某精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)

鄧金濤，楊美娥

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

精細(xì)化工產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫褶r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥，做實(shí)驗(yàn)的化學(xué)試劑以及食品行業(yè)的添加劑、香料等。本文涉及的生產(chǎn)裝置為后期增設(shè)生產(chǎn)線，只能利用現(xiàn)有框架空間，新建設(shè)備、管道要考慮與原有設(shè)備、管道留有檢維修空間，管道布置方面還存在反應(yīng)釜的導(dǎo)熱油分配站和伴管較多、氮?dú)夤艿婪盗虾透邷毓芫€應(yīng)力大等問題。有必要從工藝流程、設(shè)備布置和管道布置等方面綜合優(yōu)化，解決上述問題，并滿足施工、操作、檢維修及安全環(huán)保的要求。

1 工藝流程簡介

1.1 生產(chǎn)工序簡介

該精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工序包括原料準(zhǔn)備、投料、反應(yīng)、調(diào)節(jié)、產(chǎn)品儲存、打料與包裝6個工序。圖1為該產(chǎn)品生產(chǎn)工序示意圖。

圖1 生產(chǎn)工序示意圖

1.2 工藝流程簡述

圖2為工藝流程示意圖，首先來自罐區(qū)的多種原料經(jīng)過計(jì)量按一定配比進(jìn)入反應(yīng)釜，釜內(nèi)盤管通導(dǎo)熱油熱油開始加熱，釜內(nèi)攪拌器開始攪拌，釜內(nèi)溫度達(dá)到一定溫度開始反應(yīng)，反應(yīng)生成的水與部分醇類逐漸氣化進(jìn)入精餾塔，從精餾塔頂分離出來的水蒸汽經(jīng)塔頂冷凝器冷卻后排掉，而氣態(tài)醇經(jīng)冷卻后回流至精餾塔，未完全冷卻的氣相小分子醇進(jìn)入到氣液分離器中，經(jīng)過分離，相對純的氣體從氣液分離器的上部出去，返回塔頂冷凝器，而縮合水由分離器下部排出進(jìn)入縮合水收集罐進(jìn)行收集。釜內(nèi)的水被蒸出，打開真空泵開始抽真空，釜內(nèi)小分子醇進(jìn)入塔頂冷凝器，經(jīng)冷卻后部分回流，進(jìn)入回收醇罐中，回收醇罐中的小分子醇一部分補(bǔ)充到反應(yīng)釜內(nèi)繼續(xù)參與反應(yīng)，一部分進(jìn)入回收醇集中罐回收包裝。釜內(nèi)參與反應(yīng)的高分子醇經(jīng)過縮聚酯交換脫出合格的多元醇。合格產(chǎn)品由釜底進(jìn)入棉式過濾器，過濾掉少量的水分和雜質(zhì)，然后由氮?dú)鈮毫线M(jìn)入多元醇儲罐。

圖2 生產(chǎn)工藝流程示意圖

2 設(shè)備布置方案及主要設(shè)備介紹

圖3為該生產(chǎn)裝置中局部設(shè)備布置圖。該生產(chǎn)線內(nèi)主要有動、靜設(shè)備共6臺，反應(yīng)釜、精餾塔、塔頂冷凝器、氣液分離器、回收醇罐和取樣泵各一臺，且所有的設(shè)備布置在一個跨距內(nèi)，設(shè)備布置相對集中，便于操作和檢維修。

整個生產(chǎn)線縱向布置共分為四層結(jié)構(gòu)平臺，棉式過濾器和取樣泵布置在地面上；反應(yīng)釜布置在一層和二層之間的夾層上；受空間制約，氣液分離器和回收醇罐布置在二層和三層之間的平臺上；精餾塔布置在第三層，塔頂冷凝器布置在第四層平臺上。

