丙烷/異丁烷脫氫裝置反應進料/產物換熱管道設計

程瀝軍

(中石化洛陽工程有限公司 配管室，河南 洛陽 471000)

丙烯，異丁烯作為重要的石油化工中間體，主要用于生產聚丙烯、丙酮、丁醇、丙烯腈、聚異丁烯、MTBE、丁基橡膠及有機玻璃等化工產品的重要原料。近年來隨著聚丙烯聚異丁烯等下游產品需求的快速增長，以丙烷/異丁烷為原料，通過氧化制丙烯和異丁烯這一工藝路徑逐漸受到了人們的重視[1]。

反應產物換熱是丙烷/異丁烷脫氫裝置高溫管道的最后一環(huán)，反應產物通過換熱器和反應進料換熱后，操作溫度從475℃降至148.3℃，管道材料也從合金鋼降至碳鋼。然后通過產品氣壓縮機送至后續(xù)烯烴分離設備。本文結合LUMMUS工藝流程的特點，針對大連恒力130萬t/aC3/IC4脫氫裝置，對反應進料/產物換熱管道的設計進行了分析和探討。

1 工藝流程簡介

如圖1所示，反應進料分兩路，第一路丙烷C3進料從冷箱來，通過E-1002A/B/C殼程和反應產物換熱后進入加熱爐，另一路異丁烷C4進料從C4氣化罐來，通過E-1012A/B/C殼程和反應產物換熱后進入加熱爐。反應產物則只有一路，從蒸汽發(fā)生器來，通過E-1012A/B/C，E-1002A/B/C管程和反應進料換熱后，進入下一個反應產物冷卻器。

圖1 丙烷/異丁烷脫氫反應產物/進料換熱工藝流程簡圖

2 設備布置

C3/IC4脫氫裝置反應產物/進料換熱設備的布置分為豎面布置和平面布置。豎面布置比較簡單，主要考慮因素就是底部管程出口管道高出地坪，滿足做管道的支架和排凝凈空。然后根據換熱器的長度和支耳位置確定設備的安裝高度，本文核算后，六臺換熱設備支耳安裝在相對標高14.5m的構架上。

平面布置主要考慮兩點：第一，管程入口管道比較大，主管道為DN2550，為滿足均勻進料難以進行對稱布置，而是通過滿足流經每個換熱器的路程長度相同來均分，所以六個設備按一字排列；第二，根據C3加熱爐和C4加熱爐的相對位置，定位E-1002A/B/C和E-1012A/B/C，保證兩者的相對位置一致。管道和設備布置如圖2所示。

圖2 丙烷/異丁烷脫氫反應產物/進料換熱管道布置簡圖

3 管道設計

C3/IC4脫氫反應產物/進料管道有著特別的工況和設計要求：(1)管程進出口管道比較大，主管道為DN2550，6個分支管 為DN1200；(2)存在間歇的真空工況，對于低壓大管道，真空工況對管道材質壁厚的選取影響較大；(3)管程進口和殼程出口操作溫度分別為475℃和430℃，管道熱脹比較大，需要充分考慮管道的熱脹補償問題。

3.1 管道材料設計

管程入口管道和殼程出口管道溫度較高，選用P11合金鋼。管程出口管和殼程入口管道操作溫度較低，分別為148.3℃和40.9℃，選用A106B碳鋼。

管程出入口管道口徑大，按照內壓管道的壁厚選取原則[2]，經計算和適當增加余量，壁厚20 mm就能滿足要求，但由于存在真空工況，對于低壓大管道，真空工況屬于最苛刻工況， 所以按照外壓容器相關設計要求[3]來計算壁厚。用石油化工靜設備計算機輔助設計軟件對管道真空工況進行受壓分析，并取適量余量后，管程入口合金鋼主管道壁厚取31.75 mm，6個分支管取15.88 mm。管程出口管道分支管比較短，真空工況受壓分析容易通過，比較長的DN2550主管由于是碳鋼材料，焊接性能比較好，而且管道溫度低，采取管道外焊接加強圈的方式比較經濟可靠。經受壓分析，取20 mm的壁厚，最長每隔15 m做一個外壓加強圈,可以滿足真空工況要求。

殼程管道口徑比較小，按照內壓管道的壁厚選取原則，取適量余量后，也能滿足真空工況要求。

3.2 管道受力分析

合金鋼P11在475℃下的單位線性膨脹系數為12 mm/m，利用自然補償很難滿足換熱器管嘴受力要求，且進出口管徑較大，自然補償時管道占地面積較大，同時過多的轉彎也會導致過大的壓降和溫降，因此不能只考慮自然補償，而需要考慮設置波紋管膨脹節(jié)的方法，以增加管系柔性。波紋管膨脹節(jié)是由金屬波紋管以及約束附件組成的柔性管道元件，其本身可以流通介質，也允許較大變形，被接入管道后使整個管道成為易變形的彈性體，可以大幅度降低管道熱應力。

管程入口主管有一段比較長的東西走向直管，在東西方向的熱脹比較大，通過在中間設置止推支架，讓熱脹均分到兩端，西側的熱脹通過主管立管和水平管的2個膨脹節(jié)吸收，東側端的熱脹通過分支管水平管和立管上的3個膨脹節(jié)吸收，換熱器管程入口嘴子的受力小于設備嘴子允許受力值。管程出口由于溫度降低至148.3℃，而且材質為熱脹率小的碳鋼，熱脹產生的二次應力比較小，但由于管道比較大，而且設備嘴子受力比較苛刻，每個設備跟前的分支管仍需要設置一個膨脹節(jié)吸收熱位移，減少設備嘴子受力。

殼程出入口管道由于分支管比較小，所以熱位移可以通過改變管道走向，增加管道柔性來吸收。殼程入口溫度，材質為碳鋼，熱脹比較小，直接按最簡便的布置就能滿足吸收熱脹要求，每個嘴子的受力均小于設備嘴子允許受力值。需要注意的是，由于管道溫度低，管道水平位移比較小，但換熱器本身溫度比較高，且換熱器為細長形，造成殼程入口嘴子相對支耳的垂直位移較大，所以離嘴子最近的管道稱重支架需要設置成恒力彈簧支架。殼程出口由于換熱后溫度較高，熱位移量也比較大，所以通過改變管道走向設置π形補償器來吸收熱脹，主管同樣是在東西方向走向比較長，通過在主管中間設置止推支架，管道向兩側熱脹，熱位移均分至東西兩側，西側通過一段水平管和立管來吸收，東側通過分支管的π形補償來吸收，同樣由于殼程出口嘴子相對設置支耳的垂直位移較大，所以殼程出口管道的第一個承重架需要設置成彈簧支架。

用應力分析軟件CAESARII對上述管道進行受力分析后，計算得到的管殼程嘴子受力值均小于換熱器廠家給出的嘴子允許受力值。

4 結論

綜上所述，對于C3/IC4脫氫反應產物/進料換熱管道設計，本文就其平面及豎面布置需要考慮的因素及應對措施，提出了設計時應把握的原則；同時，對管殼程進出口管道設計，從材料選取、應力分析、支吊架設計等幾方面，較為全面又選取重點地闡述了其設計的要點。對上述各方面進行設計時，需要注意各部分既相互獨立、又相互聯系，比如在做方案布置時，就要考慮應力分析和支吊架的設計，綜合考慮以上各方面的因素，結合工藝流程要求，方可設計出即可靠又經濟合理的工程方案。