催化裂化干氣制乙苯裝置反應(yīng)區(qū)管道設(shè)計(jì)

劉 剛 上海新佑能源科技有限公司 上海 201203

1 反應(yīng)區(qū)工藝流程概述

某催化裂化干氣制乙苯裝置 (以下簡稱乙苯裝置)反應(yīng)區(qū)有三臺反應(yīng)器:兩臺烴化反應(yīng)器R101 A、R101 B，一臺反烴化反應(yīng)器R102。烴化反應(yīng)設(shè)計(jì)壓力為0.93 MPa，設(shè)計(jì)溫度為370℃;催化劑為器外再生，器內(nèi)活化?；罨瘯r從反應(yīng)器頂部吹入熱空氣，底部放空線排出，活化設(shè)計(jì)溫度為520℃，環(huán)境溫度假定為20℃。

表1為烴化反應(yīng)生產(chǎn)和開停工過程中出現(xiàn)的主要工況:①③為生產(chǎn)－停工，為常規(guī)工況;②⑤為活化－停工工況，此時兩臺反應(yīng)器溫差最大，為較苛刻工況;④⑥為活化－生產(chǎn)工況;⑦為開工工況，此時兩臺反應(yīng)器被跨出，表內(nèi)溫度為反應(yīng)器進(jìn)出口管道溫度。

表1 烴化反應(yīng)主要工況 (℃)

根據(jù)工藝流程的特點(diǎn)，管道設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮:

(1)反應(yīng)器一開一備，為溫度交變工況，應(yīng)增加管道的柔性，避免管道二次應(yīng)力過大以及設(shè)備管嘴受力過大。

(2)當(dāng)催化劑活性降低，兩臺反應(yīng)器切換操作時，應(yīng)避免和減少苯的排放。

2 反應(yīng)區(qū)設(shè)備概述

反應(yīng)區(qū)主要設(shè)備為烴化反應(yīng)器和反烴化反應(yīng)器。烴化反應(yīng)器本體材質(zhì)為15CrMoR，總高度約為19 m;反應(yīng)器設(shè)有五個固定床層，床層間高差為1.78 m，每個床層設(shè)有對應(yīng)的人孔、卸料孔，反應(yīng)器底部單獨(dú)設(shè)有一個人孔;反應(yīng)器頂部為循環(huán)苯入口，中部有四路催化干氣入口和三路冷苯入口，底部為反應(yīng)產(chǎn)物出口。

3 反應(yīng)區(qū)構(gòu)架概述

三臺反應(yīng)器都布置在反應(yīng)構(gòu)架內(nèi)，構(gòu)架設(shè)計(jì)主要考慮兩臺烴化反應(yīng)器的布置。布置反應(yīng)構(gòu)架平臺時:首先應(yīng)根據(jù)人孔和卸料孔標(biāo)高初步確定反應(yīng)器裙座標(biāo)高和構(gòu)架平臺標(biāo)高;其次綜合考慮各路進(jìn)料管嘴等因素;最終確定反應(yīng)器裙座標(biāo)高和構(gòu)架各層平臺標(biāo)高。

構(gòu)架可以分為管道側(cè)和檢修側(cè):管道側(cè)靠近管橋，布置連接管橋的管道，調(diào)節(jié)閥組也布置在此側(cè);在檢修側(cè)盡量不布置管道，以方便裝卸催化劑。按《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50160要求，長度超過15 m的甲類構(gòu)架平臺，應(yīng)設(shè)置不少于2個通往地面的梯子。

4 反應(yīng)區(qū)管道設(shè)計(jì)

根據(jù)《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》SH 3059確定與反應(yīng)器相連管道分級為SHA級，管道的設(shè)計(jì)壓力為0.93 MPa，設(shè)計(jì)溫度為520℃，主要工藝介質(zhì)是催化裂化干氣 (脫硫后)、苯、乙苯，從而確定管道材質(zhì)為15CrMo，法蘭公稱壓力不宜低于5.0 MPa。

反應(yīng)區(qū)的管道主要分為三部分:①反應(yīng)器底反應(yīng)產(chǎn)物出口管道 (DN500，SCH20);②反應(yīng)器中部三路冷苯入口 (DN80，SCH40)和四路催化干氣入口 (DN150，SCH40)管道;③ 反應(yīng)器頂部自加熱爐來的循環(huán)苯進(jìn)料管道 (DN300，SCH40)以及與其相關(guān)的管道。

