硫酸法烷基化裝置儀表選型設(shè)計

董愛娜，鄭水成

（中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

目前，全球燃料清潔化的總趨勢是汽油向低硫、低烯烴、低芳烴、低苯發(fā)展?！盾囉闷汀罚℅B 17930-2016）已于2016 年12 月23 日發(fā)布，汽油標準的提高，煉化企業(yè)需相應(yīng)調(diào)整汽油池調(diào)和組分，限制催化加氫汽油、芳烴調(diào)和比例，降低車用汽油烯烴、芳烴含量。

烷基化工藝可以將異丁烷和C4 烯烴通過反應(yīng)生成高辛烷值烷基化油，該產(chǎn)品特點有：零芳烴、零笨、零烯烴、低硫、低蒸汽壓，RON 和MON 不僅絕對值高而且差距小，同時烷基化油具有良好的穩(wěn)定性和低毒性，無腐蝕，便于儲存和運輸，是高辛烷值汽油的理想調(diào)和組分。

基于上述，烷基化裝置成為煉廠提高汽油產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟效益的迫切需要。本文將結(jié)合烷基化裝置的特點及實際應(yīng)用經(jīng)驗，通過對耐硫酸材料的分析，結(jié)合工程經(jīng)驗，介紹溫度、壓力、流量、液位及閥門等儀表選型原則及安裝注意事項。

1 硫酸法烷基化裝置特點

圖1 硫酸濃度和溫度對ALLOY20腐蝕的影響[1]Fig.1 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of aluminium 20[1]

硫酸法烷基化工藝主要有DuPont 公司Stratco 烷基化技術(shù)、Exxon Mobil Research and Engineering（EMRE）公司自動制冷技術(shù)和Lummus 公司CDAlky 低溫烷基化技術(shù)，反應(yīng)原理均是異丁烷和C4 烯烴在98%（wt）濃硫酸催化劑的作用下，反應(yīng)生產(chǎn)高辛烷值烷基化油，副產(chǎn)正丁烷、異丁烷、丙烷和燃料氣。本文以Lummus 公司CDAlky 低溫烷基化技術(shù)為例，流程主要包括：選擇性加氫、烷基化反應(yīng)、壓縮制冷、反應(yīng)物分餾、酸排放系統(tǒng)等部分。由于采用濃硫酸做催化劑，烷基化反應(yīng)部分、酸排放系統(tǒng)等部分含硫酸介質(zhì)的儀表材質(zhì)均需充分考慮腐蝕性要求。

2 耐硫酸介質(zhì)材料分析

不同的材料在不同濃度或溫度的硫酸中顯示出不同的耐蝕性，彼此之間沒有相同的規(guī)律。因此，耐硫酸材料的選用必須以試驗和經(jīng)驗為基礎(chǔ)。George.A.Nelson 首先根據(jù)大量的實驗資料和工廠的使用經(jīng)驗繪制了耐硫酸材料選用圖。他把硫酸的濃度-溫度狀態(tài)圖（常壓沸點以下）劃分成10 個區(qū)域，各區(qū)內(nèi)腐蝕率≤0.5mm/年的材料用表列出。

本裝置含酸介質(zhì)操作溫度低于50℃，做催化劑的濃硫酸濃度在98%（wt）左右，但過程介質(zhì)含酸濃度不一，結(jié)合George.A.Nelson 的材料選用圖和材料表，結(jié)合不同儀表設(shè)備常用材料及以往工程經(jīng)驗，選取以下材質(zhì)作為含硫酸介質(zhì)儀表設(shè)備材質(zhì)。

1）ALLOY20/UNS N08020（0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb）：一種鉻鎳鉬銅固溶強化型鐵鎳基合金，專門發(fā)展用于硫酸中的合金。圖1 表示ALLOY20 在硫酸中的等腐蝕圖，可看出它在50℃以下，在整個硫酸濃度范圍內(nèi)都有較好的耐蝕性[1]。其熱加工、冷加工及焊接性能均優(yōu)良，并且也容易鑄造成形。

