浓硝酸装置硝酸镁加热器的改进

黎志敏

（杭州龙山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

浓硝酸装置硝酸镁加热器的改进

黎志敏

（杭州龙山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

硝酸镁加热器是浓硝酸装置的关键设备之一。针对生产中硝酸镁加热器存在的腐蚀严重，使用寿命偏短等情况，剖析了腐蚀原因，提出改进方案。

浓硝酸；硝酸镁；加热器；腐蚀

硝酸镁间接浓缩法生产98%浓硝酸工艺，以其产品质量高、操作方便、运行成本低等一系列优点，逐渐成为国内主流的浓硝酸生产工艺。杭州龙山化工有限公司目前有一套规模为100 kt／a的硝镁法浓硝酸生产装置，其中的主要设备之一硝镁加热器在实际生产使用中存在U型换热管容易泄漏、设备检修频繁和使用寿命偏短等问题，严重制约了浓硝酸生产装置的长周期稳定运行。

浓硝酸生产装置中硝酸镁加热器一共有5台，规格为Ф1500×6138。管程和壳程的操作温度分别为190、175℃，操作压力分别为1.2MPa、常压。管程介质为1.3MPa，200℃过热蒸汽；壳程介质为66%的MgNO3溶液（同时含有1%左右的HNO3）。而U型换热管材质为00Cr19Ni10，规格Ф25／2，数量252根，管间距32 mm，排列方式为正方形布置，换热面积F＝184 m2，外形结构示意图如图1所示。

图1 硝酸镁加热器示意图Figure 1 Diagram of magnesium nitrate heater

1 存在的问题及原因分析

1.1 存在的问题

在使用过程中发现，加热器存在的主要问题是壳体及U型换热管容易腐蚀，主要腐蚀的部位：①硝镁加热器进料管处；②进料管下方的换热管处；③硝镁加热器椎形壳体上半部分。其具体腐蚀部位及情况见图2所示。

当因腐蚀和冲刷造成换热管管壁严重减薄泄漏后，只能采用堵管的办法处理［1］。使用近两年后，已经陆续封堵10%的换热管，从而严重影响换热效果，最终只能将整台加热器调换。由于设备的换热管和壳体等都为304L不锈钢，调换一台设备的费用高达30余万元。

1.2 原因分析

由于硝镁加热器内部的U型换热管束长期接触160℃左右的硝酸镁溶液（其中含0.1%－1%的HNO3），同时，原设计的进料方式也存在一定的缺陷，从而造成加热器极易腐蚀泄漏，具体原因分析如下：

1.2.1 均匀腐蚀

不锈钢的均匀腐蚀一般发生在酸性环境或热碱溶液中，在这些环境下腐蚀会以更快的速度扩散［2］。

质量分数为66%的硝酸镁溶液进入加热器（含有少量的HNO3，其为1.0%左右），经蒸汽加热脱硝后溶液中的HNO3降至0.2%左右并通过溢流管流入稀镁槽。在加热器170℃左右的高温工作条件下，1%左右的HNO3会对不锈钢造成较快的均匀腐蚀，而在加热器的硝酸镁入口处稀硝酸镁含HNO3浓度最高，在此部位发生的腐蚀比较均匀。

图2 加热器腐蚀情况Figure 2 corrosion of magnesium nitrate heater

1.2.2 应力腐蚀

304、304 L等奥氏体不锈钢应力腐蚀的重要变量是温度、介质、夹杂物、焊接应力和加工应力等影响。应力来源于冷变形、焊接和金属钝击后的残余应力等，这些应力的产生使金属内部稳定的组织得到了破坏，导致晶粒在应力方向的作用下位错而形成滑移台阶，这些滑移台阶的构成给Cl－带来了吸附和渗透的机会［3］。

硝酸镁加热器的换热管与管板之间一般采用传统的贴胀＋强度焊接形式，贴胀之后在台阶处的附加应力很大。因此，该材质换热器的应力腐蚀失效主要是在管头部位焊缝边缘的热影响区和机械胀接的台阶处。同时，由于生产原料稀硝酸含有C1－，将其带入了浓硝酸生产装置中，会使不锈钢表面在硝酸溶液中生成的钝化保护膜遭到破坏，从而加剧了应力腐蚀产生。

1.2.3 晶间腐蚀

硝酸镁加热器的换热管与管板之间采用传统的强度焊接形式，两者之间存在一定的缝隙，传热性不好使焊缝的局部温度上升的很快，并沿着管子传递，使管子的一定区域出现敏化温度，造成焊接时局部受热，致使碳原子在晶界以含铬量很高的碳化物析出，使晶界的含铬量减少，因此在含硝酸的溶液中更容易发生晶间腐蚀。