反應(yīng)釜是該生產(chǎn)工藝的核心設(shè)備，是進(jìn)行酯化反應(yīng)和酯交換反應(yīng)的場所。精餾塔是利用混合物在一定溫度和壓力下各組分揮發(fā)度不同的特性進(jìn)行多級分離，將輕組分和重組分分離開來[1]。精餾塔和塔頂冷凝器在石油化工裝置中經(jīng)常聯(lián)合使用，本項(xiàng)目中的塔頂冷凝器布置在最高點(diǎn)，與精餾塔有2.3 m的高差，處在高點(diǎn)的塔頂冷凝器可以將精餾塔頂部的氣態(tài)醇通過循環(huán)水冷卻至液態(tài)，然后通過自然回流的形式將液態(tài)醇回流至塔頂部。氣液分離器實(shí)現(xiàn)了氣相凈化功能，從精餾塔進(jìn)入塔頂冷凝器的水蒸氣和氣態(tài)醇在降溫或者加壓過程中，一部分氣態(tài)醇會液化，隨著氣體一起流動，氣液分離器利用各組分重量不同，對混合物進(jìn)行分類，相對純的氣體從氣液分離器的上部出去，返回塔頂冷凝器，縮合水由下部流出進(jìn)入縮合水收集罐進(jìn)行收集，再經(jīng)輸送泵加壓后打到污水池。本裝置的取樣泵采用的是齒輪泵，將原料按照配比加入反應(yīng)釜后，通導(dǎo)熱油對反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，反應(yīng)一段時間后打開取樣泵進(jìn)行取樣，測試樣品的粘度值和酸值，指標(biāo)合格后出料。

圖3 設(shè)備布置圖(局部)

3 管道布置及應(yīng)力分析

因該生產(chǎn)裝置占地面積受限，設(shè)備布置比較集中，而管道和閥門較多，還要考慮操作以及釜頂電機(jī)檢修的問題，給管道布置帶來了不小的困難，下面主要介紹工藝管道、主要公用管道和管道應(yīng)力設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1 工藝管道布置

圖4 進(jìn)料管線布置

為保證進(jìn)料量精確，釜頂進(jìn)料管線設(shè)有流量計(jì)和切斷閥，此類管道應(yīng)盡量“步步高”或“步步低”敷設(shè)，另外為使切斷閥關(guān)閉時，物料不要?dú)埩粼诠艿纼?nèi)，要合理布置切斷閥的位置。例如，進(jìn)料管道從管廊步步高到釜頂，切斷閥應(yīng)布置在該管道的高點(diǎn)，這樣在切斷閥關(guān)閉時，切斷閥兩側(cè)管道內(nèi)的物料可以分別依靠重力流進(jìn)反應(yīng)釜或管廊主管，如圖4。

安全閥作用是當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力超過限值時，緊急起跳并泄放釜內(nèi)氣體來降低釜內(nèi)壓力，從而保護(hù)反應(yīng)釜。因釜內(nèi)介質(zhì)黏度較大，在安全閥和釜之間設(shè)置了爆破片來防止安全閥堵塞，同時安全閥要盡量靠近反應(yīng)釜布置。安全閥排氣進(jìn)入尾氣收集系統(tǒng)，安全閥后管道要“步步低”匯入排氣總管，防止積液堵塞安全閥。

3.2 伴熱管道布置

圖5 反應(yīng)釜伴熱盤模型

反應(yīng)釜升溫、降溫媒介分別采用的是導(dǎo)熱油熱油和冷油，共5組熱油進(jìn)出口和1組冷油進(jìn)出口。由于反應(yīng)釜內(nèi)部盤管數(shù)量較多，反應(yīng)釜的管口方位受到很大的局限性，經(jīng)過多方案的比選，最終將導(dǎo)熱油支管布置在反應(yīng)釜的兩側(cè)。如圖5所示，配管方式是熱油進(jìn)熱油出，冷油進(jìn)冷油出。5根熱油出口管線匯總到一根主管上，各個管線上的手閥和壓力表集中布置在主管附近，方便操作和檢修。5根熱油進(jìn)口管線同樣匯總到一根主管上布置在熱油出口主管附近，調(diào)節(jié)閥和手閥放在立管上以減少占地。冷油上油和回油管線的調(diào)節(jié)閥組布置在反應(yīng)釜的另外一側(cè)。

