馬來酸酐裝置中管道外伴熱的選擇和優(yōu)化

陶慶齡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

馬來酸酐裝置中管道外伴熱的選擇和優(yōu)化

陶慶齡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

正丁烷氧化制馬來酸酐裝置中，因為部分原料及產(chǎn)物熔點高，需要使用大量的夾套管伴熱和管道纏繞外伴熱，以滿足工藝要求。結(jié)合正丁烷氧化制馬來酸酐項目中遇到的伴熱問題，研究了夾套管形式的選擇、夾套管伴熱介質(zhì)的選取、夾套管檢修配管設(shè)計優(yōu)化和管道纏繞外伴熱蒸汽分配不均等問題。

熔鹽；馬來酸酐；易結(jié)晶；全夾套管伴熱：半夾套管伴熱；外管纏繞伴熱

馬來酸酐作為生產(chǎn)1，4丁二醇（BDO）的中間產(chǎn)品，市場需求巨大。正丁烷氧化法制馬來酸酐（順丁烯二酸酐，MAH），由于其投資低、三廢量少、反應(yīng)條件溫和以及節(jié)能效果好等諸多優(yōu)點，被越來越多的化工企業(yè)采用。正丁烷氧化法制馬來酸酐生產(chǎn)過程中引入三元熔鹽（HITEC Salt）作為反應(yīng)器冷卻劑，該熔鹽具有毒性高、熔點高、易結(jié)晶的特點。管道輸送熔鹽過程中熔鹽溫度必須保持熔融狀態(tài)，否則，熔鹽易凝結(jié)甚至結(jié)晶堵塞管道。反應(yīng)產(chǎn)物馬來酸酐熔點高于50 ℃，遇水易生成高熔點的順丁烯二酸，從而堵塞管道。在配管設(shè)計過程中，為保持管道中的熔鹽和馬來酸酐的溫度，需選用管道外伴熱的方式。

馬來酸酐和熔鹽的熔點分別達到52.8 ℃和165 ℃，采用普通外管伴熱不能很好地滿足工藝的溫度要求，因此采用夾套伴熱。在采用全夾套還是半夾套伴熱以及對應(yīng)的伴熱蒸汽選取上，根據(jù)馬來酸酐和熔鹽的物性，選取時發(fā)現(xiàn)很多問題。同時，為了控制成本，該項目對小管徑馬來酸酐管道的伴熱形式也進行了優(yōu)化。

1　熔鹽管道的夾套伴熱

相較于外管伴熱，夾套伴熱因自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給設(shè)計和施工都帶來了很多問題。但對于伴熱要求高的介質(zhì)，為了保證裝置的高效運行仍選取夾套伴熱。在正丁烷氧化法制馬來酸酐裝置中，熔鹽和馬來酸酐對伴熱要求高，采用夾套伴熱能更好的滿足工藝要求。

1.1夾套管伴熱型式的選擇

熔鹽凝固點高于100 ℃，根據(jù)SH/T 3040—2012 中5.2.1（c）應(yīng)選用內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管（全夾套）伴熱，管道上的閥門、法蘭、過濾器等應(yīng)為夾套型［1］。同時，因為熔鹽具有高毒性（含有亞硝酸鈉），根據(jù)SH/T 3040—2012中5.2.5，輸送有毒介質(zhì)且需夾套管伴熱的管道應(yīng)選用內(nèi)管焊縫外露型夾套管（半夾套）伴熱［1］。在此工藝條件下，選擇半夾套還是全夾套存在矛盾。

如圖1所示，為半夾套和全夾套法蘭伴熱結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)半夾套和全夾套的法蘭伴熱結(jié)構(gòu)特征，全夾套內(nèi)管全部包裹在外管內(nèi)部，伴熱效果更好；半夾套有部分內(nèi)管裸露在空氣中，伴熱效果不如全夾套，但其管道焊縫沒有包裹在外管中，有利于檢修管口和對管焊縫泄漏漏的及時排查。正因為如此，半夾套又稱為內(nèi)管焊縫外露型連接，全夾套被稱為內(nèi)管焊縫隱蔽型連接。

