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化工设备用钛管、钛换热器的选材注意事项及经济评价

发布时间:2021-03-03 06:23:36 浏览次数 :

现代化工设备大都在高温高压、易燃易爆、强腐蚀条件下连续运转, 因此其选材就显得特别重要。尤其是某些关键设备,甚至连配管与部件都不能用传统材料制造。于是,耐蚀性好、比强度(强度/相对密度)大的钛材,便日益受到人们的青睐。但由于钛设备一次性投资较大,故人们对它的应用,看法还不尽一致。笔者试图从技术经济角度,对钛材的应用作一些分析。

1 钛材的优越性

1.1 使用寿命长

与用传统材料制造的化工设备相比,选用耐蚀性优异的钛材制造的化工设备,其使用寿命能延长几倍、几十倍甚至几百倍(详见表1)。

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计与制造同样一台设备,选用钛材比用其他材料的费用要低。如钛的相对密度约为不锈钢的56% ,制造同样一台设备,投料可比用不锈钢减少一半左右。按重量计,国产工业纯钛的价格约为进口高级不锈钢(如254 SMO)价格的2~3倍,但如按单位面积计,则用钛材与用不锈钢的价格相差不多。此外,由于钛的比强度高,耐蚀性好,设计时可采用较小的腐蚀裕度,因而钛设备的壁厚可以减薄。如海水冷却器与凝汽器原用铝黄铜与铜镍合金制造,管壁厚为1.5~2.5 mm,改用钛材,管壁厚可降至0.5 mm甚至0.3 mm;某些塔器衬不锈钢厚为6~8 mm,改用钛材可减少至3~5 mm,甚至1~2 mm。

使用钛材来制造汽轮机、离心机、风机与泵等通用机械,可确保它们有更好的工作性能,既允许有较高转速,又可降低其驱动所需的动力。

1.3 换热效率高

钛的传热系数(15.24 w/(m ·K))与不锈钢(16.33 w/(m ·K))差不多,但大大低于铜(393.56 w/(m2·K))。冷却器与凝汽器的总传热系数取决于材料的传热系数与传热管壁厚以及结垢等因素。钛的传热系数虽不高,但管壁可以减薄至0.3~0.5 mm,此外,钢管与铜管表面易产生腐蚀产物与沉积污垢,而钛洁度系数则较高,因而用钛材,总传热系数还是高的。另外,钛表面湿润性非常小,具有滴状冷凝特性,比膜状冷凝更有利,加之可以采用较高流速,钛换热器的总传热系数与铜换热器相近。因此,滨海电厂与石化企业的凝汽器与冷却器多用钛管代替铜合金。

1.4 提高产品质量

化工设备选用钛材,由于耐蚀性优异,大大减少了金属离子污染,提高了产品质量。如乙醛氧化制乙酸装置,关键的塔、再沸器、冷却器等改用钛材制造(原用不锈钢), 所产乙酸的一级品率达100% 。在真空制盐生产中,设备原使用钢材,会产生不溶性氧化铁,使用铜材则产生铜绿微粒,生产的盐多为三级品,而改用钛材后,由于不产生杂质,彻底结束了不产一级盐的历史。又如防老剂丁冷却器,用碳钢制造,腐蚀严重,污染产品,改用钛材后,产品达到省优。制药行业设备接触盐酸,乙酸,硫酸及其盐类等介质,受到严重腐蚀而产生污染,改用钛材后,一级品率由原来的75% 提高到100% 。在氯碱生产中,过去电解用石墨阳极,由于石墨粉污染,影响了烧碱质量,改用钛阳极后,烧碱质量大大

提高。

1.5 减少设备检修费用

化工企业由于酸、碱、盐等介质的作用,设备采用碳钢、不锈钢、铜合金与石墨等传统材料制造会受到强烈腐蚀,停车、检修十分频繁。改用钛材,由于耐蚀性大大提高,解决了防不胜防的计划外停车威胁,检修费用减少,大大节省了劳动力。例如,乙烯装置海水冷却器,原采用铅黄铜管,虽采取了牺牲阳极等保护措施,仍屡屡腐蚀穿孔,胀口泄漏,经

常停车,造成计划外检修,平均每年整台更换铜冷却器3~5台次;改用钛材,成为半永久性设备,节约了检修费用。湿氯冷却器采用石墨,几个月就发生腐蚀事故,检修频繁;改用钛材,运行稳定,维修工作量大大减少。环氧乙烷装置中较多管道与配件原设计采用钢衬聚四氟乙烯, 由于衬贴工艺不过关,经常发生开裂损坏事故,需要检修;被迫改用钛

管,彻底解决了问题。PTA装置中,虽然关键设备采用钛材没有腐蚀问题,但一些辅助性管路,如接触四溴乙烷、 乙酸的废气管道经常发生腐蚀穿孔,频繁堵漏检修;改用钛材后,满足了生产需要,不再检修。

