聚丙烯裝置丙烯凈化工序設(shè)備布置及配管設(shè)計(jì)

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 湖北 430223)

UNIPOL工藝采用氣相流化床催化生產(chǎn)聚丙烯，是目前應(yīng)用最廣泛的聚丙烯工業(yè)化工藝。原料丙烯中攜帶的硫(COS、H2S等)、H2O、As、P、CO、CH4和不飽和烴等雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響催化劑和助催化劑的活性和選擇性，因此，必須在丙烯聚合反應(yīng)前設(shè)置凈化單元，降低雜質(zhì)的含量[1]。

吸附是多孔固體表面選擇性吸著氣體和液體的物理現(xiàn)象，是一種常見的傳質(zhì)分離方法[2]。吸附劑吸附飽和后可采用降壓或高溫再生后重復(fù)使用，兩個(gè)吸附床層交替進(jìn)行吸附-再生循環(huán)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸附分離操作。

丙烯凈化通常采用多臺(tái)立式固定床設(shè)備裝填多種固體吸附劑和催化劑，直接吸附雜質(zhì)或者將雜質(zhì)催化反應(yīng)成易于分離的物質(zhì)，達(dá)到逐步、逐級(jí)脫除原料丙烯中多種雜質(zhì)的目的。

本文通過某UNIPOL工藝聚丙烯項(xiàng)目工程實(shí)例，在實(shí)現(xiàn)工藝性能、滿足安全生產(chǎn)、方便安裝操作檢修要求的前提下，總結(jié)了丙烯凈化工序立式固定床設(shè)備組布置和并聯(lián)設(shè)備多操作工況配管設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工藝流程

本項(xiàng)目丙烯凈化工藝流程見圖1，脫氣塔為板式塔，精餾出塔頂?shù)妮p組分雜質(zhì)排入火炬。其余凈化設(shè)備均為立式固定床設(shè)備。固堿罐、一級(jí)干燥罐、脫硫罐、二級(jí)干燥罐均為2臺(tái)并聯(lián)。固堿罐中的NaOH固體吸水后不可再生，一臺(tái)設(shè)備更換新堿時(shí)，另一臺(tái)需正常工作以保證凈化系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。一、二級(jí)干燥罐裝填高效吸水劑，吸附穿透時(shí)間為15d，脫硫罐內(nèi)脫硫吸附劑穿透時(shí)間為30d。當(dāng)一臺(tái)罐內(nèi)吸附劑吸附飽和、失去凈化能力后，通過閥門將此設(shè)備隔離出凈化系統(tǒng)，并聯(lián)的另一臺(tái)進(jìn)入正常操作狀態(tài)。對(duì)隔離的床層進(jìn)行降壓退料后通入高溫氮?dú)庠偕絼┰诟邷?、低壓環(huán)境中釋放吸附的雜質(zhì)恢復(fù)吸附能力。雙床交替進(jìn)行吸附-再生循環(huán)，以保證整個(gè)凈化系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在泄壓退料階段，罐內(nèi)液態(tài)丙烯氣化會(huì)出現(xiàn)-70℃低溫工況。吸附劑設(shè)計(jì)使用壽命為3～5年。

圖1 UNIPOL工藝丙烯凈化流程注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級(jí)干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級(jí)干燥罐

2 設(shè)備布置

2.1 設(shè)備布置原則

2.2 設(shè)備布置方案

本文介紹兩種典型丙烯凈化設(shè)備布置方案。

設(shè)備平面布置方案A見圖2。丙烯凈化界區(qū)中間設(shè)置一條東西向管廊，管廊西側(cè)與主管廊相連，管廊頂層設(shè)置平臺(tái)放置設(shè)備頂部管線閥組。設(shè)備露天布置，按照流程順序呈U形分布在管廊兩側(cè)：固堿罐C001a/b、脫氣塔T001、一級(jí)干燥罐C002a/b和脫硫罐C003a/b布置在管廊南側(cè)地面上；脫砷罐C004、脫MAP罐C005、二級(jí)干燥罐C006 a/b及其他設(shè)備布置在管廊北側(cè)。各排設(shè)備中心線對(duì)齊，設(shè)備外圍設(shè)置重載地坪作為吸附劑裝卸區(qū)域。各個(gè)設(shè)備人孔處設(shè)置平臺(tái)，以方便裝卸吸附劑。

