費(fèi)托合成反應(yīng)器管口方位設(shè)計(jì)探析

趙遼華 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

1 費(fèi)托合成簡述

費(fèi)托合成（Fischer-Tropsch Process），又稱F-T合成，是以合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）為原料在催化劑和適當(dāng)條件下合成以液態(tài)的烴或碳?xì)浠衔铮℉ydroCarbon）的工藝過程。高溫費(fèi)托反應(yīng)基本流程見圖1。

圖1 高溫費(fèi)托反應(yīng)基本流程

在煤間接液化（煤制油）過程中，一定H/C比例的合成氣與循環(huán)氣混合后，經(jīng)壓縮機(jī)加壓及進(jìn)料預(yù)熱器加熱到一定溫度后，進(jìn)入費(fèi)托合成反應(yīng)器，在催化劑的作用下部分轉(zhuǎn)化為烴類物質(zhì)。

合成反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱通過反應(yīng)器內(nèi)移熱裝置以產(chǎn)生蒸汽的方式移走，反應(yīng)器的溫度通過控制汽包的壓力來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

反應(yīng)器出口氣體，在激冷塔內(nèi)進(jìn)行冷卻，生成的冷凝液體作為高溫冷凝物產(chǎn)品閃蒸后送至產(chǎn)品儲(chǔ)槽。

激冷塔的塔頂氣體，經(jīng)冷卻后進(jìn)入高壓分離器進(jìn)行油相、水相和氣相的分離。油相為低溫冷凝物，送入低溫冷凝物儲(chǔ)槽；水相為反應(yīng)水，送至反應(yīng)水精餾塔進(jìn)一步處理，反應(yīng)水中含有的醇、醛等含氧化合物從塔頂采出，高壓分離器頂部排出的氣體一部分為循環(huán)氣返回反應(yīng)器，另一部分為弛放氣送出裝置界區(qū)。

2 合成反應(yīng)器簡述

合成反應(yīng)器基本流程圖見圖2。

圖2 合成反應(yīng)器基本流程

合成反應(yīng)器采用固定流化床形式，主體材料為14Cr1MoR。合成氣通過反應(yīng)器底部進(jìn)入，經(jīng)過氣體分布器，在催化劑的作用下，轉(zhuǎn)化為烴類物質(zhì)。

合成反應(yīng)為強(qiáng)烈放熱反應(yīng)，劇烈的放熱會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度過高，因此，需要通過移熱裝置來將大量的熱量移除。通過在反應(yīng)器內(nèi)布置八組冷管來達(dá)到冷卻的目的，冷卻介質(zhì)為鍋爐水，經(jīng)過換熱后鍋爐水變?yōu)橹袎赫羝?/p>

在反應(yīng)器上部設(shè)置四組旋風(fēng)分離器，將合成氣催化劑粉塵過濾掉，盡量使粉塵不被帶出設(shè)備。

旋風(fēng)分離器上吹掃口較多，將設(shè)備布置在框架中心，有兩個(gè)好處：第一，減少塔上的平臺(tái)及貼板數(shù)量；第二，方便配管及后期施工。

3 管口方位的確定

反應(yīng)器總高約35000mm，管口共156 個(gè)，其中溫度計(jì)口50 個(gè)，壓力表口7 個(gè)，差壓計(jì)口14 個(gè)，鍋爐水進(jìn)口8 個(gè)，蒸汽出口8 個(gè)，物位計(jì)20 個(gè)，儀表吹掃口12 個(gè)。

分三部分來考慮管口方位：第一部分為氣固分離段；第二部分為冷管段；第三部分為反應(yīng)器進(jìn)料段。

3.1 氣固分離段

3.1.1 旋風(fēng)分離器的方位

對于內(nèi)部有較多部件的設(shè)備，首先需要確定其內(nèi)件的方位，即根據(jù)其相關(guān)的管口的配管來確定。

由于旋風(fēng)分離器上吹掃口較多，且每個(gè)吹掃口均有閥組，因此，需要根據(jù)其配管的情況來確定旋風(fēng)分離器的方位。將旋風(fēng)分離器的方位分為居中均布和跨中均布，見圖3。

圖3 旋風(fēng)分離器及吹掃閥組布置

圖3 左側(cè)方案配管區(qū)域會(huì)占據(jù)框架大部分位置，人孔M4 的方位檢修也不方便。右側(cè)方案的管道配管可以使吹掃口配管只占框架的南北兩側(cè)，這樣人孔也方便檢修，因此，旋風(fēng)分離器選用跨中均布，相應(yīng)的吹掃口位置也就確定了。

