CN108344784A - 一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，该真空冷凝系统在全回流精馏装置(2)的下方设置恒温加热釜(1)，在全回流精馏装置(2)的上方连接冷凝液分流蒸馏头(3)，在冷凝液分流蒸馏头(3)的上方连接冷凝管(7)，冷凝管(7)与低温冷凝器(6)连接；在冷凝液分流蒸馏头(3)中还设有数据采集系统(4)，数据采集系统(4)与数据分析系统(5)连接；抽真空设备(8)与冷凝管(7)连接，该装置能模拟真空冷凝工况的精馏系统的腐蚀特征。该装置尽可能的模拟实际工况，检测管路表面的腐蚀情况，具有无损在线检测，无需频繁拆卸组装，集监测，分析和统计于一身，可以实现实时检测，具有广泛应用前景。

Description

一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统

技术领域

本发明涉及一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，本发明属于真空冷凝系统腐蚀在线监测技术领域。适用于化工生产中精馏分离系统腐蚀检测等应用领域。

背景技术

腐蚀监测就是对设备腐蚀状态、腐蚀速度以及某些与腐蚀有关的参数进行系统的测量，并通过监测的信息对生产过程有关的参数进行自动控制或报警。现代工业连续性和大型化生产的特点要求尽量减少停车检修的时间和次数，延长设备连续运转的周期，控制腐蚀发展的速度则需要进行腐蚀监测。腐蚀监测的方法主要分为在线监测法和离线检测法，其中在线监测又分为：腐蚀挂片失重法、电位法、线性极化法、极化电阻法、电化学阻抗谱法、电偶电流法、场图像技术以及电化学噪声技术等，除此之外还有化学分析法。由于传统的腐蚀挂片必须在停车时放入取出，得到的是一段时间的平均腐蚀速度，且挂片表面附着有机物等造成腐蚀物清除困难、误差较大，不适于实时监测。电化学监测由于其灵敏度高、快速、可以实现在线实时监测，可以克服挂片法的许多缺点，其中美国专利US20070024287和US20050212534等报道了应用交流阻抗技术测量金属腐蚀，交流阻抗法监测金属腐蚀过程可以不受电极表面电流分布不均匀的影响，而且交流阻抗谱可以清楚地反映出钝化、孔蚀和再钝化过程，甚至可以探测到孔蚀的产生和成长；

本发明腐蚀监测所述的是真空冷凝系统，其腐蚀温度在-20℃～150℃、压力在20～101kPa，管路中中杂质主要为溶解盐类，酸类，芳香烃同系物类有机物含量较高，在管路中会发生酸解、乳化、结焦等，易导致塔顶管线腐蚀泄漏，造成精馏装置停产而产生重大安全隐患和经济损失，目前缺乏真空冷凝精馏分离系统腐蚀的模拟装置。本发明设计和研制了具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，在模拟工况条件下可实时监测腐蚀速率变化，本发明的测量系统的工作电极、参比电极和辅助电极分别采用了碳钢(20#碳钢或10#碳钢)、Ag-AgCl电极、铂丝电极的三电极体系，工作电极与工厂的管路表面状态、成分、形状一样，电极过程和自腐蚀电位几乎相等，可精确反映精馏装置实际腐蚀状况，使用方便快速，并可在多个位置设立电极测量装置，全方位考察研究腐蚀情况，解决了传统腐蚀挂片法无法实时测定腐蚀速率的难题，具有显著的经济、社会和环境效益。

发明内容

技术问题：本发明为解决真空冷凝系统传统腐蚀挂片法无法实时测定腐蚀速率和电化学测量不能在真空冷凝条件下实时测量的难题，提供了一种在-20℃～150℃、压力在20～101kPa下可以进行管路腐蚀在线监测的真空冷凝系统。

本发明的目的是提供一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，具有原位无损在线监测，无需频繁组装，适用于真空条件低温下、介质范围广泛，能提供均匀腐蚀和局部腐蚀信息、反映化工设备管线的耐腐蚀性能和腐蚀机理，集监测、分析、控制于一体、具有在线实时监测等特点的真空冷凝系统。

技术方案：本发明的一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统包括恒温加热釜、全回流精馏装置、冷凝液分流蒸馏头、数据采集系统、数据分析系统、低温冷凝器、冷凝管、抽真空设备，其中，在全回流精馏装置的下方设置恒温加热釜，在全回流精馏装置的上方连接冷凝液分流蒸馏头，在冷凝液分流蒸馏头的上方连接冷凝管，冷凝管与低温冷凝器连接；在冷凝液分流蒸馏头中还设有数据采集系统，数据采集系统与数据分析系统连接；抽真空设备与冷凝管连接，该装置能模拟真空冷凝工况的精馏系统的腐蚀特征。