1.2.4冲刷腐蚀

冲刷发生时，金属离子或腐蚀产物因受高速腐蚀流体冲刷而离开金属材料表面，使新鲜的金属表面与腐蚀流体直接接触，从而加速了腐蚀过程。若流体中悬浮较硬的固体颗粒，则将加速材料的损坏。由于硝酸镁加热器的进口物料是质量分数66%的硝酸镁溶液，其密度为1.4 g／cm3，硝酸镁溶液极容易结晶，产生含有颗粒状的物料，其从设备进口垂直高速冲下，流速高达4 m／s，对加热器的列管及壳体的冲刷腐蚀十分严重，极易造成设备和换热管的壁厚减薄从而发生泄漏现象。

2 采取的应对措施

为了有效的解决硝酸镁加热器在使用中存在的问题，可从以下几个方面采取相应的措施来减少设备的腐蚀情况。

2.1 原料及生产控制

在日常的生产中主要控制好稀硝酸镁溶液含硝量等工艺指标，尽量将稀硝酸镁中硝酸质量分数降至0.1%以下。具体的控制措施如下：①减小浓硝酸镁进料量或增加稀硝酸进料量，减小配料比，调整稀硝酸镁质量分数在64%～75%；②关小蒸发器的加蒸汽调节阀，降低硝酸镁蒸发器温度，从而调整浓硝酸镁质量分数在72%～76%；③定期对硝酸镁进行沉降、置换，提高硝酸镁脱水能力，有效降低稀硝酸镁含硝；④从工艺上减少减少Cl－的来源，在浓硝酸系统中对冷却盘管加强查漏、堵漏避免其进入系统，在原料稀硝酸生产中将Cl－浓度高的硝酸排到废酸槽，另行处理回用。

2.2 设备制造时的改进

硝酸镁加热器的换热列管与管板之间焊接采用的是传统的贴胀＋强度焊接形式，管子和管板之间存在一定的间隙死角，容易引起Cl－聚集。建议将焊接形式改为目前比较先进的内孔焊技术，而根据使用情况说明［4］，用内孔焊技术制造的换热器耐应力腐蚀破裂性能远远优于未采用内孔焊的换热器，不仅提高了焊接质量，也能消除换热管和管板之间的缝隙死角，减小Cl－集聚引起的应力腐蚀。

2.3 设备结构的改造

设备结构的改进措施：①在硝镁加热器旁安装一缓冲罐，改变硝镁加热器的进料位置及方向。通过增加缓冲罐避免了硝酸镁直接冲刷进料管，改变进料方向减小了硝酸镁对筒体的冲刷力度。②在硝镁进口处正对的U形管束处安装一弧形聚四氟乙烯板，避免硝酸镁溶液进入加热器时，对U型换热管管束的高速直接冲刷。进料管改造如图3所示。

图3 硝酸镁加热器进料管改造示意图Figure 3 Schematic transformation of magnesium nitrate feeding tube heater

3 结语

通过对硝酸镁加热器生产控制、工艺防腐控制及设备改造，硝酸镁加热器的使用寿命从2年延长至4年以上，大大减小了设备的检修周期和维护成本。

［1］张正滨.硝酸镁法生产浓硝酸的加热器改造［J］.无机盐工业，2007（2）：12－14.

［2］王均有.硝酸镁加热器的改进设计［J］.中氮肥，2012（2）：5－6.

［3］孙志高.浓硝酸生产中硝酸镁加热器腐蚀原因与控制［J］.石油和化工设备，2013（4）：7－9.

［4］甄延明.硝酸装置低压反应水冷器的腐蚀分析及防护对策［J］.化肥工业，2011（2）：13－14.

Improvements on Magnesium Nitrate Heater in Concentrated Nitric Acid Plant

LI Zhi－min

（Hangzhou longshan chemical co.，Ltd.，Hangzhou 311228，China）

magnesium nitrate heater is one of the key equipment in concentrated nitric acid plant，in view of the existing situation of serious corrosion and short service life of the heater for the production，the corrosion causes was analyzed and improvements were proposed.

concentrated nitric acid；magnesium nitrate；heater；corrosion measures

TQ051

A

1004-275X（2014）05-0068-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.018

收稿：2014-07-14

黎志敏（1981－），男，浙江杭州人，工程师，主要从事化工生产与设备管理方面的工作。