3.1.2 人孔的方位

一般情況下在進(jìn)行方案確定時(shí)，應(yīng)該將設(shè)備周圍分為配管區(qū)和操作區(qū)，其中配管區(qū)指工藝管道及公用工程管道的布置區(qū)域，操作區(qū)即人孔區(qū)域，此區(qū)域在設(shè)置時(shí)需要考慮方便檢修。

在布置人孔時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量將其放置于一條直線上。一般靠近廠區(qū)主干道一側(cè)，或位于靠近于無障礙的一側(cè)，這樣布置的好處有兩點(diǎn)：①方便吊車、運(yùn)輸車輛等工具在設(shè)備檢修、更換內(nèi)件時(shí)有足夠的作業(yè)空間。檢修時(shí)從設(shè)備內(nèi)部拆卸的塔盤或其他內(nèi)件可以從人孔中抽出，內(nèi)件或催化劑在此處方便裝車；②道路的相對一側(cè)一般為框架或管廊，這一側(cè)為配管側(cè)，使配管可以達(dá)到簡潔，美觀，視覺統(tǒng)一的效果。

當(dāng)人孔較高而不方便靠近時(shí)，一般需要設(shè)置操作平臺(tái)，平臺(tái)高度距離人孔中心600～1000mm 之間，最宜高度為750mm，平臺(tái)寬度一般為1200mm。設(shè)置時(shí)需要注意以下問題：①當(dāng)設(shè)備直徑小于2000mm 時(shí)，而上面又有操作平臺(tái)時(shí)，需要考慮吊柱是否可以伸出至平臺(tái)外，一般情況下，設(shè)備專業(yè)設(shè)置的吊柱長度為設(shè)備直徑的0.7 倍；②人孔開啟的方向一定是跟逃生方向相反，否則事故時(shí)且人孔開啟，會(huì)阻礙人員的撤離。

對于填料塔的人孔布置，一般并無特別要求，有的人孔會(huì)位于填料段上方的分配管的上面，用于檢修分配管，此時(shí)需要注意進(jìn)料管的形式和方位，如果進(jìn)料是T 型分配管，則此處人孔需要跟進(jìn)料管成180°對稱布置，如果進(jìn)料管進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后直接接分配盤，則其只要跟人孔不碰撞就行。

此反應(yīng)器氣固分離段，共有3 個(gè)人孔，主要用于檢修旋風(fēng)分離器。設(shè)備內(nèi)部設(shè)置了直爬梯，連接三個(gè)人孔，所以，這三個(gè)人孔需要在一個(gè)方位。其次，人孔需要跟旋風(fēng)分離器岔開45°布置，來保證人在內(nèi)部操作的空間。人孔及旋風(fēng)分離器管口方位見圖4。

圖4 人孔及旋風(fēng)分離器管口方位

3.1.3 頂部管口及儀表口

反應(yīng)器頂部管口（N2）見圖5。

圖5 反應(yīng)器頂部管口

彎頭N2 口上有拆卸法蘭。對于此框架來說，其出料口管道需要在框架南側(cè)，因此，N2 位置就是180°。

壓力表口盡可能均布，但由于其中一組壓力表P6b 需要進(jìn)入集氣室，必須與旋風(fēng)分離器出口進(jìn)集氣室的管子避開，因此，無法保證壓力表完全均布。

對于溫度計(jì)這類有內(nèi)伸管的管口，需要注意是否會(huì)與內(nèi)件碰撞。由于旋風(fēng)反應(yīng)器上部會(huì)有管道進(jìn)入集氣室，要盡量與旋風(fēng)岔開角度布置。但由于頂部管口較多，無法岔開角度，經(jīng)過模擬，T50 口的溫度計(jì)內(nèi)伸不會(huì)跟內(nèi)件相碰，因此，頂部管口布置見圖6。

圖6 反應(yīng)器氣固分離段管口方位

3.2 冷管段

3.2.1 冷管的管口方位

在確定一些設(shè)備冷卻水管口的方位時(shí)，需要注意設(shè)備內(nèi)部折流板的位置，例如立式換熱器，需要注意折流板個(gè)數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，當(dāng)折流板為偶數(shù)時(shí)，進(jìn)水口跟出水口需要盡量成180 度布置；當(dāng)折流板的為奇數(shù)時(shí)，進(jìn)水口跟出水口需要盡量在同一側(cè)布置，見圖7。否則對于換熱器本體的換熱效率有影響。

