转化器设计过程中应注意的问题

赵军锋，杜英军，朱晓冬（西安航天动力机械厂，陕西西安710025）



转化器设计过程中应注意的问题

赵军锋，杜英军，朱晓冬
（西安航天动力机械厂，陕西西安710025）

摘要：介绍了合成转化器的最新技术进展以及该设备设计中应注意的几个问题并提出了改进措施。改进后，可降低设备成本，使用效果满足工艺要求，提高了设备使用寿命。

关键词：聚氯乙烯；氯乙烯；转化器；设计

在电石法PVC生产工艺中，乙炔和氯化氢在转化器内合成氯乙烯的反应是整个工艺的核心部分，也是电石法与乙烯法工艺的重要区别，转化器对提高PVC生产能力和降低消耗起着关键的作用。其设备的设计和运行管理都很关键，一台设计合理的转化器以及相对应的科学运行管理是延长转化器寿命、降低触媒和汞流失的关键所在。转化器设计是需要将科学的理论技术与丰富的生产实践经验相结合、将宏观分析与微观分析相结合、将工程设计与制造工艺相结合，才能设计制造出性能优良、制造成本低的转化器［1］。

1　技术参数及结构介绍

转化器技术指标见表1。

表1　转化器技术指标

氯化氢和乙炔按一定比例在混合器内混合，再经过多级冷却和脱水后进入转化器。在转化器列管内，氯化氢与乙炔在氯化汞催化剂作用下合成氯乙烯，该反应是强放热反应，列管中心最高温度可达170℃。壳程采用庚烷循环带走反应热，前期转化器是传统的普通换热器，直径一般为2 400 mm，列管为Ø57 3.5，数量为620～660根，换热面积为320～350 m2，设备净重约18 t，列管与管板之间的连接方式采用强度胀接。随着国内大型电石法PVC项目增多，转化器的大型化发展也随之较快，以直径为2 400 mm的转化器为依据，用比例放大的办法，先后研发制造了直径为2 800 mm、3 000 mm、3 200 mm的大型转化器。与此同时，业内也开始关注小列管转化器的研发制造，并有一些新产品的出现。大型转化器的使用，减少了设备和厂房的面积，提高了设备运行性能，节省了项目总投资，成为国内新上PVC项目的首选设备［2，3］。

转化器是反应器，但实际上是一种大型换热器，是氯乙烯合成工艺中的关键设备。转化器结构，主要由上管箱、下管箱、管束、耳座、气体进口、气体出口、冷却水进口、冷却水出口及测温口等组成。通常在气体进口添加防冲装置，列管内装满以活性炭为载体的氯化汞催化剂。转化器结构简图见图1［4］。

图1　转化器结构简图

2　结构设计

2.1气体分布器的设置

国内大多数转化器的工艺设计参数都取自一般基础研究文献，这些研究是在实验室中的单管反应器取得的，这些工艺参数在放大到多根列管式转化器的工程设计时，大都忽略了每根列管位置的不同而形成的流体路径长短不一、阻力不同，因而每根列管中的空间流速有较大的差异，即所产生的反应负荷的差异。这样就要求反应气体能尽可能的分布均匀：设计合理的进口处的气体分布器，使进口处的流体动能矢量改变方向，去往路径远的列管的流体获得较高的动能，而去往中心区列管的流体获得较少的动能；优化下封头内的支撑填料布局，尽可能使每根列管中的阻力和气体流量分布均匀，实现各根列管反应均衡，触媒消耗均一的目的。

气体分布器是设在转化器上管箱的一种气体分布装置，其作用是将进入转化器的反应气体均匀的分布到各个列管的进口，具体形式见图2。此种分布形式能更好的将气体分布到各列管，使气体与列管间的催化反应更加充分，从而提高了生产效率。

