氨制冷系统精馏塔的相关问题研究

马高强

（神马尼龙化工有限责任公司 河南平顶山 467013）

氨是一种天然的制冷工质，具有较大蒸发潜热性、适中压力、良好热力性质，其ODP 与GWP 都是0，环保特性十分良好。来自国际能源署热泵中心报告表示，从经济与环境角度看，通过对氨的有效利用，可以解决对大气环境具有较大不良影响的GWP制冷剂问题，由此看来，氨水吸收式制冷系统对持续健康发展的道路具有重大意义，同时，有利于合理利用我国资源，实现节能减排目标。

1 精馏塔在氨水制冷中作用

研究表明，水分含量是制冷剂中最重要因素之一，它对制冷系统运行情况、氨水制冷系统的稳定运行具有决定性影响。由此看来，对于氨水制冷系统而言，想要将高纯度氨气提取出来，必须应用精馏法，进而促进此系统运行功能的提高。精馏塔是分离氨水的重要设备之一。精馏塔可以达到交换上升高温气体与下降低温液体的目的，进而增高上升液体中的氨浓度，使提纯氨气目标得以实现。通过研究氨水制冷精馏塔中热质交换过程可知，制冷剂中水分不仅危害氨水制冷系统，氨蒸汽中残留水分同样影响系统，此研究以氨水吸收制冷精馏塔全冷凝器为基础，为精馏段效率与提馏段效率赋值为0～1，应用定量分析法，分析精馏段与提馏段对精馏效果与系统COP的影响［1-2］。

2 构建氨制冷系统

此系统的重要构成部件包括精馏塔、过滤器、冷凝器、蒸发器、过冷器、溶液热交换器、吸收器、节流阀、溶液泵。制冷剂循环与溶液循环是整个制冷循环的两个重要部分。氨蒸汽与水蒸气混合物经过精馏塔顶出口后通过部分回流到达冷凝器，在冷凝作用下形成氨液，通过冷器、节流阀到达蒸发器中，在受到冷却对象的吸热蒸发作用后，氨液形成氨蒸汽，促进冷量产生，使制冷得以实现；氨蒸汽产生后，通过冷器到达吸收器，被流经溶液热交换器的精馏塔底稀溶液吸收，促进浓氨水溶液的形成，进入溶液泵到达溶液热交换器后，与精馏塔底部稀溶液换热，升高温度，通过精馏塔进料口到达精馏塔，实施提馏段与精馏段操作后，使精馏提纯工作得以完成，促进氨蒸汽的重新产生，进而使整个循环过程得以实现（见图1）。

图1 氨制冷系统

3 简述工艺流程

一些源于脱氨、碳回收、空分中的气氨汇聚起来后，共同进入氨吸收制冷装置，经过过冷器管程后，交换壳程中液氨热量，升高温度达到24℃时到达吸收器壳程，然后被冷凝器中稀氨水吸收，稀氨水吸收气氨后，促进浓氨水的形成，大量被释放出来的反应热被吸收器管程循环水带走。从吸收器中出来的浓氨水受到重力作用影响，流入浓氨水储槽中，然后通过氨水泵加压到达1.8MPa，传输溶液换热器壳程，交换精馏塔内稀氨水热量，浓氨水温度升高达到110℃后，到达氨精馏塔中部开展精馏工作。

气氨与蒸汽从氨精馏塔中被蒸出后，一部分上升到塔顶，通过塔顶回流器后，一些回流，大部分出塔顶后的气氨与蒸汽进入冷凝器壳程，交换管程中一次水热量后冷却，形成液氨，进而到达液氨储罐。受到自身压力影响，经过底部液氨管道进入冷凝器壳程的浓氨储槽内液氨，交换外来气氨热量，在温度下降到10℃时向用户输送。

塔底虹吸式再沸器将热量提供给氨精馏塔，借助再肺器壳程，可以加热塔底氨水的低压蒸汽，有大量气氨存在氨水中，这就造成较高挥发率，进而上升氨水中气氨，一些经过精馏塔冷凝作用后，促进自回流的形成，其他部分流出氨精馏塔顶部后，在冷凝器作用下，形成液氨的冷凝。借助溶液冷凝器，出塔后的塔底稀氨水通过利用溶液冷凝器实现换热目的，如果温度在43℃时，能够将用户送来的气氨吸收［3-5］。

4 氨精馏塔冷凝器腐蚀原因与预防改进策略

自从投入使用氨精馏塔之后，塔顶冷凝器频繁发生泄漏情况，最初并不明确泄漏原因，仅仅将堵漏处理措施应用于泄漏部位，然而，短时间内再次出现泄漏，对整个按制冷系统的稳定安全运行造成不良影响，不仅大幅度增加液氮消耗，还导致了检修工作量的增加。这是固定管板式的冷凝器，在选择材质方面，选用16MnRⅢ的筒体、16Mn 的管板、20#换热管、1.5MPa 的设计压力，循环水是此冷凝器壳程介质，液氮是管程介质。投入使用氨精馏塔之后，运行一段时间之后，有内漏情况出现在塔顶冷凝器中，进而逐渐提高塔顶温度，由于有氨存在于冷凝器循环水出口水中，逐渐扩大泄漏量，不断升高循环水中氨含量，明显增加氨消耗。