2）哈氏合金B(yǎng)C：主要成分為鎳-鉬合金鎳鉻鉬合金，目前廣泛使用的有N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)。在氧化和還原兩氛圍狀態(tài)中，對大多數(shù)腐蝕介質(zhì)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。圖2、圖3 表示哈氏合金B(yǎng)、C 在硫酸中的等腐蝕圖，可看出它們在50℃以下，在整個硫酸濃度范圍內(nèi)都有較好的耐蝕性。

圖2 硫酸濃度和溫度對哈氏合金B(yǎng)腐蝕的影響[1]Fig.2 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy B[1]

圖3 硫酸濃度和溫度對哈氏合金C腐蝕的影響[1]Fig.3 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy C[1]

3）鉭：鉭金屬材料的耐腐蝕性能可同玻璃相比美[2]。從圖4 可看出，在200℃以下，在整個硫酸濃度范圍內(nèi)鉭都有較好的耐蝕性。但由于其價格昂貴，一般只用于壓力儀表膜片。

3 儀表選型

3.1 溫度測量儀表選型

圖4 各種合金鋼在硫酸中的等腐蝕圖Fig.4 Isocorrosion diagram of various alloy steels in sulfuric acid

對于含酸介質(zhì)，溫度儀表（雙金屬溫度計、熱電偶、熱電阻）應(yīng)重點注意接液部件材質(zhì)的選擇，溫度計套管直接與工藝介質(zhì)接觸，插入深度位于管道直徑的1/3 ～1/2 處。受介質(zhì)沖刷和腐蝕較嚴重，本項目選用ALLOY 20 作為外套管及法蘭材質(zhì)，墊片作為接液部件，也需考慮硫酸腐蝕，本項目墊片材質(zhì)采用ALLOY20+PTFE。

3.2 壓力測量儀表選型

壓力測量儀表，包括壓力表、壓力和差壓變送器。對于含酸介質(zhì)，首選隔膜式，以減少接液部件。綜合介質(zhì)的腐蝕性、經(jīng)濟性以及常用膜片材料等因素，本項目壓力儀表膜片及接液部件材質(zhì)選用鉭合金，法蘭不接液，材質(zhì)選用316L，墊片材質(zhì)采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環(huán)，材質(zhì)為ALLOY20。

3.3 流量測量儀表選型

對于需要精確計量或需同時測量密度的場合，本項目采用質(zhì)量流量計。從腐蝕性和實用性考慮，對于含酸介質(zhì)，本項目質(zhì)量流量計測量管及法蘭材質(zhì)采用哈氏合金B(yǎng)/C。

不需要精確計量場合，對于含酸介質(zhì)，本項目首選電磁流量計。電磁流量計襯里采用PTFE 或PFA，從根本上解決了酸性介質(zhì)腐蝕問題，經(jīng)濟合理。需要注意其它接液部件材質(zhì)，本項目電極材質(zhì)選用鉭，接地環(huán)材質(zhì)選用ALLOY20。

節(jié)流裝置：節(jié)流件材質(zhì)采用ALLOY20，法蘭和取壓管材質(zhì)同管道材質(zhì)。

3.4 液位測量儀表選型

對于含酸介質(zhì)，液位就地指示均采用磁浮子液位計。遠傳首選雙法蘭液位變送器，測量范圍較小時，選用浮筒液位變送器。中和池采用導波雷達液位計，硫酸罐采用高頻雷達液位計。

綜合腐蝕性、經(jīng)濟性以及液位儀表常用材料等因素，本項目液位儀表材質(zhì)選擇如下：

磁浮子液位計：本體及接液部件、浮子、法蘭、排污閥、放空閥及短節(jié)等材質(zhì)均采用316 內(nèi)襯PTFE 或PFA。

浮筒液位變送器：本體及接液部件、法蘭、排污閥、放空閥及短節(jié)等材質(zhì)均采用碳鋼內(nèi)襯PTFE 或PFA，浮子材質(zhì)采用ALLOY20。

雙法蘭差壓液位變送器：膜片及接液部件材質(zhì)為鉭合金，法蘭不接液，材質(zhì)為316L, 墊片材質(zhì)采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環(huán)，材質(zhì)為ALLOY20。