4.1 反應(yīng)器底反應(yīng)產(chǎn)物出口管道的設(shè)計(jì)

反應(yīng)器底反應(yīng)產(chǎn)物出口管道自反應(yīng)器至反應(yīng)產(chǎn)物－循環(huán)苯換熱器走向宜“步步低”。靠近設(shè)備嘴子附近管道應(yīng)設(shè)置彈簧支架，管底應(yīng)留有安裝支架的空間;工藝流程采用雙閘閥加8字盲板切換兩臺反應(yīng)器，8字盲板附近不宜設(shè)置彈簧支吊架。

規(guī)劃反應(yīng)產(chǎn)物出口管道布置 (方案一)見圖1。

圖1 反應(yīng)產(chǎn)物出口管道布置 (方案一)

經(jīng)過應(yīng)力分析，結(jié)果如下:

常規(guī)工況:工況①時，A－B－C為370℃，D－E為20℃，B－D取195℃;工況③時，A－BD－E為370℃，B－C為20℃。B點(diǎn) (三通點(diǎn))二次應(yīng)力超標(biāo)。

苛刻工況:工況②時，A－B－C為20℃，D－E為520℃，B－D取270℃;工況⑤時，B－C為520℃，A－D－E為20℃。B點(diǎn) (三通點(diǎn))二次應(yīng)力超標(biāo)。

管道布置圖1中管道的二次應(yīng)力沒有通過。分析原因:矛盾集中在兩臺反應(yīng)器一冷一熱帶來設(shè)備管嘴處垂直熱脹位移差和南北向管道一冷一熱帶來的南北向熱脹位移差。經(jīng)過分析，重新規(guī)劃出反應(yīng)產(chǎn)物出口管道布置 (方案二)見圖2。

適當(dāng)增加兩臺反應(yīng)器出口管道南北長度，可以削減溫度交變帶來的對三通點(diǎn)的作用力;反應(yīng)器出口管道改為在中部匯合，增加一段“L”形管道，以增加三通匯合點(diǎn)至換熱器之間管系的柔性。重新校核管道二次應(yīng)力，通過。然后適當(dāng)調(diào)整支吊架位置使反應(yīng)器管口受力達(dá)到要求。

4.2 反應(yīng)器中部管道的設(shè)計(jì)

工藝流程中反應(yīng)器R101 A和R101 B同一高度床層各路進(jìn)料共用一組調(diào)節(jié)閥組，在調(diào)節(jié)閥組后再分兩路進(jìn)R101 A和R101 B。在兩臺反應(yīng)器切換的狀態(tài)下，由于溫度交變的影響，增加反應(yīng)器中部管道系統(tǒng)的柔性，減少切換反應(yīng)器時管道系統(tǒng)中苯的殘留，確保殘留苯的安全排放，在管道設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。

圖2 反應(yīng)產(chǎn)物出口管道布置 (方案二)

反應(yīng)構(gòu)架上布置的調(diào)節(jié)閥組較多，宜成排布置，便于操作和檢修。反應(yīng)器的抽出管嘴離結(jié)構(gòu)平臺很近，可以把嘴子和對應(yīng)進(jìn)料閥組分層布置，閥組布置在下層，進(jìn)料線經(jīng)過閥組后分兩路后穿平臺進(jìn)兩臺反應(yīng)器。這樣解決了閥組布置空間不足的問題，而且管道可以“步步高”進(jìn)反應(yīng)器，更重要的是增加了管道的柔性。另外需要注意的是管道和閥組的布置不應(yīng)影響反應(yīng)器熱電偶套管抽出檢修。

4.3 反應(yīng)器頂部管道的設(shè)計(jì)

反應(yīng)器頂部解決溫度交變帶來的對管道的牽掣，仍是管道設(shè)計(jì)需要解決的主要問題。反應(yīng)器頂部主要有循環(huán)苯加熱爐進(jìn)料線、催化劑的活化線、安全閥線、開工加熱線、進(jìn)出口跨線，見圖3。