1.6 改善生产环境

如上所述,在氯碱、制盐、乙酸、制药、农药等工业中,由于传统材料制造的设备耐蚀性差,经常发生跑冒滴漏、乌烟瘴气;改用钛材后,生产环境便焕然一新。

1.7 减少物料损耗,增加产量

如上所述,许多装置的一些关键设备、管道与配件改用钛材后,成为半永久或永久设备,能够连续生产,避免了原设计使用石墨、碳钢、不锈钢等传统材料因经常腐蚀,开裂与损坏造成事故停车,物料排空造成的无谓损耗,以及停车减产,从而增加了产品产量。

1.8 实现新工艺,强化生产

钛及钛合金由于其优良的综合性能,在现代化工设备制造中成为不锈钢与镍基合金等的更新换代材料。可以这样说,如果没有钛材的出现,目前很多的化工产品就无法实现规模化生产。例如阿莫柯法生产PTA,是以对二甲苯为原料,乙酸为溶剂,乙酸盐为催化剂,溴化物为促进剂,在185~200℃ ,1.1 MPa条件下进行氧化反应, 由于溴化物有相当

强的腐蚀性,目前几乎所有的不锈钢都会很快被侵蚀。能胜任这样苛刻环境的最佳实用材料唯有钛材。用复合钛极与钛管、钛极制造的氧化反应器、多台冷凝器、再沸器、容器,已在国内较多的石化企业投入安全稳定运行。又如尿素生产,以CO 和液氨为原料,在合成塔一定的温度和压力下生成氨基甲酸铵,再转化为尿素,通常采用尿素级316 L不锈钢

作为合成塔衬里,适用于全循环法,其合成温度为185℃ ,压力为15 MPa,CO:转化率为60% ,如继续增加合成温度,转化率可进一步提高,但316L腐蚀率也会急剧增加,反应温度因而受到限制。目前较多大氮肥厂尿素合成塔采用钛衬里,可采用改良C法生产,反应温度达200℃ ,压力达25 MPa,CO 转化率达72% ,尿素产量从而大大提高。炼油厂低温轻油部位的H S—HC1一H:0系统环境,由于近年进口高硫原油,腐蚀日趋严重。尤其是常减压塔顶及其冷凝系统的钢制冷却器腐蚀更甚,需消耗大量钢材,虽采取“一脱三注”措施,仍不能彻底解决问题。采用奥氏体不锈钢会产生应力腐蚀;采用铜镍合金会产生硫化;如采用钛制冷却器,就能消除各类腐蚀,不易结垢,提高导热率,强化生产。

2、选材经济分析计算

据统计,材料费用在现代化工装置投资中所占比例高达50% 。使用钛材,这一比例会更高。由于投资多由企业向银行贷款,因此工程选材不仅是耐腐蚀等性能的竞争,而且是投资多寡比较,或按预测寿命计算的年均费用的竞争。一般希望工程投资最少而获得的经济效益最多,回收年限最短。选材方案一般根据材料单价、加工费用和设备使用年限及材料预测寿命确定。

根据美国腐蚀工程师协会(NACE)推荐的腐蚀控制经济评价(RP一02—72),可对不同选材作经济分析与可行性评估。

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例:海水冷却器钢制为4 t重,钛制约2 t重。选用双相不锈钢费用按8万元/t计,使用年限15年;选用TA2费用按18万元/t计,使用年限30年;年利率取10% (为计算方便,设两者的管壁等厚,即不考虑钛管壁厚减薄)。代人上式,分别得不锈钢制海水冷却器年度费用(Ass)和钛制海水冷却器年度费用(A )如下:

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Ass>A 说明选用钛材合算。但按等效年度费用计算,未考虑到由于采用钛设备而获得的综合经济效益。为此,列出了钛设备取代传统设备后一年的经济效益的关系式如下:

式中: 

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E— — 钛设备取代传统设备后一年的经济效益;

el— — 钛设备每年的投资费(一次投资费/使用寿命);

e2— — 被取代的传统设备每年投资费(一次投资费/使用寿命);

e3—— 每年减少检修与更换费用(避免停车省下的检修,防腐、堵漏及更新设备的拆装费);

ea— — 每年减少原材料消耗费用(避免停车省下的物料排空费);

e5— — 每年产品增产价值(避免停车减产);

e6— — 每年产品质量提高价值;

e7—— 采用新工艺或强化生产一年的经济价值;

e8— — 每年节能费用(总传热系数提高产生的效益);

e9— — 每年节约环保费用(减少设施与排污费)。

3、化工钛设备选用经济评价总结

综上所述,随着现代化工的发展,选用钛设备将会越来越多;而随着钛材冶炼及加工技术的发展,钛设备的价格也会相应降低。目前虽然钛设备一次性投资较高(包括材料单价、设备制造加工及运输安装),但从技术经济分析,尤其是从使用寿命长、减少年投资费用,以及提高换热效率、提高产品质量与产量、提高市场竞争力等来看,是相当合算的,应当引起企业决策者的重视。现将选用钛设备的经济评价归纳 总如图1。

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