其中：

所述的数据采集系统中设有腐蚀测量电极探头，并安装在冷凝液分流蒸馏头上，腐蚀测量电极探头通过导线连接至电化学工作站。

冷凝液分流蒸馏头接有引流漏斗引流冷凝液，冷凝液分流蒸馏头与全回流精馏装置连接以回流冷凝液，冷凝液分流蒸馏头上安装有3个控制阀。

在所述冷凝液分流蒸馏头的引流漏斗及冷凝管末端上设置弯钩能够放置碳钢腐蚀挂片。

所述腐蚀测量电极探头上的工作电极取自系统管路腐蚀材料碳钢，将该腐蚀测量电极探头的绝缘基座制作成圆锥台，在圆锥台中钻圆柱孔，绝缘基座采用聚四氟乙烯，工作电极、辅助电极、参比电极嵌在绝缘基座中。

所述恒温加热釜上设有物料进口、测温装置、取样口。

所述冷凝管还与抽真空设备连接，中间连接有平衡压强的缓冲瓶。

所述绝缘基座为圆锥台，圆锥台上下面直径比例为8:5～8:6，圆锥台母线距离可根据实际测量位置深度调节。

所述工作电极、辅助电极、参比电极为三电极，在圆锥台上均匀排布，位于下底面半径一半的同心圆上打孔，组成正三角形排布。

有益效果：

(1)、在线监测装置不受监测介质环境的限制，可广泛应用于各种单相、气固液三相混合介质。

(2)、工作电极采用与监测设备相同的材质，监测具有可靠性，该监测装置的三电极腐蚀监测体系安装灵活，可根据需要安装在系统中的气相、液相及气液交界位置，实现腐蚀原位在线无损检测。

(3)、该具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统可适用的工作温度为-20℃～150℃、压力为20～101kPa，能长时间监测，能够满足大部分的化工设备生产工况的腐蚀在线监测需要。

(4)、该真空冷凝系统的管路腐蚀在线监测方法，通过对系统施加小幅度的电信号扰动，可以长时间维持电极的稳态特性，对研究对象的表面状态干扰较小，电极不会出现严重的极化累积现象，消除了响应的高次谐波及支流成分对监测结果的影响。测量结果处理方法简便，通过实时模拟工况下的腐蚀环境，最大程度的拟合表面的腐蚀状态，预测腐蚀程度。

(5)、该真空冷凝系统的管路腐蚀在线监测方法，根据所测阻抗谱图，建立所研究电极的电极过程及电极界面过程的动力学模型，并通过对测得的阻抗谱图的解析确定物理模型中的参数，定量获得电极过程的动力学信息及电极界面结构的信息，通过高频部分的谱图可以判断氧化膜的快速反应，通过低频部分的谱图可以判断缓慢反应的双电层和法拉第过程，从而判断电极腐蚀的进程。

(6)、该具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统通过对腐蚀管路材质在工艺水介质中的腐蚀实行在线监测，可以直接为设备防腐蚀措施提供决策，为防腐蚀材料筛选提供依据，同时也能提高化工设备安全生产的可靠性，延长真空冷凝工况下设备的使用寿命。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本项目实施例描述中所用到的附图做简单介绍。

图1是本发明的总体结构示意图，

其中有：1-恒温加热釜、1-1进料口、1-2测温装置、2-全回流精馏装置、3-冷凝液分流蒸馏头、4-数据采集系统、4-1腐蚀测量电极探头、4-2电化学工作站、5-数据分析系统、6-低温冷凝器、7-冷凝管、8-抽真空设备、9-取样口、10-悬挂挂片弯钩、11-缓冲瓶。

图2是冷凝液分流蒸馏头3的结构示意图。其中有：3-1引流漏斗、3-2控制阀。

图3是腐蚀测量三电极探头的结构示意图。其中有：4-1-1聚四氟乙烯圆锥台基座、4-1-2工作电极、4-1-3辅助电极、4-1-4参比电极。

图4是腐蚀测量三电极探头的立体图。

图5是工作电极的结构示意图。其中有：4-1-2-1铜导线柱、4-1-2-2聚四氟乙烯、4-1-2-3 20#碳钢或10#碳钢；

图6是辅助电极的结构示意图。其中有：4-1-3-1铜导线柱、4-1-3-2聚四氟乙烯、4-1-3-3铂丝；

图7是参比电极的结构示意图。其中有：4-1-4-1铜导线柱、4-1-4-2聚四氟乙烯、4-1-4-3Ag/AgCl、4-1-4-4KCl溶液、4-1-4-5微孔陶瓷。