圖3 反應(yīng)器頂部管道布置圖

4.3.1 加熱爐進(jìn)料線

加熱爐進(jìn)料線從循環(huán)苯加熱爐出口到反應(yīng)器宜做到“步步高”，防止開工初期出現(xiàn)的氣液兩相流對管道的沖擊。在循環(huán)苯加熱爐前管橋的合適位置設(shè)置一個固定支架，這樣可以把反應(yīng)部分和加熱爐部分比較復(fù)雜的管道分開為兩個相對獨(dú)立的系統(tǒng)。進(jìn)料線從反應(yīng)器進(jìn)料入口處就考慮管道的自然補(bǔ)償，增加管道柔性，減少溫度交變對相連管道的影響。從加熱爐進(jìn)料線引出開工加熱線，開工反應(yīng)器跨線，考慮到切換操作的方便，三條管道的切斷閥宜靠近布置。

4.3.2 電加熱器的活化線

活化溫度520℃，活化的時間相對較短，為1～2天，此后活化管道保持常溫。在設(shè)計(jì)中這可以看作一個相對單獨(dú)的系統(tǒng)，在與加熱爐進(jìn)料線連接時應(yīng)增加其柔性，減少與進(jìn)料線牽掣。

4.3.3 安全閥線

安全閥布置的原則是應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備。安全閥進(jìn)出口管道需要設(shè)置恒力彈簧支架，并且應(yīng)在管道的合適位置設(shè)置抗安全閥排放氣反力阻尼器。設(shè)備本體的熱膨脹量大，兩路安全閥出口管道不宜在構(gòu)架內(nèi)匯合，應(yīng)沿反應(yīng)構(gòu)架外側(cè)下降后分別匯至管橋火炬總管。

4.3.4 電加熱器的開工加熱線

開工加熱線與活化線相似，設(shè)計(jì)思路參考電加熱器的活化線。

4.3.5 進(jìn)出口跨線

進(jìn)出口跨線連接反應(yīng)器入口和出口管道，高差14 m左右，管道不宜上下直接相連，應(yīng)該利用管道的自然走向，合理布置，適當(dāng)增加水平段長度以增加管道的柔性，還可以考慮給跨線伴熱，這樣可以減低跨線與主管連接處的應(yīng)力值。

最后，構(gòu)架頂層管道設(shè)置了大量恒力彈簧，如果構(gòu)架層頂有足夠的空間，在設(shè)計(jì)時應(yīng)該考慮管道和閥門“繞離”反應(yīng)器。如果管道系統(tǒng)存在零位移點(diǎn)，在此處設(shè)置固定支架，避免整個系統(tǒng)“浮”在構(gòu)架上，以增加整個管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 反應(yīng)區(qū)輔助管道的設(shè)計(jì)

按《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求，各層平臺應(yīng)設(shè)置消防蒸汽接口;構(gòu)架高度超過15 m，應(yīng)設(shè)置消防豎管，消防豎管應(yīng)設(shè)置在構(gòu)架靠近檢修側(cè)的一邊，按各層需要設(shè)置帶球閥的管牙接口或消防箱。

構(gòu)架設(shè)置兩根密閉排放總管，構(gòu)架上管道的所有排凝按工藝流程要求分別接入密閉排放總管和含油污水總管再引至地面集中排放。

5 結(jié)語

乙苯裝置反應(yīng)區(qū)是整個裝置的核心區(qū)，不僅需要管道設(shè)計(jì)人具備扎實(shí)的管道材料、管道應(yīng)力和管道布置知識，還需要對裝置的工藝流程有深入了解，要充分考慮不同操作工況對管道設(shè)計(jì)的影響，合理布置管道，滿足相關(guān)管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滿足工藝、環(huán)保要求，方便工人操作檢修，從而保證裝置安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

1 張德姜，王懷義，劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊 第一篇 設(shè)計(jì)與計(jì)算 (第四版)［M］.北京:中國石化出版社，2009:85－86.

2 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布.全國壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材［M］.北京:中國石化出版社，2009.357.

3 GB 50160－2008.石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范 ［S］.

4 GB/T 20801－2008.壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道［S］.

5 SH/T 3059－2012.石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范 ［S］.