催化裂化裝置中兩器部分管道設(shè)計(jì)探討

摘 要:闡述了催化裂化的相關(guān)概念，分析了催化裂化裝置的主要類型、基本組成，探討了催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器中管道的特殊要求，提出了催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器中部分管道設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)把握的原則、方法。

關(guān)鍵詞:催化裂化裝置管道設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào):TE966文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(c)-0078-02

催化裂化是石油煉制過程之一，是在熱和催化劑的作用下使重質(zhì)油發(fā)生裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹?、汽油和柴油等的過程。原料采用原油蒸餾(或其他石油煉制過程)所得的重質(zhì)餾分油;或重質(zhì)餾分油中混入少量渣油，經(jīng)溶劑脫瀝青后的脫瀝青渣油;或全部用常壓渣油或減壓渣油。在反應(yīng)過程中由于不揮發(fā)的類碳物質(zhì)沉積在催化劑上，縮合為焦炭，使催化劑活性下降，需要用空氣燒去(見催化劑再生)，以恢復(fù)催化活性，并提供裂化反應(yīng)所需熱量。催化裂化是石油煉廠從重質(zhì)油生產(chǎn)汽油的主要過程之一。所產(chǎn)汽油辛烷值高(馬達(dá)法80左右)，安定性好，裂化氣(一種煉廠氣)含丙烯、丁烯、異構(gòu)烴多。作為催化裂化裝置核心的反應(yīng)器和再生器，需要有諸多輸送管道相連接，而輸送物質(zhì)相態(tài)較為復(fù)雜，對(duì)管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求較高。如果相關(guān)輸送管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)不科學(xué)，常常會(huì)帶來輸送阻力加大，發(fā)生管道諧振等，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此，必須要高度重視催化裂化裝置中反應(yīng)器和再生器管道的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可靠性。

1 催化裂化裝置主要類型

催化裂化裝置是將重油輕質(zhì)化的主要裝置之一，顆粒狀固體催化劑輸送是實(shí)現(xiàn)重油催化裂化的重要環(huán)節(jié)。催化裂化裝置有多種類型，按反應(yīng)器(或沉降器)和再生器布置的相對(duì)位置的不同可分為兩大類:反應(yīng)器和再生器分開布置的并列式;反應(yīng)器和再生器架疊在一起的同軸式。并列式又由于反應(yīng)器(或沉降器)和再生器位置高低的不同而分為同高并列式和高低并列式兩類。同高并列式主要特點(diǎn)是:催化劑由U型管密相輸送;反應(yīng)器和再生器間的催化劑循環(huán)主要靠改變U型管兩端的催化劑密度來調(diào)節(jié);由反應(yīng)器輸送到再生器的催化劑，不通過再生器的分布板，直接由密相提升管送入分布板上的流化床可以減少分布板的磨蝕。高低并列式特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短，減少了二次反應(yīng);催化劑循環(huán)采用滑閥控制，比較靈活。同軸式裝置形式特點(diǎn)是:反應(yīng)器和再生器之間的催化劑輸送采用塞閥控制;采用垂直提升管和90°耐磨蝕的彎頭;原料用多個(gè)噴嘴噴入提升管。

2 催化裂化裝置基本組成

催化裂化裝置通常由三大部分組成，即反應(yīng)、再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)。其中反應(yīng)、再生系統(tǒng)是全套裝置的核心。

(1)反應(yīng)、再生系統(tǒng)。新鮮原料(減壓餾分油)經(jīng)過一系列換熱后與回?zé)捰突旌希M(jìn)入加熱爐預(yù)熱到370℃左右，由原料油噴嘴以霧化狀態(tài)噴入提升管反應(yīng)器下部，油漿不經(jīng)加熱直接進(jìn)入提升管，與來自再生器的高溫(約650℃～700℃)催化劑接觸并立即汽化，油氣與霧化蒸汽及預(yù)提升蒸汽一起攜帶著催化劑以7～8m/s的高線速通過提升管，經(jīng)快速分離器分離后，大部分催化劑被分出落入沉降器下部，油氣攜帶少量催化劑經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器分出夾帶的催化劑后進(jìn)入分餾系統(tǒng)。積有焦炭的待生催化劑由沉降器進(jìn)入其下面的汽提段，用過熱蒸氣進(jìn)行汽提以脫除吸附在催化劑表面上的少量油氣。待生催化劑經(jīng)待生斜管、待生單動(dòng)滑閥進(jìn)入再生器，與來自再生器底部的空氣(由主風(fēng)機(jī)提供)接觸形成流化床層，進(jìn)行再生反應(yīng)，同時(shí)放出大量燃燒熱，以維持再生器足夠高的床層溫度(密相段溫度約650～680℃)。再生器維持0.15MPa～0.25MPa(表)的頂部壓力，床層線速約0.7～1.0m/s。再生后的催化劑經(jīng)淹流管，再生斜管及再生單動(dòng)滑閥返回提升管反應(yīng)器循環(huán)使用。燒焦產(chǎn)生的再生煙氣，經(jīng)再生器稀相段進(jìn)入旋風(fēng)分離器，經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器分出攜帶的大部分催化劑，煙氣經(jīng)集氣室和雙動(dòng)滑閥排入煙囪。再生煙氣溫度很高而且含有約5%～10%CO，為了利用其熱量，不少裝置設(shè)有CO鍋爐，利用再生煙氣產(chǎn)生水蒸汽。對(duì)于操作壓力較高的裝置，常設(shè)有煙氣能量回收系統(tǒng)，利用再生煙氣的熱能和壓力做功，驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)以節(jié)約電能。

