烴化反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備的布置和配管設(shè)計(jì)

劉衛(wèi)峰

（連云港沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司，江蘇連云港 222000）

化學(xué)工業(yè)作為國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位，對人民生活和生產(chǎn)具有重要意義?；瘜W(xué)反應(yīng)過程是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備。因此反應(yīng)器及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的布置和管道設(shè)計(jì)的合理與否，將直接影響建設(shè)成本，生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品質(zhì)量等。

1 烴化反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備的流程和設(shè)備布置

本文所述反應(yīng)器為某苯酚丙酮項(xiàng)目中異丙苯裝置的烴化反應(yīng)器，兩臺(tái)并聯(lián)，ID 3 300mm × 4 800mm，設(shè)計(jì)壓力4.6/FV MPaG，設(shè)計(jì)溫度250/120℃，操作壓力2.2MPaG，操作溫度155℃，屬于塔式反應(yīng)器，采用同徑裙座支撐，物料頂進(jìn)底出。

1.1 烴化反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備的流程簡述

原料丙烯和苯從設(shè)備頂部進(jìn)入烴化反應(yīng)器，以氧化鋁作為催化劑，反應(yīng)生成異丙苯。副反應(yīng)有丙烯在高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)；異丙苯和丙烯結(jié)合生成二異丙苯，為減少以上副反應(yīng)的發(fā)生，通過使原料苯過量，對丙烯進(jìn)行稀釋。反應(yīng)生成的混合物從設(shè)備底部流出，一部分去下游分離塔進(jìn)行分離；一部分由烴化反應(yīng)器循環(huán)泵打入烴化循環(huán)冷卻器（釜式）冷卻，之后返回到烴化反應(yīng)器再次反應(yīng)；兩臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)，三臺(tái)循環(huán)泵兩開一備。物料流程圖見圖1。

1.2 烴化反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備的布置

烴化反應(yīng)器是異丙苯裝置的重要設(shè)備，布置時(shí)需要考慮方便裝卸填料、吊裝等，與相關(guān)烴化循環(huán)冷卻器、循環(huán)泵等設(shè)備集中布置。為了節(jié)省占地面積及配管方便，在異丙苯裝置主框架的北邊，增設(shè)了三層小框架，將三樓和主裝置樓層通過樓梯連接起來，兩臺(tái)反應(yīng)器布置在小框架的東邊，反應(yīng)器的東邊是催化劑裝卸區(qū)域，兩臺(tái)反應(yīng)器南北向中心對齊布置。規(guī)范要求若反應(yīng)器卸料口在下方時(shí)，為了方便運(yùn)輸車輛通行，凈空不宜小于3m[1]，本反應(yīng)器雖然下方不通車，但側(cè)方留有車輛停放的區(qū)域，為了使催化劑卸放時(shí)能自流進(jìn)運(yùn)輸車輛，結(jié)合泵的NPSH要求，將兩臺(tái)烴化反應(yīng)器裙座高度設(shè)計(jì)為6m，催化劑卸料口距裙座底板為3.4m，滿足了規(guī)范要求。將三臺(tái)烴化反應(yīng)器循環(huán)泵布置在小框架南側(cè)地面，和主框架下其他泵布置在一起，備用泵在中間，電機(jī)端統(tǒng)一朝南。將兩臺(tái)烴化循環(huán)冷卻器布置在小框架的二樓，抽芯區(qū)域統(tǒng)一設(shè)置在北邊。三樓用于布置反應(yīng)器頂部管線閥組、公用管線閥組、安全閥等，設(shè)備布置見圖2。

2 烴化反應(yīng)器的配管設(shè)計(jì)

與反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備相連的管線眾多，包括工藝物料管線、低壓蒸汽、低壓凝液、氮?dú)?、安全閥、火炬氣等管線；因公用工程管線配管遵從常規(guī)并無特殊要求，故不再論述。本文主要針對工藝物料管線進(jìn)行論述，其工藝參數(shù)為設(shè)計(jì)壓力4.6MPaG，設(shè)計(jì)溫度250℃；操作壓力2.2MPaG，操作溫度155℃；屬于高溫管線，因此管線設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮管線柔性，盡量采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，使管線滿足應(yīng)力要求，保證設(shè)備管口受力小于許用值要求。