具体实施方式

本发明的一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统在工作时，物料在主反应釜和精馏釜中被加热汽化，产生的蒸汽从上部导出经过全回流精馏装置后遇到低温冷凝装置，冷凝后凝结成液相液化回流至分流蒸馏头中的接口漏斗中，引流至安放电极探头的圆柱池中，并可通过调节阀回流到主反应釜体中，从而达到循环；蒸馏头提供放置电极探头的位置，可实时测定电化学参数，研究腐蚀机理和测量腐蚀率。蒸馏头能够通过调节阀进行外接取样，分析腐蚀溶液。

本发明的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统包括恒温加热釜1、全回流精馏装置2、冷凝液分流蒸馏头3、数据采集系统4、数据分析系统5、低温冷凝器6、冷凝管7、抽真空设备8，其中，在全回流精馏装置2的下方设置恒温加热釜1，在全回流精馏装置2的上方连接冷凝液分流蒸馏头3，在冷凝液分流蒸馏头3的上方连接冷凝管7，冷凝管7与低温冷凝器6连接；在冷凝液分流蒸馏头3中还设有数据采集系统4，数据采集系统4与数据分析系统5连接；抽真空设备8与冷凝管7连接，该装置能模拟真空冷凝工况的精馏系统的腐蚀特征。

所述的数据采集系统中设有腐蚀测量电极探头，并安装在冷凝液分流蒸馏头上。

冷凝液分流蒸馏头接有引流漏斗引流冷凝液，冷凝液分流蒸馏头与全回流精馏装置连接以回流冷凝液。

在所述冷凝液分流蒸馏头的漏斗及冷凝管末端上设置弯钩能够放置碳钢腐蚀挂片。

所述腐蚀测量电极探头上的电极取自系统管路腐蚀材料碳钢，将电极制作成圆柱体，在圆柱体电极中钻圆柱孔与铜导线相连接，采用聚四氟乙烯为绝缘基座，电极嵌在聚四氟乙烯圆柱体中。

所述恒温加热釜上设有物料进口、取样口、测温装置。

所述抽真空设备与冷凝管连接，中间连接有平衡压力的缓冲瓶。

腐蚀监测系统主要由腐蚀测量三电极探头、信号数据采集系统、信号数据分析系统组成，同种材料三电极可实时传输金属电极的表面状态给电化学工作站，进行数据采集；计算机完成数据的分析、存储。电极不会变形，采用与主设备同质材料、成本低廉，腐蚀测量电极确保电极之间不漏电、电极探头与连接导线之间导电良好，能在一定的温度和压力范围内保持稳定。将工作电极制成圆柱体以避免其他形状电极由于电极旋转对测量信号的影响，在圆柱体电极中钻圆柱孔便于铜导线连接，保证铜棒与碳钢的紧密联接，与水、其他电极的绝缘，采用聚四氟乙烯为绝缘基座，电极嵌在聚四氟乙烯圆柱体中，绝缘性能好，强度高。

4-1-2工作电极的要求如下：

4-1-2-1铜导线柱

4-1-2-2聚四氟乙烯

4-1-2-3 20#碳钢或10#碳钢

聚四氟乙烯直径：8～10mm

铜接线柱长度：20～30mm

聚四氟乙烯长度：60～100mm

(碳钢镶在聚四氟乙烯柱中)

4-1-3辅助电极的要求如下：

4-1-3-1铜导线柱

4-1-3-2聚四氟乙烯

4-1-3-3铂丝

聚四氟乙烯直径：6～8mm

铜接线柱长度：20～30mm

聚四氟乙烯长度：30～50mm

铂丝长度：30～50mm

4-1-4参比电极的要求如下：

4-1-4-1铜导线柱

4-1-4-2聚四氟乙烯

4-1-4-3Ag/AgCl

4-1-4-4KCl溶液

4-1-4-5微孔陶瓷

聚四氟乙烯直径：6～8mm

铜接线柱长度：20～30mm

聚四氟乙烯长度：20～40mm

Ag/AgCl长度：40～60mm

在该装置中连接真空减压泵用来模拟减压环境，连接低温冷凝器来将气态物料迅速冷凝，设置取液口用来取样品进行分析，设置放气口用来平衡体系内外压力，设置悬空式缓冲瓶防止倒吸。