(2)分餾系統(tǒng)。分餾系統(tǒng)的作用是將反應(yīng)，再生系統(tǒng)的產(chǎn)物進(jìn)行分離，得到部分產(chǎn)品和半成品。由反應(yīng)、再生系統(tǒng)來的高溫油氣進(jìn)入催化分餾塔下部，經(jīng)裝有擋板的脫過熱段脫熱后進(jìn)入分餾段，經(jīng)分餾后得到富氣、粗汽油、輕柴油、重柴油、回?zé)捰秃陀蜐{。富氣和粗汽油去吸收穩(wěn)定系統(tǒng);輕、重柴油經(jīng)汽提、換熱或冷卻后出裝置，回?zé)捰头祷胤磻?yīng)—— 再生系統(tǒng)進(jìn)行回?zé)?。油漿的一部分送反應(yīng)再生系統(tǒng)回?zé)挘硪徊糠纸?jīng)換熱后循環(huán)回分餾塔。為了取走分餾塔的過剩熱量以使塔內(nèi)氣、液相負(fù)荷分布均勻，在塔的不同位置分別設(shè)有4個(gè)循環(huán)回流:頂循環(huán)回流，一中段回流、二中段回流和油漿循環(huán)回流。催化裂化分餾塔底部的脫過熱段裝有約十塊人字形擋板。由于進(jìn)料是460℃以上的帶有催化劑粉末的過熱油氣，因此必須先把油氣冷卻到飽和狀態(tài)并洗下夾帶的粉塵以便進(jìn)行分餾和避免堵塞塔盤。因此由塔底抽出的油漿經(jīng)冷卻后返回人字形擋板的上方與由塔底上來的油氣逆流接觸，一方面使油氣冷卻至飽和狀態(tài)，另一方面也洗下油氣夾帶的粉塵。

(3)吸收、穩(wěn)定系統(tǒng)。從分餾塔頂油氣分離器出來的富氣中帶有汽油組分，而粗汽油中則溶解有C3、C4甚至C2組分。吸收——穩(wěn)定系統(tǒng)的作用就是利用吸收和精餾的方法將富氣和粗汽油分離成干氣(≤C2)、液化氣(C3、C4)和蒸汽壓合格的穩(wěn)定汽油。催化裂化裝置反應(yīng)速度、熱量很高，且高溫、易燃及爆炸危險(xiǎn)。為確保安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性，工藝對(duì)控制策略要求較高。實(shí)施中常規(guī)單回路較多，復(fù)雜回路相對(duì)較少;調(diào)節(jié)元件有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、擋板、三通閥、蝶閥、單動(dòng)、雙動(dòng)滑閥;有分程控制、常規(guī)串級(jí)回路、切換串級(jí)回路、裝置自保系統(tǒng)、機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)等。主回路TIC103，兩個(gè)付回路FIC105(燃料油流量)、FIC106(燃燒干氣流量)不同時(shí)使用，用切換開關(guān)HS4切換。

3催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器中部分管道設(shè)計(jì)

催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器中各類管道內(nèi)，物質(zhì)類型復(fù)雜，腐蝕性強(qiáng)，對(duì)管道的要求比較高，特別是相關(guān)催化劑輸送的管道內(nèi)有氣態(tài)、固態(tài)兩種流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)管道內(nèi)部流通與流動(dòng)能力提出的更高的要求，因此，在進(jìn)行相關(guān)管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須要充分考慮流通阻力的消減，采取切實(shí)可行的對(duì)策措施，確保催化劑得以充分輸送，與相關(guān)物質(zhì)充分混合，催化作用充分發(fā)揮。

(1)催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器管道設(shè)計(jì)基本原則。催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器是催化裂化裝置的核心部位，管道的相關(guān)設(shè)計(jì)要充分考慮耐腐蝕性、催化劑的高效輸送、催化劑與輸送物質(zhì)的充分混合等因素，把握好管道設(shè)計(jì)應(yīng)著重從減少管道輸送阻力，加大管道輸送能力，提高催化能力上下功夫。一要把握減少管道連接原則。在催化裂化裝置中兩器部分管道設(shè)計(jì)中，要首先把握的是盡可能減少管道的連接，減少管道連接的復(fù)雜性，盡可能控制管道的總長(zhǎng)度，使相關(guān)物質(zhì)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成交換與輸送，防止發(fā)生擁堵，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，造成生產(chǎn)事故。二要把握盡量使用直管原則。提高管道內(nèi)物質(zhì)的輸送速度，最有效的方法是在設(shè)計(jì)中盡量采用直管，盡量避免管道變向，迫不得以變向時(shí)，要在兩相鄰彎頭之間預(yù)留一段暢通段，接裝直管，減少因彎頭兩相鄰變相變化過快，而增加輸送阻力。三要把握管道環(huán)節(jié)中增加動(dòng)力、減少阻尼原則。在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)與施工中，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)要牢牢把握減少管道阻力這一原則，比如管道進(jìn)行焊接時(shí)，要盡可能采用平頭對(duì)焊方式;盡可能減少管道中閥門的使用;同時(shí)，要在管道中適當(dāng)位置設(shè)置相關(guān)輸送接力設(shè)備，提高管道輸送的動(dòng)力。在管道中合適位置加裝工業(yè)送風(fēng)點(diǎn)，增加管道輸送動(dòng)力，還要注意設(shè)置相關(guān)緊急避險(xiǎn)裝置，防止意外發(fā)生。

