丙烷/異丁烷脫氫裝置反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱管道設(shè)計(jì)

程瀝軍

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司 配管室，河南 洛陽(yáng) 471000)

丙烯，異丁烯作為重要的石油化工中間體，主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丙酮、丁醇、丙烯腈、聚異丁烯、MTBE、丁基橡膠及有機(jī)玻璃等化工產(chǎn)品的重要原料。近年來(lái)隨著聚丙烯聚異丁烯等下游產(chǎn)品需求的快速增長(zhǎng)，以丙烷/異丁烷為原料，通過(guò)氧化制丙烯和異丁烯這一工藝路徑逐漸受到了人們的重視[1]。

反應(yīng)產(chǎn)物換熱是丙烷/異丁烷脫氫裝置高溫管道的最后一環(huán)，反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)換熱器和反應(yīng)進(jìn)料換熱后，操作溫度從475℃降至148.3℃，管道材料也從合金鋼降至碳鋼。然后通過(guò)產(chǎn)品氣壓縮機(jī)送至后續(xù)烯烴分離設(shè)備。本文結(jié)合LUMMUS工藝流程的特點(diǎn)，針對(duì)大連恒力130萬(wàn)t/aC3/IC4脫氫裝置，對(duì)反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

如圖1所示，反應(yīng)進(jìn)料分兩路，第一路丙烷C3進(jìn)料從冷箱來(lái)，通過(guò)E-1002A/B/C殼程和反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)入加熱爐，另一路異丁烷C4進(jìn)料從C4氣化罐來(lái)，通過(guò)E-1012A/B/C殼程和反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)入加熱爐。反應(yīng)產(chǎn)物則只有一路，從蒸汽發(fā)生器來(lái)，通過(guò)E-1012A/B/C，E-1002A/B/C管程和反應(yīng)進(jìn)料換熱后，進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器。

圖1 丙烷/異丁烷脫氫反應(yīng)產(chǎn)物/進(jìn)料換熱工藝流程簡(jiǎn)圖

2 設(shè)備布置

C3/IC4脫氫裝置反應(yīng)產(chǎn)物/進(jìn)料換熱設(shè)備的布置分為豎面布置和平面布置。豎面布置比較簡(jiǎn)單，主要考慮因素就是底部管程出口管道高出地坪，滿(mǎn)足做管道的支架和排凝凈空。然后根據(jù)換熱器的長(zhǎng)度和支耳位置確定設(shè)備的安裝高度，本文核算后，六臺(tái)換熱設(shè)備支耳安裝在相對(duì)標(biāo)高14.5m的構(gòu)架上。

平面布置主要考慮兩點(diǎn)：第一，管程入口管道比較大，主管道為DN2550，為滿(mǎn)足均勻進(jìn)料難以進(jìn)行對(duì)稱(chēng)布置，而是通過(guò)滿(mǎn)足流經(jīng)每個(gè)換熱器的路程長(zhǎng)度相同來(lái)均分，所以六個(gè)設(shè)備按一字排列；第二，根據(jù)C3加熱爐和C4加熱爐的相對(duì)位置，定位E-1002A/B/C和E-1012A/B/C，保證兩者的相對(duì)位置一致。管道和設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 丙烷/異丁烷脫氫反應(yīng)產(chǎn)物/進(jìn)料換熱管道布置簡(jiǎn)圖

3 管道設(shè)計(jì)

C3/IC4脫氫反應(yīng)產(chǎn)物/進(jìn)料管道有著特別的工況和設(shè)計(jì)要求：(1)管程進(jìn)出口管道比較大，主管道為DN2550，6個(gè)分支管 為DN1200；(2)存在間歇的真空工況，對(duì)于低壓大管道，真空工況對(duì)管道材質(zhì)壁厚的選取影響較大；(3)管程進(jìn)口和殼程出口操作溫度分別為475℃和430℃，管道熱脹比較大，需要充分考慮管道的熱脹補(bǔ)償問(wèn)題。

3.1 管道材料設(shè)計(jì)

管程入口管道和殼程出口管道溫度較高，選用P11合金鋼。管程出口管和殼程入口管道操作溫度較低，分別為148.3℃和40.9℃，選用A106B碳鋼。

管程出入口管道口徑大，按照內(nèi)壓管道的壁厚選取原則[2]，經(jīng)計(jì)算和適當(dāng)增加余量，壁厚20 mm就能滿(mǎn)足要求，但由于存在真空工況，對(duì)于低壓大管道，真空工況屬于最苛刻工況， 所以按照外壓容器相關(guān)設(shè)計(jì)要求[3]來(lái)計(jì)算壁厚。用石油化工靜設(shè)備計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)管道真空工況進(jìn)行受壓分析，并取適量余量后，管程入口合金鋼主管道壁厚取31.75 mm，6個(gè)分支管取15.88 mm。管程出口管道分支管比較短，真空工況受壓分析容易通過(guò)，比較長(zhǎng)的DN2550主管由于是碳鋼材料，焊接性能比較好，而且管道溫度低，采取管道外焊接加強(qiáng)圈的方式比較經(jīng)濟(jì)可靠。經(jīng)受壓分析，取20 mm的壁厚，最長(zhǎng)每隔15 m做一個(gè)外壓加強(qiáng)圈,可以滿(mǎn)足真空工況要求。