4.1 研究腐蚀泄露原因与预防对策

拆检冷凝器之后，以冷凝器腐蚀情况为依据，能够判断出点腐蚀与应力腐蚀是主要腐蚀类型。

4.1.1 点腐蚀

比较典型的点腐蚀现象是有腐蚀坑存在于换热管表面，点腐蚀比较容易发生于CI-环境中，究其原因，主要是CI-很容易吸附在换热管表面某个点上，进而破坏此处钝化膜，根据金属腐蚀机理可知，CI-具有良好活性，发生小孔腐蚀的概率比较大，因此，必须严格控制循环水中的CI-。

4.1.2 应力腐蚀

在拉力与腐蚀共同作用之下，金属材料发生脆性断裂被称为应力腐蚀断裂，变换工段将热负荷提供给氨精馏塔，那么改变变换工段的工况后，热负荷也会产生变化，考虑循环冷却水具有恒定温度，较小温度调节空间，一旦有波动出现在热负荷中，在温度差影响下，塔顶冷凝器会产生热应力拉伸，塔顶冷凝器具有较高顶部压力和温度，如果对正常换热要求冷凝器不能进行满足，就会逐渐积聚热量，慢慢加剧冷凝器的温差膨胀，最终拉裂热管与管板之间焊缝。由此看来，生产过程中必须保持平稳操作，防止大幅度调整，避免发生塔顶超温情况。

4.2 改进对策

碳钢材质的换热管具有较差耐腐蚀性能，较小自由伸缩度，改进对策是更换热管材质，即使用304代替碳钢，不改变规格，为了使耐腐蚀性能得以增强，将管板材质改为16MnⅢ+304，同时，将304 堆焊层增加到换热管焊接面。

5 研究筒体腐蚀原因与预防改进对策

氨精馏塔筒体材质、壁厚分别是16MnR、22mm，304 为塔内件材质。通过仔细检查腐蚀点，发现被腐蚀的塔壁呈现沟槽形状，观察材质劣化与腐蚀形貌，存在酸液、冲刷腐蚀等状况。

5.1 研究筒体腐蚀原因

5.1.1 冷凝液腐蚀与垢下腐蚀

氨的冷凝温度在1.4MPa时的温度是36℃，这时会有冷凝氨液形成于冷凝器管壁上，并且沿塔壁向下方流。因为人孔位置具有较差保温性能，导致有氨液析出，人孔底部会逐渐聚积后液氨，促进积液的形成。氨液与积液中氨、介质中H2S、硫代硫酸根、硫酸根等杂质发生反应后，促进（NH4）2SO4、NH4HS等的产生，遇到水之后，就会水解成酸性腐蚀物质，最终使酸液腐蚀与垢下腐蚀得以形成。

5.1.2 NH4HS冲刷腐蚀

气态氨中H2S 与NH3反应后，促进NH4HS的生成，在120℃左右析出NH4HS结晶，因此，有NH4HS结晶存在于塔体上部介质中，并且逐渐在塔上部凝结NH4HS氨液，在重力作用下流向下方，接触高速逆流的氨气后，就会有冲刷腐蚀形成于塔壁。

5.2 预防和改进对策

第一，有效控制原料，严格控制氨液中H2S与其他杂质含量，使其处于工艺指标范围，并且将短接、人工孔位置等保温工作做好，进而防止低温液氨冷凝盐形成。

第二，加强跟踪腐蚀介质，将进出料位置的各点采样分析工作做好，对Fe3+、硫酸盐、硝酸盐、Na2S2O3、H2S等有害物质进行重点分析，进而对各位置腐蚀介质的具体分布状况进行全面了解和掌握。并且对氨精馏塔污水中含有NH4HS 质量浓度进行重点监测，如果NH4HS 质量分数大于2%时，必须第一时间实施置换处理操作。

第三，从整体上改造和更换设备，将内衬增加到筒体部位，材质是304，厚度是3mm，有利于彻底根除腐蚀问题［6-7］。

6 结语

综上所述，借助分析氨精馏塔腐蚀原因，能够对有关问题进行全面了解和掌握，进而将具有较强针对性的预防与改进对策制定出来，有利于将指导依据提供出来，更好地解决和改善精馏塔腐蚀问题。氨制冷的最重要设备就是氨精馏塔。解决腐蚀问题之后，能够有利于保障此设备安全稳定运行，提高氨制冷设备运行效率和质量，帮助化工企业获取最大化的收益。