.58Mpa，大于该温度下材料的许用应力88Mpa，按操作压力计算，筒体计算厚度为82mm，大于设计者选取的有效厚度76mm，计算应力95.20Mpa大于该温度下材料的许用应力88Mpa，设备操作不安全。按操作压力计算，根据GB150-1998表4-1的数据用内插法求得设备安全操作的极限温度为487。因此
10、对第二变换炉设备有一定的裕量，在450以下工作是安全的，在操作压力下工作，安全操作的温度上限为487。第三变换炉，在设计压力下，下段工作的温度上限为350，上段工作的温度上限为400，在操作压力下，下段工作的温度上限为475，上段工作的温度上限为487，与第一、第二变换炉比较，第三变换炉的操作弹性要大一些。3、变换炉腐蚀分析表二的数据说明在变换炉中主要有以下两种腐蚀形态：3.1 高温硫化腐蚀。高温状态下，硫化氢有氧化作用，在金属表面形成硫化膜，硫化膜结构疏松易碎，且熔点较低，对进一步硫化反应的阻碍作用很小，从而使金属机械性能受到损害。资料显示，在400500温度范围，使用超低碳00Cr19Ni
11、10不锈钢可以防止硫化腐蚀。3.2 氢腐蚀。在高温变换炉工况(高温、中压、临氢)条件下，氢原子与钢中的碳原化物子发生以下反应反应生成的甲烷气体在局部产生高压，致使钢表面发生鼓泡或开裂，并且表面脱碳，机械性能降低，国内同类型装置中，关于变换炉的氢腐蚀已有相关报道。4、操作建议变换反应具有放热、在气相状态完成、反应前后体积不变的特点，放热会导致气体温度升高，按照气体状态方程=常数可知，在体积不变的情况下，温度升高，压力必然会升高，结合强度核算结果，提出如下建议：4.1、通过控制蒸汽消耗量、控制水碳比等量化指标控制好反应速度，严格防止设备超温、超压，下面列表说明三台变换炉的操作温度上限。表三 三台变换炉操作温度上限数据第一变换炉第二变换炉第三变换炉上段第三变换炉下段设计压力下475450400350操作压力下4754874874754.2、停车过程中，卸压、降温要缓慢平稳，防止出现氢鼓泡。4.3、停车以后，应在短时间内用高温惰性气体置换吹扫，同时加强对设备的保温护理，防止出现酸性气体露点腐蚀。参考文献、左景伊 左禹 腐蚀数据与选材手册 北京 化学工业出版社 1995 、周达理 陈飞鹏 高温变换炉氢腐蚀原因分析及处理 大氮肥 第26卷第4期