配管時(shí)需首先確定操作側(cè)和配管側(cè)，研究管口方位，合理設(shè)置聯(lián)合操作平臺(tái)，規(guī)劃裝填催化劑區(qū)域等。將反應(yīng)器東側(cè)作為操作區(qū)，用于設(shè)置梯子平臺(tái)以及裝卸催化劑，將人孔，填料卸料口等布置在東側(cè)；將西側(cè)作為配管區(qū)進(jìn)行管道布置。烴化反應(yīng)器的反應(yīng)溫度參數(shù)很重要，有三個(gè)熱電偶都是貫穿整個(gè)反應(yīng)區(qū)域且很長，為了保護(hù)熱電偶，管口采用內(nèi)伸管型式，其中兩個(gè)在上封頭的熱電偶管口內(nèi)伸管長約6m，側(cè)壁內(nèi)伸管長約3.4m；在布置其管口方位時(shí)需考慮足夠的檢修抽芯空間，將上封頭的兩個(gè)熱電偶管口以設(shè)備中心線南北對稱布置，在封頭頂部設(shè)置操作檢修平臺(tái)；側(cè)壁熱電偶管口朝東，設(shè)置人孔操作平臺(tái)，兼顧檢修側(cè)壁的熱電偶。

原料和產(chǎn)物均含有劇毒的苯，為了防止苯泄漏，除了必須使用法蘭連接形式外（如與設(shè)備法蘭連接處，管道盲板處等），其他所有的管道閥門和管件均選擇焊接形式；所有管道上的放空和導(dǎo)淋全部采用密閉排放形式且為雙閥，中間加檢測閥，放空接入火炬系統(tǒng)，導(dǎo)淋接入工藝系統(tǒng)地下管網(wǎng)進(jìn)行收集。

2.1 原料管線的配管設(shè)計(jì)

原料管線管徑不大，配管相對簡單，在上游加熱后的原料苯管線（Line 01-6”）在小框架12m平臺(tái)下接入1#烴化反應(yīng)器入口循環(huán)管線（Line 03-16”）；2#烴化反應(yīng)器的原料苯管線（Line 06-6”）是從1#烴化反應(yīng)器出口管線（Line 04-20”）上引出，管線“步步高”同樣在12m平臺(tái)下接入2#烴化反應(yīng)器入口循環(huán)管線（Line 23-16”），將兩組操作閥組布置在12m平臺(tái)上高點(diǎn)，這樣即方便閥門操作，管線也不會(huì)有積液。

原料丙烯管線（Line 02-3”）來自異丙苯主裝置，靠框架柱子“步步低”布置，在靠近反應(yīng)器入口循環(huán)管線時(shí)分為兩路，分別從頂部接入兩臺(tái)反應(yīng)器循環(huán)管線。

2.2 烴化反應(yīng)器出口到烴化循環(huán)泵入口管線的配管設(shè)計(jì)

烴化反應(yīng)器出口到烴化循環(huán)泵的入口管線（Line 04/24-20”）管徑大，溫度高，配管設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是管道柔性，因此在反應(yīng)器出口處管線設(shè)計(jì)了水平π型自然補(bǔ)償，在循環(huán)泵入口處設(shè)計(jì)了垂直π型自然補(bǔ)償；為了防止因設(shè)備膨脹使反應(yīng)器出口管口力超過許用值，將出口第一個(gè)支架設(shè)置為彈簧支架加導(dǎo)向支架，其他采用剛性支架；管道“步步低”進(jìn)泵以防止泵的氣蝕。將兩臺(tái)反應(yīng)器出口管道上的切斷閥裝在水平管道上，設(shè)置了3.1m共用操作平臺(tái)，方便操作維修。管道平面布置見圖3。

圖3 管道平面布置（一）

2.3 烴化循環(huán)泵到烴化循環(huán)冷卻器管線的配管設(shè)計(jì)