蒸馏头及冷凝管末端内可以放置碳钢挂片，用于经典的失重法测定腐蚀率，观察腐蚀挂片在气相、液相以及气液交界面的腐蚀情况。

本发明的一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统中，腐蚀在线监测系统由腐蚀测量电极探头、数据采集系统(电化学工作站)、数据分析系统(计算机)、低温冷凝器、抽真空设备组成，三电极体系可实时传输金属电极的表面状态给数据采集系统，进行数据采集；数据分析系统完成数据的分析、存储。电极连接导线长采用电阻为10～12欧姆的专用屏蔽防护信号线，采用交流阻抗法，其频率选择10mHz～100kHz。工作电极联结导线长度对测量有明显的影响，即随着传输导线电阻的增加，电化学交流阻抗图正向部分图形产生平移。在低频条件下，导线的阻抗近似导线电阻，但在高频条件下，由于趋肤效应导致阻抗比低频的阻抗大得多，需要校正；参比电极只是起到参比作用，测量时本身无电流通过，故其联结导线长度对腐蚀率测量影响不大，不需要校正，辅助电极只是起到导电作用，也不需要校正。

具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特点是：数据管理模块安装在计算机上，包括一个数据显示单元和一个腐蚀异常报警单元，并通过计算机人机交互界面，直接反映出腐蚀情况，及时对工艺条件的变化作出腐蚀预警和调控；化工设备的工艺水介质一般是比较复杂的气、液、固多相介质，水中通常含有大量的具有腐蚀性的组分。水介质的理化性能及现场工况条件不同腐蚀性也不相同，对10#或20#碳钢材料在工艺水介质中的腐蚀实行在线监测，可以直接为设备防腐蚀措施提供决策，为防腐蚀材料筛选提供依据，同时也能提高化工设备安全生产的可靠性，延长真空冷凝工况下设备的使用寿命。

EIS是研究电极过程动力学及腐蚀与防护机理的重要研究方法。EIS对系统的小幅度电信号扰动特性可以维持电极的稳态特性、长时间作用下电极不会出现严重的极化累积现象、系统呈线性状态，从而不必考虑响应的高次谐波及直流成分，测量结果的处理较为简单。交流阻抗方法是一种暂态电化学技术，属于交流信号测量的范畴，具有测量速度快，对研究对象表面状态干扰小的特点。由于电极过程可以用电阻R和电容C组成的电化学等效电路来表示，因此交流阻抗技术实质上是研究RC电路在交流电作用下的特点和规律。

根据测得的阻抗谱图，建立所研究电极的电极过程及电极界面过程的动力学模型，通过对测得的阻抗谱图的解析确定物理模型中的参数，定量地获得电极过程的动力学信息及电极界面结构的信息。

交流阻抗谱由实部(Z’)与虚部(Z”)组成，阻抗Z(ω)＝Z’+jZ”，其中ω是角频率，对简单的电阻电容电路，Nyquist图是个半圆。对复杂体系，等效电路模型用来适应实验数据，代表了材料微观结构。此外高频率部分主要显示氧化膜的快速反应，低频部分主要显示缓慢反应的双电层和法拉第过程。

本发明主要有以下四个部分构成：

1.全回流模拟精馏塔

全回流模拟精馏塔由四部分构成，最上端为冷凝管，用来将气相冷凝回流为液相，在冷凝管末端设计了挂钩用来悬挂腐蚀挂片，从而通过腐蚀挂片被腐蚀后的形貌特征，特别是气液界面处的腐蚀形貌来判断腐蚀机理，研究腐蚀原因。第二部分为蒸馏头，蒸馏头提供了安装电极的装置，并将冷凝下来的液相回流至精馏塔中，在蒸馏头中同样可以放置腐蚀挂片，可以通过观察碳钢挂片在气相和液相之间的腐蚀情况的区别来对腐蚀原因和腐蚀机理进行研究。第三部分为精馏塔，内装有填料，可以提供管路以供气相介质上升冷凝和冷凝后的液相介质回流至塔釜。第四部分为可控温的加热塔釜，可以进行加料，取样，测温，平衡压力等操作。精馏塔中有多处取样装置，由于碳钢腐蚀后部分铁变成铁离子溶入水中，水中铁离子浓度的大小可以近似表示腐蚀程度的大小，铁离子浓度越高其腐蚀率越高。