3.3 氮?dú)夤艿啦贾?/h3>

圖6 氮?dú)夤芫€的布置圖

因?yàn)榉磻?yīng)需要在惰性環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，所以原料加入到反應(yīng)釜后，要向釜內(nèi)通入0.2 MPa氮?dú)?，然后升溫開始反應(yīng)。但是由于釜內(nèi)反應(yīng)時偶爾會出現(xiàn)釜內(nèi)壓力高于0.2 MPa氮?dú)獾膲毫?，造成返料，即釜?nèi)物料夾雜在氮?dú)庵蟹祷氐降獨(dú)夤芫€里，導(dǎo)致止回閥堵塞。這樣粘性大的物料會積聚在流量控制閥中，為避免物料長期堆積導(dǎo)致流量控制閥失效，便在止回閥前加了一段1 m的夾套管，夾套外管通循環(huán)水使管道降溫，立管下部加排凈。物料在低溫下易凝結(jié)，堵在氮?dú)鈯A套管內(nèi)不再繼續(xù)流動，便不會堵塞止回閥和流量控制閥，堵在氮?dú)鈯A套管中的物料定時排放即可。

圖6為氮?dú)夤芫€的布置圖。管線上閥門較多，采用這種布管方式，既滿足工藝要求，又方便操作，占地面積也相對較少。氮?dú)夤芫€布置在柱子附近，與反應(yīng)釜的凈距為1.3 m，操作人員可以自由通行。

3.4 管道應(yīng)力分析

圖7 原管道走向及支架設(shè)置

圖8 應(yīng)力計(jì)算修改后管道走向及支架設(shè)置

本裝置中有很多高溫管道，比如導(dǎo)熱油、蒸汽、冷凝液、部分放空氣和小分子醇的管道。這些管道(大于DN100)的熱膨脹量很大，若不能很好的疏導(dǎo)這股膨脹量，可能會拉裂設(shè)備管口、推倒管架，甚至?xí)趶濐^或者三通、法蘭處造成焊縫泄漏，所以高溫大管道需要應(yīng)力分析，以避免這些事故的發(fā)生。部分管道可以通過目測法(經(jīng)驗(yàn))或簡單計(jì)算法分析管道應(yīng)力，其余復(fù)雜的高溫管道需要通過計(jì)算軟件進(jìn)行應(yīng)力分析[2]。本項(xiàng)目用的管道應(yīng)力分析軟件是CAESARII。以某根導(dǎo)熱油管線為例，圖7所示為原始配管的走向及支架情況，圖8為經(jīng)過應(yīng)力分析調(diào)整后的管道走向及支架情況。表1為該管道調(diào)整前后各個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析結(jié)果對比。

表1 管道調(diào)整前后應(yīng)力分析結(jié)果對比

由表1應(yīng)力分析結(jié)果可知，通過調(diào)整管道走向、支架間距、支架類型，使管道和相連的彎頭、三通等管件的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，與設(shè)備管口相連的管道荷載滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求值，管系的安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

本文介紹了某精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置的工藝流程、主要設(shè)備、設(shè)備布置和管道布置等內(nèi)容，通過優(yōu)化工藝流程、設(shè)備管口方位和管道布置，解決了用地受限、操作不便和使用安全等問題，并對反應(yīng)釜和精餾塔的布置方案、反應(yīng)釜頂進(jìn)料和安全閥管線、氮?dú)庋a(bǔ)氣管線布置以及高溫管線的應(yīng)力解決過程等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，可為此類生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)提供參考。