烴化循環(huán)泵體積大且高度高，在設(shè)計(jì)泵出口管線（Line 08/26/28-12”）時(shí)，為了方便閥門操作且增加管道柔性，將管線從泵出口接出后降至和入口管線同高度，依序安裝閥門后從底部接入管底標(biāo)高2 300mm的匯合管（備用泵是兼顧兩臺(tái)泵，因此三臺(tái)泵進(jìn)出口都是相互連通的）；這樣既增加了管道柔性，又不影響人員在下方通行，根據(jù)P&ID泵出口管線匯合后還需要安裝兩個(gè)串聯(lián)的孔板流量計(jì)，為了保證測量精度需要滿足前15D后5D的直管段長度，考慮到節(jié)省空間，將管線設(shè)計(jì)成U型，將兩個(gè)流量計(jì)分別安裝在U型兩側(cè)，這樣既滿足了儀表直管段的要求，又增加了管線的柔性；將管線上的調(diào)節(jié)閥組安裝在5.5m平臺(tái)上靠近烴化循環(huán)冷卻器入口處。在管道支架設(shè)計(jì)時(shí)，在靠近管口處設(shè)置了止推架，以消除因軸向推力過大而造成對設(shè)備管口的破壞。在U型自然補(bǔ)償段兩側(cè)和調(diào)節(jié)閥組前各設(shè)置了導(dǎo)向架，其余各點(diǎn)均設(shè)置滑動(dòng)架。

2.4 烴化循環(huán)冷卻器到烴化反應(yīng)器頂部入口管線的配管設(shè)計(jì)

烴化循環(huán)冷卻器到烴化反應(yīng)器頂部入口的管線（Line 03/23-20”）同樣管徑大，溫度高，消除應(yīng)力，控制管口力則是管道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，管線設(shè)計(jì)時(shí)在烴化循環(huán)冷卻器出口設(shè)置了π型自然補(bǔ)償，在靠近管口水平管上增加了一對拆卸法蘭，方便設(shè)備檢修；在烴化反應(yīng)器入口處同樣設(shè)置了π型自然補(bǔ)償，兩套反應(yīng)器的配管盡量做到對稱布置，管道上的閥組集中布置在12m平臺(tái)東側(cè)靠柱的位置。管道支架設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到設(shè)備熱脹有向上的位移，防止采用剛性支架脫空而引起管口受力超出許用值，因此應(yīng)力計(jì)算時(shí)在烴化反應(yīng)器入口的 π型自然補(bǔ)償上設(shè)置了彈簧架以及彈簧架加導(dǎo)向架的組合架，以滿足在各種工況下設(shè)備管口的受力均在許用值之內(nèi)。管道平面布置見圖4。

圖4 管道平面布置（二）

2.5 產(chǎn)品管線的配管設(shè)計(jì)

反應(yīng)生成的產(chǎn)物除了進(jìn)行循環(huán)，主要還是作為產(chǎn)品送去下游分離塔進(jìn)行分離，從而得到目標(biāo)產(chǎn)品異丙苯；其管線管徑小（Line 07/27-4”），配管相對簡單，配管時(shí)管線走向有一定的柔性即可。分別從反應(yīng)器出口管線上水平接出，將閥組布置在3.1m平臺(tái)上靠近主管，之后匯合后送去下游分離塔進(jìn)行分離。

2.6 安全閥管線的配管設(shè)計(jì)

烴化反應(yīng)器相關(guān)設(shè)備和管線上安全閥設(shè)置較多，且均為一開一備兩組；配管時(shí)將所有安全閥布置在小框架的最上層且高于火炬總管，集中成排布置，兩側(cè)留出檢修通道，這樣既方便集中維護(hù)又整齊美觀，在平臺(tái)下設(shè)置一根火炬次總管，將所有安全閥出口管線統(tǒng)一從上方順介質(zhì)流向45°接入，再將次總管從上方順介質(zhì)流向45°接入火炬總管。

3 小結(jié)

烴化反應(yīng)器在設(shè)備布置時(shí)需要考慮設(shè)備吊裝，運(yùn)輸催化劑車輛通行的道路和裝卸催化劑的空間等，與相關(guān)聯(lián)設(shè)備宜集中布置節(jié)約用地。

烴化反應(yīng)器及關(guān)聯(lián)設(shè)備配管時(shí)需首先確定操作側(cè)和配管側(cè)，研究管口方位，尤其注意熱電偶的方位和抽芯空間，合理設(shè)置操作平臺(tái)。對于高溫管道盡量采用自然補(bǔ)償?shù)男问?，和?yīng)力專業(yè)保持密切溝通，找到最優(yōu)的方案，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算合理增加彈簧支吊架，符合應(yīng)力要求的情況下管道盡量短且少拐彎，盡量避免出現(xiàn)袋型，管道離梁柱不能太近，以免管道變形時(shí)出現(xiàn)碰撞，閥組宜集中布置在平臺(tái)上等。