(2)管系主要元件的選擇。由于催化裂化裝置的獨(dú)特性，催化裂化裝置中反應(yīng)器與再生器兩部分催化劑輸送管道設(shè)計(jì)要優(yōu)先選用石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列。同時(shí)，在該同一管道系統(tǒng)中，其它元件的選用也應(yīng)當(dāng)同屬于統(tǒng)一的等業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，提高系統(tǒng)的可靠性。管道元件材質(zhì)的選擇的一個(gè)重要原則就是要根據(jù)催化裂化裝置工作溫度要求，按《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》(SH3059)中善于管道材質(zhì)使用溫度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。管道中彎頭、三通等管件的選擇要與管道材質(zhì)等強(qiáng)度，采用“短板”理論來確定以上管件的管壁厚度，保證管件最薄處壁厚與相應(yīng)管道壁厚一致，管件材質(zhì)與相應(yīng)管道材質(zhì)一致。管道中閥門材質(zhì)應(yīng)當(dāng)與相應(yīng)管道材質(zhì)匹配，考慮到催化劑固體顆粒的磨損、閥門處催化劑易堵塞及主管道內(nèi)介質(zhì)雙向流的因素。近年來，金屬硬密封偏心半球閥開始廣泛應(yīng)用在催化劑輸送管道上，該類型閥門具有開關(guān)響應(yīng)時(shí)間短、流通面積大、阻尼小、密封面的直接磨損較少、開關(guān)過程中能去除閥座密封面催化劑積垢等優(yōu)點(diǎn)，但由于該類型的閥門對(duì)偏心半球(閥瓣)和閥座密封面設(shè)計(jì)和制造精度有特殊要求，部分制造廠商由于精度要求達(dá)不到，或者是技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致該類型閥門在長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生抱死現(xiàn)象。

(3)管道應(yīng)力分析。管道應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮，管道支撐或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問題。管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析。靜力分析包括:①壓力荷載或持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計(jì)算，防止塑性變形破壞;②管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算，防止疲勞破壞;③管道對(duì)設(shè)備作用力的計(jì)算，防止作用力太大，保證設(shè)備正常運(yùn)行;④管道支吊架的受力計(jì)算，為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù);動(dòng)力分析包括:1)管道自振頻率分析，防止管道系統(tǒng)共振;2)管道強(qiáng)迫震動(dòng)響應(yīng)分析，控制管道震動(dòng)及應(yīng)力。兩器部分管道的應(yīng)力分析根據(jù)《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3041)的規(guī)定，結(jié)合工藝參數(shù)，利用美國(guó)公司COADE開發(fā)的Caesar Ⅱ進(jìn)行管道應(yīng)力分析。①設(shè)置計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn):Caesar Ⅱ采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，將管道通過節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)單元來建立管道計(jì)算模型，節(jié)點(diǎn)一般為管道端點(diǎn)、約束點(diǎn)、管徑改變點(diǎn)、材料改變點(diǎn)、計(jì)算參數(shù)(溫度、壓力)改變點(diǎn)等。②考慮各種工況:管道應(yīng)力分析時(shí)需要充分考慮多種工況組合，準(zhǔn)確確定工況數(shù)量。③數(shù)據(jù)輸入:管道應(yīng)力分析需要輸入的數(shù)據(jù)包括基本參數(shù)、管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)以及邊界條件。根據(jù)確定的工況條件，利用應(yīng)力分析軟件可獲得相應(yīng)的管道應(yīng)力分析結(jié)果。Caesar Ⅱ輸出結(jié)果后，根據(jù)規(guī)范自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)力校核，通常需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修改得到滿意結(jié)果。Caesar Ⅱ未將風(fēng)荷載、地震荷載等因素考慮進(jìn)去，一般將控制計(jì)算模型中各點(diǎn)最高應(yīng)力值控制在許用應(yīng)力值的80%左右。

(4)管道支架設(shè)計(jì)。管道支架設(shè)計(jì)要充分考慮支架的支撐作用，必須嚴(yán)格按照管道應(yīng)力分析結(jié)果，科學(xué)進(jìn)行分析，合理確定管道支架的使用。管道支架盡量使用剛性支架，減少設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生位移，在支承點(diǎn)的下方以支撐方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，起到支撐管道的作用。在催化劑輸送管道支架上設(shè)置墊板，通常選用碳鋼作為墊板材料。

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