從安全生產(chǎn)角度考慮，采用全夾套伴熱存在有毒的熔鹽介質(zhì)泄漏到外管蒸汽中的隱患。蒸汽是全廠性的，系統(tǒng)蒸汽管道上相應(yīng)有很多泄放口，因此熔鹽泄漏到蒸汽系統(tǒng)中極易造成人員中毒；工藝要求整根管道的熔鹽介質(zhì)溫度恒定在165 ℃，從這個角度考慮，如果采用半夾套伴熱，則會有一部分管道直接與環(huán)境空氣相接觸，這部分的內(nèi)管介質(zhì)溫度可能達不到工藝的溫度要求；從節(jié)能減排角度考慮，采用半夾套伴熱由于部分內(nèi)管直接與空氣接觸，要達到相同伴熱效果就需要更多的蒸汽，不利于節(jié)能；從熔鹽在裝置中的作用角度考慮，熔鹽在整個工藝路線上為反應(yīng)器冷卻劑，以帶走反應(yīng)器熱量。一旦熔鹽溫度低于165 ℃，不在熔融狀態(tài)，發(fā)生凝結(jié)堵塞管道，反應(yīng)器的熱量不能及時地被帶走，反應(yīng)器熱量被大量積累，所帶來的后果不堪設(shè)想。為了保證熔鹽在管道中的流動性，我們在設(shè)計中將熔鹽管道設(shè)置成1/100的大坡度管。因此，保證熔鹽在整個系統(tǒng)的流動性非常重要。綜上，該項目熔鹽伴熱選取全夾套伴熱以更好得保證熔鹽在管道中的流動性。同時，為了避免由于熔鹽泄漏帶來的中毒危險，在反應(yīng)器底部以及熔鹽易發(fā)生泄漏的關(guān)鍵位置增加熔鹽泄漏探測器。夾套伴熱用蒸汽管線在關(guān)鍵位置增加切斷盲板。一旦探測器報警，立即采取相應(yīng)的措施。

圖1　全夾套和半夾套伴熱法蘭結(jié)構(gòu)［1］Fig.1 The structure of full jacket and half jacket

1.2夾套管伴熱介質(zhì)溫度的選取

伴熱介質(zhì)溫度的選取宜符合下列要求：

（1）伴熱管的伴熱介質(zhì)溫度宜高于被伴熱介質(zhì)溫度30 ℃以上，當采用導(dǎo)熱膠泥時宜高于被伴介質(zhì)溫度10 ℃以上；

（2）夾套管的伴熱介質(zhì)溫度可等于或高于被伴介質(zhì)溫度，但溫差不宜超過50 ℃；

（3）對于控制溫降或最終溫度的夾套管伴熱的管道，伴熱介質(zhì)的溫度應(yīng)根據(jù)被伴介質(zhì)的凝固點或最終溫度要求確定［1］。

該項目所提供的公用工程參數(shù)見表1。熔鹽熔點溫度為165 ℃，對于需伴熱的介質(zhì)熔鹽來說，選取操作溫度高于熔鹽熔點溫度的中壓蒸汽做為伴熱介質(zhì)為宜。但規(guī)范條文指出夾套管的伴熱介質(zhì)溫度可以等于或高于被伴熱介質(zhì)溫度，但溫差不宜超過50 ℃。同時對于夾套伴熱，當伴熱介質(zhì)的溫度遠高于被伴熱介質(zhì)溫度，此時夾套管端部應(yīng)力非常集中，嚴重時會直接造成管道破壞［2］。此時，選用低壓蒸汽作為伴熱介質(zhì)降低被伴熱介質(zhì)與伴熱介質(zhì)的溫度差，可以達到降低夾套管端部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的目的。但低壓蒸汽操作溫度為150 ℃，低于熔鹽的熔點溫度，不能起到伴熱作用，保證熔鹽處于熔融狀態(tài)。所以我們選取中壓蒸汽作為伴熱介質(zhì)。采用中壓蒸汽伴熱后，其內(nèi)外管溫差為57 ℃，因此對于其應(yīng)力計算及校核尤為重要。由于夾套管的特殊性，其熱應(yīng)力分析應(yīng)將夾套管理想化為中心線重合的2條管線，分別在法蘭、管帽以及擋板處相連接，同時還需考慮導(dǎo)向板。外管壓力采用夾套伴熱介質(zhì)壓力即可，內(nèi)管壓力為內(nèi)外管介質(zhì)壓力差［3］。設(shè)計過程中，遇到內(nèi)外管應(yīng)力差別大時，優(yōu)先考慮自然補償，自然補償不能滿足應(yīng)力要求的情況下適當設(shè)置∏型補償器。

表1　伴熱蒸汽參數(shù)Tab.1 The parameters of tracing steam

1.3夾套管伴熱的優(yōu)化

對于熔鹽管道夾套管伴熱而言，采用全夾套伴熱和大坡度管設(shè)計后，熔鹽管道的流動性得到了極大的提高。為了進一步保證項目的安全平穩(wěn)運行，還必須考慮到檢修的便捷性。SH/T 3040—2011中為了保證夾套管檢修方便以及降低應(yīng)力集中，規(guī)定每隔6 m須設(shè)計拆卸法蘭，相應(yīng)的需要設(shè)計伴熱跨接管。該規(guī)定在直管段非常容易設(shè)計，但在彎頭處不適宜。同時，彎頭處管道阻力相較于直管段阻力更大，介質(zhì)也更易堵塞。為了保證夾套管的易檢修性，設(shè)計時，將彎頭改用三通，并在三通處加盲法蘭，如圖2所示，這樣一旦管道出現(xiàn)堵塞可以快速檢修，極大的降低運行風險。

