CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

王紅云（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

王紅云
（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，以某裝置合成甲醇為例，對(duì)化工裝置中CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討，為同類裝置設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

變換爐；設(shè)備布置；配管設(shè)計(jì)

1　概述

近年來隨著煤氣化裝置的發(fā)展，新建、擴(kuò)建的煤氣化裝置越來越多，其配套的CO變換單元相應(yīng)的也越來越多。CO變換是甲醇、氨、尿素等化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要工段，該工段將CO變?yōu)橐子谇宄腃O2的同時(shí)，又制得了重要的化工原料H2。其基本原理是CO與水蒸氣在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成CO2和H2，同時(shí)釋放出大量熱量。反應(yīng)方程式如下：

在合成氨生產(chǎn)中，有效成分為H2、N2、CO，CO通常變換到0.3%以下，因此CO變換為合成氨原料氣的凈化過程，又是原料制氫過程的繼續(xù)。但對(duì)于合成甲醇生產(chǎn)而言，反應(yīng)氣有效成分為H2、CO，并要求二者之間有一定的比例關(guān)系，CO變換僅僅為部分變換。因此，CO變換是合成甲醇生產(chǎn)過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而變換爐作為合成甲醇裝置中CO變換單元的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)備布置和配管設(shè)計(jì)合理性對(duì)節(jié)省投資和裝置高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2　變換爐簡(jiǎn)介

變換爐有軸向變換爐和軸徑向變換爐。軸向變換爐由于氣體速度較大，為保證變換反應(yīng)，所需的催化劑裝填量較多，催化劑床層較高，催化劑顆粒較大，因此其活性較低，床層壓力降較大，通常用于低溫變換、預(yù)變換等絕熱升溫較小的情況；軸徑向變換爐的徑向氣流方式具有流體分布更均勻，床層壓力降小，催化劑利用率高的特點(diǎn)，因此可采用粒度更小、活性更高的催化劑提高變換反應(yīng)的效率。此外，軸徑向變換爐的徑向氣流方式還起到了冷卻設(shè)備殼體，使殼體在較低的溫度條件操作的作用，因此，軸徑向變換爐的應(yīng)用更為廣泛。某裝置就采用軸徑向變換爐，催化劑采用寬溫（耐硫）鈷鉬系催化劑，其變換爐為熱壁式反應(yīng)器，粗合成氣從頂部進(jìn)入，經(jīng)變換反應(yīng)后，從底部流出，粗合成氣進(jìn)口處設(shè)有分布器，出口處設(shè)有中心管。變換爐設(shè)有多只頂部插入式測(cè)溫儀，控制反應(yīng)溫度。變換爐底部設(shè)有催化劑卸料口，變換爐內(nèi)部的催化劑由耐火磁球支撐。

3　變換爐工藝流程

來自煤氣化裝置的粗合成氣進(jìn)入某裝置CO變換單元分為兩路，一路經(jīng)中低壓蒸汽發(fā)生器換熱、變換氣溶分離器氣溶分離，再經(jīng)變換爐中壓蒸汽過熱器加熱后，送入脫毒槽。脫毒槽用于阻擋煤粉塵、炭黑等固體雜質(zhì)及毒物，以保護(hù)后續(xù)的耐硫變換催化劑。脫毒后的粗合成氣進(jìn)入變換爐進(jìn)行CO變換反應(yīng)，離開變換爐的高溫變換氣回收熱量后，與另一路不參加變換反應(yīng)經(jīng)降溫回收熱量后的非變換氣混合，送入酸性氣體脫除單元，如圖1所示。

圖1　CO 變換單元變換爐工藝流程簡(jiǎn)圖

4　變換爐的布置

某裝置屬于甲類生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)過程中使用的原料、化學(xué)品及輔助原料大多數(shù)都屬于易燃、易爆、毒性物質(zhì)，氫氣、硫化氫、甲醇、甲烷等均屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì)，因此，火災(zāi)、爆炸等是本裝置的主要危險(xiǎn)，防火、防爆是裝置安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。CO變換單元變換爐的布置應(yīng)嚴(yán)格按《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他現(xiàn)行有效的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)然整個(gè)裝置的布置跟生產(chǎn)能力和占地大小有很大關(guān)系，變換爐的布置我們盡量減少占地，節(jié)省投資，當(dāng)然我們還應(yīng)充分滿足工藝流程和裝置平面布置的要求，因此在進(jìn)行CO變換單元變換爐的布置時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）根據(jù)生產(chǎn)過程需要，變換爐為高溫高壓設(shè)備并存在潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性，宜露天布置，可以防止有害氣體積聚并且節(jié)省投資；且宜布置在裝置的一端或一側(cè)并靠近消防通道，同時(shí)考慮布置在可燃?xì)怏w、溶化烴、甲B類溶體介質(zhì)設(shè)備的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。某裝置CO單元變換爐只有一臺(tái)，按工藝流程順序脫毒槽與變換爐中心線對(duì)齊布置在裝置的一側(cè)，如圖2所示。