殼程管道口徑比較小，按照內(nèi)壓管道的壁厚選取原則，取適量余量后，也能滿(mǎn)足真空工況要求。

3.2 管道受力分析

合金鋼P(yáng)11在475℃下的單位線(xiàn)性膨脹系數(shù)為12 mm/m，利用自然補(bǔ)償很難滿(mǎn)足換熱器管嘴受力要求，且進(jìn)出口管徑較大，自然補(bǔ)償時(shí)管道占地面積較大，同時(shí)過(guò)多的轉(zhuǎn)彎也會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的壓降和溫降，因此不能只考慮自然補(bǔ)償，而需要考慮設(shè)置波紋管膨脹節(jié)的方法，以增加管系柔性。波紋管膨脹節(jié)是由金屬波紋管以及約束附件組成的柔性管道元件，其本身可以流通介質(zhì)，也允許較大變形，被接入管道后使整個(gè)管道成為易變形的彈性體，可以大幅度降低管道熱應(yīng)力。

管程入口主管有一段比較長(zhǎng)的東西走向直管，在東西方向的熱脹比較大，通過(guò)在中間設(shè)置止推支架，讓熱脹均分到兩端，西側(cè)的熱脹通過(guò)主管立管和水平管的2個(gè)膨脹節(jié)吸收，東側(cè)端的熱脹通過(guò)分支管水平管和立管上的3個(gè)膨脹節(jié)吸收，換熱器管程入口嘴子的受力小于設(shè)備嘴子允許受力值。管程出口由于溫度降低至148.3℃，而且材質(zhì)為熱脹率小的碳鋼，熱脹產(chǎn)生的二次應(yīng)力比較小，但由于管道比較大，而且設(shè)備嘴子受力比較苛刻，每個(gè)設(shè)備跟前的分支管仍需要設(shè)置一個(gè)膨脹節(jié)吸收熱位移，減少設(shè)備嘴子受力。

殼程出入口管道由于分支管比較小，所以熱位移可以通過(guò)改變管道走向，增加管道柔性來(lái)吸收。殼程入口溫度，材質(zhì)為碳鋼，熱脹比較小，直接按最簡(jiǎn)便的布置就能滿(mǎn)足吸收熱脹要求，每個(gè)嘴子的受力均小于設(shè)備嘴子允許受力值。需要注意的是，由于管道溫度低，管道水平位移比較小，但換熱器本身溫度比較高，且換熱器為細(xì)長(zhǎng)形，造成殼程入口嘴子相對(duì)支耳的垂直位移較大，所以離嘴子最近的管道稱(chēng)重支架需要設(shè)置成恒力彈簧支架。殼程出口由于換熱后溫度較高，熱位移量也比較大，所以通過(guò)改變管道走向設(shè)置π形補(bǔ)償器來(lái)吸收熱脹，主管同樣是在東西方向走向比較長(zhǎng)，通過(guò)在主管中間設(shè)置止推支架，管道向兩側(cè)熱脹，熱位移均分至東西兩側(cè)，西側(cè)通過(guò)一段水平管和立管來(lái)吸收，東側(cè)通過(guò)分支管的π形補(bǔ)償來(lái)吸收，同樣由于殼程出口嘴子相對(duì)設(shè)置支耳的垂直位移較大，所以殼程出口管道的第一個(gè)承重架需要設(shè)置成彈簧支架。

用應(yīng)力分析軟件CAESARII對(duì)上述管道進(jìn)行受力分析后，計(jì)算得到的管殼程嘴子受力值均小于換熱器廠家給出的嘴子允許受力值。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于C3/IC4脫氫反應(yīng)產(chǎn)物/進(jìn)料換熱管道設(shè)計(jì)，本文就其平面及豎面布置需要考慮的因素及應(yīng)對(duì)措施，提出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把握的原則；同時(shí)，對(duì)管殼程進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)，從材料選取、應(yīng)力分析、支吊架設(shè)計(jì)等幾方面，較為全面又選取重點(diǎn)地闡述了其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。對(duì)上述各方面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意各部分既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系，比如在做方案布置時(shí)，就要考慮應(yīng)力分析和支吊架的設(shè)計(jì)，綜合考慮以上各方面的因素，結(jié)合工藝流程要求，方可設(shè)計(jì)出即可靠又經(jīng)濟(jì)合理的工程方案。