圖7 冷管進(jìn)出管口

3.2.2 人孔的方位

此部分只有一個(gè)人孔，位于冷管段上方，與汽水混合物出口（冷管出口，介質(zhì)為中壓蒸汽）高差僅有500mm，見圖8。因此，人孔盡量與冷管出口管夾角45°方位布置。

圖8 M3 及冷管出口管口方位

3.3 反應(yīng)器進(jìn)料段

3.3.1 進(jìn)料口的方位

反應(yīng)器的進(jìn)料口若為多個(gè)管口的時(shí)候，一般都需要對稱布置，否則會(huì)造成流體偏流。對于此反應(yīng)器而言，進(jìn)料口后分別接了分布器。因此，進(jìn)料口必須對稱布置。見圖9。

圖9 進(jìn)料口內(nèi)件詳圖

3.3.2 人孔的方位

M2 口位于固定流化床上方，冷管下方，與溫度計(jì)口T4～T7 僅有400mm 的高差。溫度計(jì)口盡可能均布以反映出各個(gè)位置的溫度，也為了防止設(shè)備內(nèi)部發(fā)生偏流導(dǎo)致溫度計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)確。因此，人孔也需要跟溫度計(jì)口成45°夾角布置，見圖10。

圖10 M2 及T2～T5 管口方位圖

M1 孔位于塔釜段，用于檢修合成氣進(jìn)口分布器，與進(jìn)氣口N1a/N1b 高差600mm，如果可能的話，人孔盡可能跟進(jìn)料口成90 度夾角布置，見圖11。

圖11 M1 及進(jìn)料口管口方位圖

3.3.3 外盤管蒸汽及凝液管口方位

外盤管一般將蒸汽口放在一個(gè)方位，凝液口放在一個(gè)方位，這樣蒸汽管可以配在一個(gè)角度上。當(dāng)管口很多的時(shí)候可以方便配管，兩個(gè)管口之間要根據(jù)設(shè)備要求。有時(shí)要求同一高度的蒸汽口和凝液管口需要有一定的角度，有時(shí)兩個(gè)管口之間有一定距離的要求。

當(dāng)設(shè)備為夾套設(shè)備，需要注意設(shè)備夾套的蒸汽進(jìn)口跟凝液出口需要保證180°，否則內(nèi)部蒸汽可能會(huì)發(fā)生偏流而導(dǎo)致設(shè)備受熱不均勻。

凝液管口配管，之前考慮過將凝液出口之間岔開角度布置，這樣凝液口往下走的時(shí)候就可以省一個(gè)彎頭，但后來發(fā)現(xiàn)會(huì)有兩個(gè)問題：①如果凝液口旋轉(zhuǎn)，那么相同高度的蒸汽口也得旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)口之間的部分沒有伴熱，對于伴熱段少的設(shè)備此部分影響較小，若設(shè)備伴熱口多，若凝液口旋轉(zhuǎn)而蒸汽口不同時(shí)旋轉(zhuǎn)，則會(huì)有一定影響；②如果凝液口旋轉(zhuǎn)，向下的管道會(huì)成一個(gè)弧形，除非每個(gè)管道增加一段長度來將管道伸長至同一個(gè)平面，否則設(shè)備支架不好做。

此設(shè)備共有三組伴熱，位于塔釜位置，設(shè)備要求同一高度的蒸汽口跟凝液口有240mm 的間距要求。伴熱凝液管口側(cè)面見圖12，伴熱凝液管口間距要求見圖13。

圖12 伴熱凝液管口側(cè)面圖

圖13 伴熱凝液管口間距要求

4 結(jié)語

按本費(fèi)脫合成項(xiàng)目合成反應(yīng)器管口工程設(shè)計(jì)，總結(jié)如下：

（1）首先，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝原理、物料相態(tài)和流程，在滿足工藝流程條件下， 初步規(guī)劃主物料管口、輔助管口、人孔、儀表管口等布置，再根據(jù)流程模擬，確定最優(yōu)布置方案。

（2）其次，應(yīng)當(dāng)考慮到人孔的位置、方位。人孔的布置應(yīng)方便檢修，開啟方向應(yīng)該與平臺(tái)疏散方向相反。

（3）其余管口的布置需要考慮其本身的屬性，如是否有內(nèi)伸管，是否需要頻繁拆裝、是否需要對稱、是否接分布器等。

（4）反應(yīng)器管口方位的設(shè)計(jì)，即綜合考慮對應(yīng)的管道布置，否則會(huì)導(dǎo)致管口方位本身符合要求，但是反應(yīng)器周邊配管的后續(xù)施工、操作、檢修方面存在困難或不合理。