圖2　CO變換單元變換爐的布置

2）變換爐的布置應(yīng)滿足操作和檢修的要求，一般將變換爐周圍空間分成兩個(gè)區(qū)域：操作區(qū)和配管區(qū)。某裝置CO變換單元將變換爐一側(cè)靠近框架，以便于變換爐進(jìn)出口管道、閥門和溫度壓力等儀表的敷設(shè)，另一側(cè)應(yīng)留出裝卸催化劑所需的場(chǎng)地和通道，方便催化劑的運(yùn)輸、堆放及裝卸，如圖2所示。

3）變換爐布置還應(yīng)滿足施工安裝的要求，考慮其施工可行性，提供必要的吊裝、運(yùn)輸或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝所需要的場(chǎng)地、空間和通道等。變換爐頂部應(yīng)設(shè)裝催化劑和檢修用的平臺(tái)以及吊運(yùn)機(jī)具，變換爐下部應(yīng)留出催化劑裝卸的空間。卸料口在變換爐正下方時(shí)，其安裝高度應(yīng)能使催化劑的運(yùn)輸車輛進(jìn)入變換爐下方，以便卸出廢催化劑，其凈空不宜小于3m；當(dāng)變換爐的卸料口伸出爐座外，且允許催化劑就地卸出時(shí)，為了催化劑卸料方便，卸料口離地面凈空高度不宜低于1.2m。在確定變換爐裙座高度時(shí)除了考慮催化劑的裝卸外，還要注意催化劑結(jié)塊需要粉碎、過篩操作的高度。

4）變換爐的平臺(tái)設(shè)置應(yīng)與變換爐的布置統(tǒng)一考慮，平臺(tái)應(yīng)同時(shí)滿足檢修、操作和配管的需要。如果變換爐或相同設(shè)備是兩個(gè)及以上，宜按中心線對(duì)齊成排布置并且基礎(chǔ)面標(biāo)高宜保持一致，這樣有利于考慮盡可能地把設(shè)備平臺(tái)做成聯(lián)合平臺(tái)以便節(jié)省投資。在確定變換爐中間幾層平臺(tái)的高度時(shí)，每一層平臺(tái)都應(yīng)滿足變換爐熱電偶溫度計(jì)（溫度計(jì)在側(cè)壁安裝時(shí)）的安裝和檢修要求，在確定變換爐頂平臺(tái)高度及開孔大小時(shí)，應(yīng)滿足變換爐裝填催化劑的操作要求，一般要求催化劑的加料點(diǎn)距離平臺(tái)為0.8-1m，如圖3所示。

圖3　CO變換單元變換爐成排布置

5　變換爐的管口方位

變換爐主要管口有進(jìn)出工藝氣口、人孔、催化劑裝卸口、熱電偶溫度計(jì)口等以及吊柱和吊耳。變換爐頂部需要設(shè)置人孔，用于催化劑的裝填和內(nèi)件的檢修，人孔大小一般為DN500～600，人孔宜布置在催化劑裝卸區(qū)一側(cè)，變換爐底部需要設(shè)置催化劑卸料口，在催化劑老化失活時(shí)將其卸出，催化劑卸料口應(yīng)朝向檢修側(cè)或空曠地帶，以便于卸催化劑。卸料口處可不設(shè)操作平臺(tái)，如果設(shè)置操作平臺(tái)，卸料口下方的平臺(tái)應(yīng)設(shè)置成可開啟的。變換爐熱電偶溫度計(jì)常見的安裝方式有徑向安裝和軸向安裝兩種。徑向安裝是在變換爐側(cè)壁開口，熱電偶從側(cè)面插入變換爐，軸向安裝是在變換爐頂部開口，熱電偶從頂部插入變換爐。變換爐溫度計(jì)采用徑向安裝時(shí)，通常需要設(shè)置多組溫度計(jì)才能滿足變換爐溫度檢測(cè)要求，相應(yīng)的需要在變換爐側(cè)面設(shè)置多層平臺(tái)才能滿足溫度計(jì)的安裝和日常檢維修要求。變換爐溫度計(jì)采用軸向安裝時(shí)，只需要在變換爐頂部設(shè)置平臺(tái)就能滿足溫度計(jì)的安裝和檢修要求。綜上所述，在確定溫度計(jì)的管口方位時(shí)，一定要根據(jù)變換爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求設(shè)計(jì)管口方位，以某裝置溫度計(jì)采用軸向安裝為例，工藝要求以120°分布，如圖4所示。

