聚丙烯裝置丙烯凈化工序設備布置及配管設計

(中國五環工程有限公司，武漢 湖北 430223)

UNIPOL工藝采用氣相流化床催化生產聚丙烯，是目前應用最廣泛的聚丙烯工業化工藝。原料丙烯中攜帶的硫(COS、H2S等)、H2O、As、P、CO、CH4和不飽和烴等雜質會嚴重影響催化劑和助催化劑的活性和選擇性，因此，必須在丙烯聚合反應前設置凈化單元，降低雜質的含量[1]。

吸附是多孔固體表面選擇性吸著氣體和液體的物理現象，是一種常見的傳質分離方法[2]。吸附劑吸附飽和后可采用降壓或高溫再生后重復使用，兩個吸附床層交替進行吸附-再生循環可實現連續吸附分離操作。

丙烯凈化通常采用多臺立式固定床設備裝填多種固體吸附劑和催化劑，直接吸附雜質或者將雜質催化反應成易于分離的物質，達到逐步、逐級脫除原料丙烯中多種雜質的目的。

本文通過某UNIPOL工藝聚丙烯項目工程實例，在實現工藝性能、滿足安全生產、方便安裝操作檢修要求的前提下，總結了丙烯凈化工序立式固定床設備組布置和并聯設備多操作工況配管設計的要點和經驗，為類似項目的設計提供參考。

1 工藝流程

本項目丙烯凈化工藝流程見圖1，脫氣塔為板式塔，精餾出塔頂的輕組分雜質排入火炬。其余凈化設備均為立式固定床設備。固堿罐、一級干燥罐、脫硫罐、二級干燥罐均為2臺并聯。固堿罐中的NaOH固體吸水后不可再生，一臺設備更換新堿時，另一臺需正常工作以保證凈化系統連續正常運行。一、二級干燥罐裝填高效吸水劑，吸附穿透時間為15d，脫硫罐內脫硫吸附劑穿透時間為30d。當一臺罐內吸附劑吸附飽和、失去凈化能力后，通過閥門將此設備隔離出凈化系統，并聯的另一臺進入正常操作狀態。對隔離的床層進行降壓退料后通入高溫氮氣再生，吸附劑在高溫、低壓環境中釋放吸附的雜質恢復吸附能力。雙床交替進行吸附-再生循環，以保證整個凈化系統連續穩定運行。在泄壓退料階段，罐內液態丙烯氣化會出現-70℃低溫工況。吸附劑設計使用壽命為3～5年。

圖1 UNIPOL工藝丙烯凈化流程注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級干燥罐

2 設備布置

2.1 設備布置原則

2.2 設備布置方案

本文介紹兩種典型丙烯凈化設備布置方案。

設備平面布置方案A見圖2。丙烯凈化界區中間設置一條東西向管廊，管廊西側與主管廊相連，管廊頂層設置平臺放置設備頂部管線閥組。設備露天布置，按照流程順序呈U形分布在管廊兩側：固堿罐C001a/b、脫氣塔T001、一級干燥罐C002a/b和脫硫罐C003a/b布置在管廊南側地面上；脫砷罐C004、脫MAP罐C005、二級干燥罐C006 a/b及其他設備布置在管廊北側。各排設備中心線對齊，設備外圍設置重載地坪作為吸附劑裝卸區域。各個設備人孔處設置平臺，以方便裝卸吸附劑。

圖3為設備平面布置方案B。立式固定床設備中心對齊，分兩排布置在框架內地面上，脫MAP罐C005支耳支撐在框架樓面上。一級干燥罐C002a/b、脫硫罐C003a/b和脫砷罐C004布置在框架南側；固堿罐C001a/b、二級干燥罐C006a/b、脫MAP罐C005布置在框架北側。調整各設備裙座或支耳高度，使得各設備頂部人孔高度接近，以方便從框架頂層平臺進行吸附劑裝填。底部人孔平臺朝向框架外，方便卸載吸附劑。脫氣塔T001布置在框架外西南處，與一級干燥罐C002a東西方向錯開，留出吸附劑的裝卸區域。塔配管區朝向框架，其他設備布置在框架下和框架外，框架中部樓面下吊設的管廊與主管廊相接。

對比丙烯凈化工序設備平面布置方案A與方案B，在滿足工藝要求、操作檢修、建筑安裝費用、占地面積、外觀等方面的結果見表1。

圖2 丙烯凈化工序設備平面布置方案A注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級干燥罐

圖3 丙烯凈化工序設備平面布置方案B注：C001a/b-固堿罐；T001-脫氣塔；C002a/b-一級干燥罐；C003a/b-脫硫罐；C004-脫砷罐；C005-脫MAP罐；C006a/b-二級干燥罐

表1 丙烯凈化工序設備平面布置方案比較

方案A的設備均布置在空曠處，設備吊裝方便，管廊跨度小，土建成本低，但是設備靠近管廊兩側布置，占地面積較大，設備平臺高度不一致，不便巡檢。方案B主要設備布置在一個框架內，增加了設備吊裝難度，土建成本提高，但框架頂部平臺方便閥門操作和巡檢，外觀緊湊整齊，是一種較優的布置方案。

3 配管設計

3.1 設計實例

以一級干燥罐為例，介紹高、低溫壓交變工況并聯設備的配管設計。一級干燥罐有3種設計工況：①90℃和2.9MPa(g)的正常吸附工況；②-46℃和0.93MPa(g)的降壓放空工況；③340℃和0.931MPa(g)的高溫再生工況。每臺吸附床15d要進行1次吸附-降壓-再生循環操作。與設備管口相連的管線也同步經歷常溫高壓-低溫低壓-高溫低壓交變工況。一級干燥罐相連管道的配管設計見圖4。丙烯是易燃易爆危化品，管線間設置多個閥門防止內漏發生危險。從圖中可以看出，與設備頂部和底部管口相連管道在與管口垂直的平面上做成“π”形，以增加柔性，滿足循環“熱脹冷縮”的應力需要。管道盡量短，且通過“步步高”或“步步低”的走向避免了產生難以封閉、排入火炬的低點。閥門集中布置在并聯設備中間，閥桿位于距地面或平臺500～1 700mm之間，方便操作。罐頂人孔上方管道設置可拆法蘭，方便打開人孔和裝卸吸附劑。

圖4 一級干燥罐配管設計

3.2 設計要點

根據介質特性和高、低溫壓交變工況并聯設備的操作特點，配管應滿足以下要求：①管道集中布置在設備一側，避開吸附劑裝卸區域；②管道走向有足夠柔性，進行多工況應力計算分析，避免冷熱相連的管線應力超標以及對并聯設備造成損壞；③閥門分別在罐頂平臺和罐底集中布置，方便操作和檢修，滿足手動準確控制溫度和壓力要求；④丙烯管道避免產生難以排凈的袋型和盲端。

4 結語

(1)根據工藝和操作要求、介質屬性和設備特點，成組立式固定床設備可布置在管廊兩側或框架內，設備附近設置裝卸區域，人孔朝向裝卸區并設置平臺，方便床層的裝卸。

(2)并聯設備相連管線上的閥組應分別集中布置在設備頂部和底部，以便于操作。

(3)高低溫工況頻繁交變出現的并聯管道應有足夠的柔性，同時滿足熱態管線和設備管口、冷態管道和設備管口的應力要求，確保整個管系和設備的安全穩定運行。