導波雷達液位計：導波桿材質(zhì)—316+PTFE；法蘭材質(zhì)—316+PTFE。

高頻雷達液位計：天線形式—平板式；材質(zhì)—316+PEEK；法蘭材質(zhì)—316+PEEK。

3.5 控制閥選型

對于含酸介質(zhì)調(diào)節(jié)閥，首選GLOBE 閥。當管道材質(zhì)為ALLOY20 和316L 時，調(diào)節(jié)閥閥體及閥蓋材質(zhì)采用A351-CN7M，閥芯、閥座、閥桿材質(zhì)采用ALLOY20，填料材質(zhì)采用V 型聚四氟乙烯；當管道材質(zhì)為20#時，閥體及閥蓋材質(zhì)采用A351-CF8M，閥芯、閥座、閥桿材質(zhì)采用ALLOY20，填料材質(zhì)采用V 型聚四氟乙烯。

對于含酸介質(zhì)切斷閥，當管道口徑≥DN300 時，采用蝶閥；當管道口徑＜DN300 時，采用球閥，材質(zhì)選擇原則同調(diào)節(jié)閥。

3.6 PH計選型

烷基化裝置中，脫氣廢水、含油污水、酸堿密閉排放等均排至中和池，為保持中和池內(nèi)污水PH 值達到排放標準，在中和池設(shè)2 個PH 計，1 個用于控制注酸或注堿量，1 個用于指示報警；另外，在污水泵出口管線也設(shè)置1個PH 計用于聯(lián)鎖。當PH 值超標時，聯(lián)鎖關(guān)閉外排管道切斷閥，污水返回中和池。在中和池上的PH 計采用投入式支架，探頭材質(zhì)采用PVDF，法蘭材質(zhì)采用316+PVDF；在管道上的PH 計采用流通池式安裝，流通池和連接法蘭材質(zhì)采用316L，與工藝管道材質(zhì)一致，探頭材質(zhì)采用ALLOY20。

4 儀表安裝注意事項

以下注意事項針對含酸介質(zhì)儀表安裝。

1）采用ALLOY20 節(jié)流裝置，本項目均采用徑距水平取壓，取壓短管規(guī)格：?60.3×3.91，材質(zhì)：ALLOY20。一次取壓閥為DN50 法蘭閘閥，材質(zhì)：ALLOY20。配雙法蘭差壓變送器，膜片及接液部件材質(zhì)選用鉭合金，法蘭不接液，材質(zhì)選用316L, 墊片材質(zhì)采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環(huán)，材質(zhì)為ALLOY20，與沖洗環(huán)連接的短節(jié)、截止閥、管帽等材質(zhì)均為ALLOY20。

圖5 徑距取壓流量管路連接圖Fig.5 Hook-up drawing of flow measurement by diameter pitch tappings

2）磁浮子液位計、浮筒液位變送器上接沖洗油系統(tǒng)，由配管專業(yè)接至儀表管嘴處，下接密閉排放系統(tǒng)，與配管專業(yè)分界面為放凝閥后法蘭。

3）雙法蘭差壓液位變送器接沖洗油系統(tǒng)，由配管專業(yè)接至沖洗環(huán)與排凝閥之間，分界面如圖7 所示。

4）本項目含酸介質(zhì)儀表（壓力表、壓力變送器、差壓變送器、差壓流量變送器、磁浮子液位計、浮筒液位計、雙法蘭差壓變送器）采用電伴熱，維持溫度5℃～10℃。電伴熱系統(tǒng)由防爆配電箱、電力電纜、防爆開關(guān)、接線盒、自限溫電伴熱帶及其附件組成。本項目設(shè)4 個配電箱，共102 個伴熱點。

5 結(jié)束語

硫酸的腐蝕速率與硫酸的濃度、溫度、流速和流動狀態(tài)均有關(guān)[3]，在進行儀表選型和安裝時，要綜合考慮各方面的因素。如操作狀態(tài)下工藝參數(shù)、開停工時工藝參數(shù)、非正常狀態(tài)下工藝參數(shù)、介質(zhì)組成、環(huán)境溫度等，確保裝置安全、長周期運行。

圖6 帶密閉排放液位儀表安裝圖Fig.6 Hook-up drawing of level measurement with closed drain

圖7 帶沖洗液位儀表安裝圖Fig.7 Hook-up drawing of level measurement with flush