圖3為設(shè)備平面布置方案B。立式固定床設(shè)備中心對(duì)齊，分兩排布置在框架內(nèi)地面上，脫MAP罐C005支耳支撐在框架樓面上。一級(jí)干燥罐C002a/b、脫硫罐C003a/b和脫砷罐C004布置在框架南側(cè)；固堿罐C001a/b、二級(jí)干燥罐C006a/b、脫MAP罐C005布置在框架北側(cè)。調(diào)整各設(shè)備裙座或支耳高度，使得各設(shè)備頂部人孔高度接近，以方便從框架頂層平臺(tái)進(jìn)行吸附劑裝填。底部人孔平臺(tái)朝向框架外，方便卸載吸附劑。脫氣塔T001布置在框架外西南處，與一級(jí)干燥罐C002a東西方向錯(cuò)開，留出吸附劑的裝卸區(qū)域。塔配管區(qū)朝向框架，其他設(shè)備布置在框架下和框架外，框架中部樓面下吊設(shè)的管廊與主管廊相接。

對(duì)比丙烯凈化工序設(shè)備平面布置方案A與方案B，在滿足工藝要求、操作檢修、建筑安裝費(fèi)用、占地面積、外觀等方面的結(jié)果見表1。

圖2 丙烯凈化工序設(shè)備平面布置方案A注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級(jí)干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級(jí)干燥罐

圖3 丙烯凈化工序設(shè)備平面布置方案B注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級(jí)干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級(jí)干燥罐

表1 丙烯凈化工序設(shè)備平面布置方案比較

方案A的設(shè)備均布置在空曠處，設(shè)備吊裝方便，管廊跨度小，土建成本低，但是設(shè)備靠近管廊兩側(cè)布置，占地面積較大，設(shè)備平臺(tái)高度不一致，不便巡檢。方案B主要設(shè)備布置在一個(gè)框架內(nèi)，增加了設(shè)備吊裝難度，土建成本提高，但框架頂部平臺(tái)方便閥門操作和巡檢，外觀緊湊整齊，是一種較優(yōu)的布置方案。

3 配管設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

以一級(jí)干燥罐為例，介紹高、低溫壓交變工況并聯(lián)設(shè)備的配管設(shè)計(jì)。一級(jí)干燥罐有3種設(shè)計(jì)工況：①90℃和2.9MPa(g)的正常吸附工況；②-46℃和0.93MPa(g)的降壓放空工況；③340℃和0.931MPa(g)的高溫再生工況。每臺(tái)吸附床15d要進(jìn)行1次吸附-降壓-再生循環(huán)操作。與設(shè)備管口相連的管線也同步經(jīng)歷常溫高壓-低溫低壓-高溫低壓交變工況。一級(jí)干燥罐相連管道的配管設(shè)計(jì)見圖4。丙烯是易燃易爆危化品，管線間設(shè)置多個(gè)閥門防止內(nèi)漏發(fā)生危險(xiǎn)。從圖中可以看出，與設(shè)備頂部和底部管口相連管道在與管口垂直的平面上做成“π”形，以增加柔性，滿足循環(huán)“熱脹冷縮”的應(yīng)力需要。管道盡量短，且通過“步步高”或“步步低”的走向避免了產(chǎn)生難以封閉、排入火炬的低點(diǎn)。閥門集中布置在并聯(lián)設(shè)備中間，閥桿位于距地面或平臺(tái)500～1 700mm之間，方便操作。罐頂人孔上方管道設(shè)置可拆法蘭，方便打開人孔和裝卸吸附劑。

圖4 一級(jí)干燥罐配管設(shè)計(jì)

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)介質(zhì)特性和高、低溫壓交變工況并聯(lián)設(shè)備的操作特點(diǎn)，配管應(yīng)滿足以下要求：①管道集中布置在設(shè)備一側(cè)，避開吸附劑裝卸區(qū)域；②管道走向有足夠柔性，進(jìn)行多工況應(yīng)力計(jì)算分析，避免冷熱相連的管線應(yīng)力超標(biāo)以及對(duì)并聯(lián)設(shè)備造成損壞；③閥門分別在罐頂平臺(tái)和罐底集中布置，方便操作和檢修，滿足手動(dòng)準(zhǔn)確控制溫度和壓力要求；④丙烯管道避免產(chǎn)生難以排凈的袋型和盲端。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)工藝和操作要求、介質(zhì)屬性和設(shè)備特點(diǎn)，成組立式固定床設(shè)備可布置在管廊兩側(cè)或框架內(nèi)，設(shè)備附近設(shè)置裝卸區(qū)域，人孔朝向裝卸區(qū)并設(shè)置平臺(tái)，方便床層的裝卸。

(2)并聯(lián)設(shè)備相連管線上的閥組應(yīng)分別集中布置在設(shè)備頂部和底部，以便于操作。

(3)高低溫工況頻繁交變出現(xiàn)的并聯(lián)管道應(yīng)有足夠的柔性，同時(shí)滿足熱態(tài)管線和設(shè)備管口、冷態(tài)管道和設(shè)備管口的應(yīng)力要求，確保整個(gè)管系和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。