2　馬來酸酐的伴熱設(shè)計

馬來酸酐熔點溫度為52.8 ℃，相對于熔鹽而言，其熔點要低。同時，需要考慮其特殊的理化性質(zhì)，特別是與水的反應(yīng)問題。在保證其理化物性的前提下，如何使工程最大經(jīng)濟化，也是需要關(guān)注的問題。

2.1夾套管伴熱型式的選擇

馬來酸酐熔點介于50 ℃到100 ℃，根據(jù)SH/T 3040—2012中5.2.1（b）應(yīng)選取夾套管伴熱。馬來酸酐遇水易生成高熔點的順丁烯二酸，堵塞管道。因此采用半夾套伴熱可以避免因介質(zhì)泄漏與夾套中的蒸汽凝水接觸反應(yīng)生成高熔點順丁烯二酸而造成外管管道堵塞。所以馬來酸酐管線采用半夾套伴熱。

圖2　三通檢修側(cè)加盲法蘭夾套管示意Fig.2 The sketch of tee joint for overhauling

2.2小管徑馬來酸酐的纏繞伴熱

對于管徑較小的馬來酸酐管道，采用夾套伴熱成本高，而采用外管直管伴熱易導(dǎo)致伴熱不均勻。為了更好的合理利用資源，綜合考慮，小管徑的馬來酸酐管線采用外管纏繞在被伴熱管道上。該項目中，對于管徑小于DN150的馬來酸酐管道，統(tǒng)一采用外管纏繞伴熱。

為了保證伴熱效果，外伴熱管緊密纏繞在內(nèi)管上。對于纏繞伴熱，管道的有效伴熱長度為纏繞伴熱管道的展開長度，而不是被伴熱管道的被伴長度。相比于外管直管伴熱，在同樣的有效伴熱長度下，緊密纏繞伴熱方式其被伴管的被伴長度大大縮短。導(dǎo)致蒸汽主管上會密集地引出伴熱管道去伴熱管道。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，蒸汽主管上密集引出支管，往往會出現(xiàn)蒸汽主管初始端引出的蒸汽其蒸汽量充足，而末端引出的蒸汽其蒸汽量供給不足的情況。這主要是由于蒸汽主管密集的引出支管，導(dǎo)致蒸汽主管壓降迅速增大，前后段壓力不均勻直接導(dǎo)致蒸汽量分配不均勻。

為了解決這一問題，該項目在設(shè)計過程中在引出的每根蒸汽伴熱管道的根部加一個限流孔板，嚴格控制引出的每一根伴熱管道的蒸汽流量。從而保證伴熱蒸汽的均勻供給。在設(shè)計時限流孔板須放置在高點，否則，凝結(jié)水會影響限流孔板的限流作用。

3　結(jié)束語

在石油化工裝置生產(chǎn)過程中，許多管道需要維持一定的溫度，以保持裝置的正常運行及檢修。伴熱作為一種保溫手段被廣泛運用。其中，夾套伴熱和伴管纏繞伴熱，是設(shè)計和施工時的重點。由于自身的復(fù)雜性，如果在施工過程中在對夾套管和纏繞伴管修改，就會造成很大經(jīng)濟損失，也會耽誤工期。本文結(jié)合馬來酸酐項目中遇到的伴熱問題，重點討論了熔鹽管道和馬來酸酐管道伴熱過程中夾套管形式的選取、夾套管伴熱介質(zhì)溫度的選擇和管內(nèi)介質(zhì)易結(jié)晶堵塞管道而優(yōu)化配管設(shè)計。同時，從工程建設(shè)經(jīng)濟性角度和工藝要求角度深入分析了馬來酸酐不同管徑管道選取不同伴熱形式的問題。對于DN150以上的采用半夾套夾套伴熱，對于DN150及以下采用外伴管纏繞內(nèi)管伴熱。通過對設(shè)計不斷的優(yōu)化，最終保證了該項目平穩(wěn)運行。

［1］SH/T3040-2012 石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］張曉東.淺談萘法制苯酐項目中蒸汽夾套管的配管設(shè)計［J］.上?；?2014，39（9）：31-33.

［3］劉敏，胡雄.熱水夾套的配管設(shè)計與管件選用原則［J］.管道技術(shù)與設(shè)備.2011，4：30-32.

Selection and Optimization of External Heating for Piping Used in Maleic Anhydride Plant

Tao Qingling
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200120）

Steam jackets and warp round tracing are widely used so as to satisfy the process requirement for the equipment to prepare maleic anhydride from butane. In this paper， combined with preparation of maleic anhydride from butane， the problems encountered，including the selection of jackets type， the selection of tracing steam， the optimization of jackets maintenance and the nonuniform distribution of steam in warp round tracing， were analyzed and studied.

HITEC salt； MAH； crystallization； steam jacket； wrap round tracing

TQ 025

A

2095-817X（2016）03-0045-003

2016-03-17

陶慶齡（1971—），女，工程師，主要從事石油化工配管工程設(shè)計。