图2　锥型气体分布器简图

图3　列管与管板连接简图

2.2列管与管板连接结构

转化器的列管与管板的连接技术要求比较严格。与一般的换热器不同的是，只要有微小的渗漏，就会使管间的热水泄漏到设备内，与气相中的氯化氢接触而生成浓盐酸，并进一步腐蚀直到大量盐酸从底部放酸口放出而造成停产事故。因此，转化器在使用过程中，最容易受到损坏的部位就是列管与管板的连接部位。列管与管板的连接方式有胀接、焊接和胀焊结合等。在设计中转化器的列管与管板的连接形式宜采用强度胀加密封焊，见图3。胀管应尽可能在焊后进行，这样可以避免因焊接时缝隙中的气体膨胀而造成焊缝中形成气孔。强度胀结构简单，换热管修补容易，强度胀的作用有：（1）是保证列管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度；（2）消除列管与管板孔间的空隙，使列管与管板孔贴合在一起，便于焊接；（3）达到列管与管板孔间的接合要求，防止缝隙腐蚀；（4）承受转化器工作温度波动或者其他原因引起的反复载荷，从而减轻接头焊缝的疲劳应力。密封焊保证列管与管板连接密封性更好，同时承受抗拉强度。

转化器的进气口含有氯化氢气体和乙炔气体，氯化氢气体中可能夹带微量的水，这样就形成了微量盐酸，这些微量盐酸虽然对上管箱不构成大的影响，但却容易对列管与管板连接处造成腐蚀，从而降低列管与管板的连接质量。因此，在列管与管板连接后，要求在上管板表面衬一层耐酸胶泥，以防止盐酸对管板连接处的腐蚀，涂胶泥后仍要保证换热管至少伸出1 mm。改进后连接形式见图4［1］。

图4　列管与上管板改进后连接简图

由图3可知，转化器的检漏方式是观察下封头底部的视镜，当视镜中出现雾状液滴时，说明壳程中的热水已经泄漏至管程中并与氯化氢反应生成盐酸。如处理不及时，盐酸就会从泄漏的列管扩散至其他周围的列管，加大补漏工程量甚至破坏管板，影响转化器的使用。为此，将转化器下管板列管的外伸长度由3 mm增加到10 mm。改进后如果发生泄漏，生成的盐酸先会沿着外伸的列管向下渗漏，而不是向周围的列管渗漏，最大限度地保护了泄漏列管周围的列管和管板，减少了泄漏后补焊的工作量，也提高了转化器管板的使用寿命。改进后连接形式见图5［5］。

图5　列管与下管板改进后连接简图

2.3壳体进出口结构

为充分利用转化器换热面积减少壳程流体停滞区，应尽量将壳程进出口接管位置靠近上下管板。改进后消除了进出口和管板的气相不流动区，传热能力得到加强。

3　结语

以上所述为转化器设计过程中应该注意的问题，为以后的设计工作提供一定的经验。在以后的设计工作中，将在克服这些问题的基础上虚心听取制造、生产企业的意见和建议，使设计产品更好的满足工艺、制造要求，创造更好的经济效益和社会效益。

参考文献：

［1］张宇.西化氯乙烯合成转化器改进总结及当前进展.2011年全国聚氯乙烯行业技术年会论文集，2011.

［2］刘延斌.氯乙烯转化器的泄漏原因及改进措施.中国氯碱，2003.6. 37.

［3］林宝春，马以高，董林远，等.氯乙烯小列管转化器小结.聚氯乙烯，2000（3）：46.

［4］郑石子，颜才南.聚氯乙烯生产与操作.北京：化学工业出版社，2008.

［5］廖建良.氯乙烯转化器的设计制造改进.化工机械，2011.38（4）.471.

Problems of design process of converter

ZHAO Jun-feng，DU Ying-jun，ZHU Xiao-dong
（Xi'an Aerospace Power Co.，Ltd.，Xi'an 710025，China）

Abstract：The latest progress in synthesis technology of converter and problems needing attention in the design of the equipment were introduced，And put forward the improvement measures. After improvement，the cost reduced，meet the technical requirements and improve service life.

Key words：PVC；vinyl chloride；converter；design

中图分类号：TQ052.5

文献标识码：B

文章编号：1009-1785（2016）02-0025-03

收稿日期：2015-09-29