6　變換爐的管道設(shè)計(jì)

通常CO變換單元的管道溫度和壓力較高，管道壁厚和口徑較大，因此在進(jìn)行配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)敷設(shè)在靠近框架的配管區(qū)，避免法蘭、閥門等位于操作通道上方，以免對(duì)人身造成危害。變換爐進(jìn)出口管道溫度和壓力較高，壁厚和口徑較大，特別是出口管道，因此管道敷設(shè)除滿足閥門易操作和檢修外，還應(yīng)做到配管時(shí)管道有足夠的柔性，當(dāng)進(jìn)行柔性分析時(shí)應(yīng)首先通過調(diào)整支架的形式和位置來降低管道對(duì)設(shè)備管口的推力和力矩，仍無法滿足要求時(shí)再考慮改變管道走向和增加自然補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫档驮O(shè)備管口的推力及力矩。因?yàn)樽儞Q爐進(jìn)出口管道高溫、高壓且管徑和壁厚較大，則管道材料等級(jí)較高，價(jià)格昂貴，為減少管道材料和節(jié)省投資，應(yīng)在滿足工藝要求的情況下，在管道及變換爐的允許受力范圍內(nèi)，使管道最短，管件最少做到經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約成本。

圖4　CO變換單元變換爐管口方位示意

2）管道布置應(yīng)避開變換爐催化劑的裝卸區(qū)和操作區(qū)。如果變換爐頂部有可拆卸的頂蓋，并且頂蓋上有管道相連時(shí)，該連接管道應(yīng)設(shè)置可拆卸的管段，與可拆段相連的管道應(yīng)有永久的管道支架，使拆卸段拆除后不必增設(shè)臨時(shí)支架，并且平臺(tái)上給出放置頂蓋的位置并可承受檢修的荷載。

3）由于CO變換流程及布置的影響，變換氣管道主要在變換爐和換熱器以及氣溶分離器與換熱器之間來回穿行，通常換熱器布置在中間框架上，而變換爐和氣溶分離器分布在框架兩側(cè)，這就造成了變換爐和氣溶分離器與換熱器之間進(jìn)出的管道直線距離較長(zhǎng)。為了增加管道柔性，在配管設(shè)計(jì)時(shí)就要避免這些管道在平面上直線連接，而要通過走立面U形或Π形來增加管道的柔性。

4）變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)盡早地進(jìn)行應(yīng)力分析，這樣有利于對(duì)于推力及力矩較大的管口及時(shí)地向設(shè)備專業(yè)提出管口受力要求，由設(shè)備專業(yè)核算管口受力要求后，對(duì)不能滿足受力要求的設(shè)備管口局部加以補(bǔ)強(qiáng)以提高管口受力。變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)力計(jì)算后通常支撐點(diǎn)受力都比較大，管道敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡量靠近構(gòu)建筑物的梁柱以便管道支吊架的生根點(diǎn)生根在梁柱上，同時(shí)應(yīng)留出足夠的空間以免管道系統(tǒng)產(chǎn)生的熱位移與框架的梁柱及斜撐相碰。

5）變換爐進(jìn)出口變換管道上所有開工循環(huán)硫化管線、去工藝火炬的管線和氮?dú)饨尤牍芫€上閥門應(yīng)靠近主管配，閥門不能比主管道低，支管嚴(yán)禁從主管下方接入，而且支管走向不能有袋型，否則容易積溶，如圖5所示。

圖5　循環(huán)硫化管線等接入變換管線配管示意

7　結(jié)語(yǔ)

變換爐是CO變換單元重要設(shè)備，其布置的合理與否與整個(gè)裝置工藝設(shè)計(jì)密切相關(guān)，對(duì)生產(chǎn)的安全性及投資都有著重要的影響。在做布置之前，要充分了解變換爐設(shè)備設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，如設(shè)計(jì)的壓力、溫度、大小及介質(zhì)特性等。對(duì)其管道布置設(shè)計(jì)時(shí)要充分解讀P&ID，這樣才能更安全、經(jīng)濟(jì)、美觀地做好相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

[1] SH3011-2011，石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] SH3012-2011，石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[4] 田旭，曹志斌，汪旭紅.變換反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)展[J].大氮肥，2012，（1）.

Discussion on Layout and Piping Design Elements CO Conversion Means Furnace

Wang Hong-yun

Engineering experience to a methanol synthesis apparatus example，the chemical plant in CO conversion means furnace layout and piping design elements to explore，serving as a reference for the design of similar devices.

conversion furnace；equipment layout；piping design

TE665.3

A

1003-6490（2016）03-0106-03

2016-03-13

王紅云（1981—），女，浙江寧波人，工程師，主要從事石油化工工藝配管設(shè)計(jì)工作。