2.电化学测试系统

电化学测试系统分为三部分，电化学工作站，计算机以及三电极体系。电化学工作站，可以用来测试开路电压时间曲线(Open Circuit Potential-Time)，塔菲尔极化曲线(Tafel Plot)以及交流阻抗测试(A.C.Impedance)等；计算机采集数据并进行分析计算；装置采用三电极体系及交流阻抗二点频率法进行腐蚀测量，并通过数据分析系统对腐蚀结果进行分析判断。

三电极体系中，工作电极由碳钢(20#碳钢或10#碳钢)制成，分别用来模拟管线材质及冷凝器材质，辅助电极为铂丝电极，辅助电极作用是在整个测试中形成一个可以让电流通过的回路。参比电极为Ag/AgCl电极，参比电极作用是在测量过程中提供一个稳定电极电位，对于一个三电极的测试系统，之所以要有一个参比电极，是因为有些时候工作电极和辅助电极的电极电位在测试过程中都会发生变化，为了确切的知道其中某一个电极的电位，必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比来进行测量。

3.抽真空设备

抽真空设备对整个体系抽真空，模拟工厂减压精馏塔的负压环境。通过缓冲瓶来调节压力，同时缓冲瓶可以防止倒吸。

4.低温冷凝器

低温冷凝器可提供零下-20℃～-50℃的冷冻液使气相蒸汽迅速冷凝为液相，从而提供冷凝回流液供电极探头进行电化学分析。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于该真空冷凝系统包括恒温加热釜(1)、全回流精馏装置(2)、冷凝液分流蒸馏头(3)、数据采集系统(4)、数据分析系统(5)、低温冷凝器(6)、冷凝管(7)、抽真空设备(8)，其中，在全回流精馏装置(2)的下方设置恒温加热釜(1)，在全回流精馏装置(2)的上方连接冷凝液分流蒸馏头(3)，在冷凝液分流蒸馏头(3)的上方连接冷凝管(7)，冷凝管(7)与低温冷凝器(6)连接；在冷凝液分流蒸馏头(3)中还设有数据采集系统(4)，数据采集系统(4)与数据分析系统(5)连接；抽真空设备(8)与冷凝管(7)连接，该装置能模拟真空冷凝工况的精馏系统的腐蚀特征。

2.根据权利要求1所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述的数据采集系统(4)中设有腐蚀测量电极探头(4-1)，并安装在冷凝液分流蒸馏头(3)上，腐蚀测量电极探头(4-1)通过导线连接至电化学工作站(4-2)。

3.根据权利要求2所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于冷凝液分流蒸馏头(3)接有引流漏斗(3-1)引流冷凝液，冷凝液分流蒸馏头(3)与全回流精馏装置(2)连接以回流冷凝液，冷凝液分流蒸馏头上安装有3个控制阀(3-2)。

4.根据权利要求3所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于在所述冷凝液分流蒸馏头(3)的引流漏斗(3-1)及冷凝管(7)末端上设置悬挂挂片弯钩(10)能够放置碳钢腐蚀挂片。

5.根据权利要求2所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述腐蚀测量电极探头(4-1)上的工作电极(4-1-2)取自系统管路腐蚀材料碳钢，将该腐蚀测量电极探头(4-1)的绝缘基座(4-1-1)制作成圆锥台，在圆锥台中钻圆柱孔，绝缘基座(4-1-1)采用聚四氟乙烯，工作电极(4-1-2)、辅助电极(4-1-3)、参比电极(4-1-4)嵌在绝缘基座(4-1-1)中。

6.根据权利要求1所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述恒温加热釜(1)上设有物料进口(1-1)、测温装置(1-2)、取样口(9)。

7.根据权利要求2所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述冷凝管(7)还与抽真空设备(8)连接，中间连接有平衡压强的缓冲瓶(11)。

8.根据权利要求5所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述绝缘基座(4-1-1)为圆锥台，圆锥台上下面直径比例为8:5～8:6，圆锥台母线距离可根据实际测量位置深度调节。

9.根据权利要求5所述的具有管路腐蚀在线监测装置的真空冷凝系统，其特征在于所述工作电极(4-1-2)、辅助电极(4-1-3)、参比电极(4-1-4)为三电极，在圆锥台上均匀排布，位于下底面半径一半的同心圆上打孔，组成正三角形排布。