硫酸法烷基化裝置儀表選型設計

董愛娜，鄭水成

（中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

目前，全球燃料清潔化的總趨勢是汽油向低硫、低烯烴、低芳烴、低苯發展。《車用汽油》（GB 17930-2016）已于2016 年12 月23 日發布，汽油標準的提高，煉化企業需相應調整汽油池調和組分，限制催化加氫汽油、芳烴調和比例，降低車用汽油烯烴、芳烴含量。

烷基化工藝可以將異丁烷和C4 烯烴通過反應生成高辛烷值烷基化油，該產品特點有：零芳烴、零笨、零烯烴、低硫、低蒸汽壓，RON 和MON 不僅絕對值高而且差距小，同時烷基化油具有良好的穩定性和低毒性，無腐蝕，便于儲存和運輸，是高辛烷值汽油的理想調和組分。

基于上述，烷基化裝置成為煉廠提高汽油產品質量，優化產品結構，提高經濟效益的迫切需要。本文將結合烷基化裝置的特點及實際應用經驗，通過對耐硫酸材料的分析，結合工程經驗，介紹溫度、壓力、流量、液位及閥門等儀表選型原則及安裝注意事項。

1 硫酸法烷基化裝置特點

圖1 硫酸濃度和溫度對ALLOY20腐蝕的影響[1]Fig.1 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of aluminium 20[1]

硫酸法烷基化工藝主要有DuPont 公司Stratco 烷基化技術、Exxon Mobil Research and Engineering（EMRE）公司自動制冷技術和Lummus 公司CDAlky 低溫烷基化技術，反應原理均是異丁烷和C4 烯烴在98%（wt）濃硫酸催化劑的作用下，反應生產高辛烷值烷基化油，副產正丁烷、異丁烷、丙烷和燃料氣。本文以Lummus 公司CDAlky 低溫烷基化技術為例，流程主要包括：選擇性加氫、烷基化反應、壓縮制冷、反應物分餾、酸排放系統等部分。由于采用濃硫酸做催化劑，烷基化反應部分、酸排放系統等部分含硫酸介質的儀表材質均需充分考慮腐蝕性要求。

2 耐硫酸介質材料分析

不同的材料在不同濃度或溫度的硫酸中顯示出不同的耐蝕性，彼此之間沒有相同的規律。因此，耐硫酸材料的選用必須以試驗和經驗為基礎。George.A.Nelson 首先根據大量的實驗資料和工廠的使用經驗繪制了耐硫酸材料選用圖。他把硫酸的濃度-溫度狀態圖（常壓沸點以下）劃分成10 個區域，各區內腐蝕率≤0.5mm/年的材料用表列出。

本裝置含酸介質操作溫度低于50℃，做催化劑的濃硫酸濃度在98%（wt）左右，但過程介質含酸濃度不一，結合George.A.Nelson 的材料選用圖和材料表，結合不同儀表設備常用材料及以往工程經驗，選取以下材質作為含硫酸介質儀表設備材質。

1）ALLOY20/UNS N08020（0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb）：一種鉻鎳鉬銅固溶強化型鐵鎳基合金，專門發展用于硫酸中的合金。圖1 表示ALLOY20 在硫酸中的等腐蝕圖，可看出它在50℃以下，在整個硫酸濃度范圍內都有較好的耐蝕性[1]。其熱加工、冷加工及焊接性能均優良，并且也容易鑄造成形。

2）哈氏合金BC：主要成分為鎳-鉬合金鎳鉻鉬合金，目前廣泛使用的有N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)。在氧化和還原兩氛圍狀態中，對大多數腐蝕介質具有優異的耐腐蝕性能。圖2、圖3 表示哈氏合金B、C 在硫酸中的等腐蝕圖，可看出它們在50℃以下，在整個硫酸濃度范圍內都有較好的耐蝕性。

圖2 硫酸濃度和溫度對哈氏合金B腐蝕的影響[1]Fig.2 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy B[1]

圖3 硫酸濃度和溫度對哈氏合金C腐蝕的影響[1]Fig.3 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy C[1]

3）鉭：鉭金屬材料的耐腐蝕性能可同玻璃相比美[2]。從圖4 可看出，在200℃以下，在整個硫酸濃度范圍內鉭都有較好的耐蝕性。但由于其價格昂貴，一般只用于壓力儀表膜片。

3 儀表選型

3.1 溫度測量儀表選型

圖4 各種合金鋼在硫酸中的等腐蝕圖Fig.4 Isocorrosion diagram of various alloy steels in sulfuric acid

對于含酸介質，溫度儀表（雙金屬溫度計、熱電偶、熱電阻）應重點注意接液部件材質的選擇，溫度計套管直接與工藝介質接觸，插入深度位于管道直徑的1/3 ～1/2 處。受介質沖刷和腐蝕較嚴重，本項目選用ALLOY 20 作為外套管及法蘭材質，墊片作為接液部件，也需考慮硫酸腐蝕，本項目墊片材質采用ALLOY20+PTFE。

3.2 壓力測量儀表選型

壓力測量儀表，包括壓力表、壓力和差壓變送器。對于含酸介質，首選隔膜式，以減少接液部件。綜合介質的腐蝕性、經濟性以及常用膜片材料等因素，本項目壓力儀表膜片及接液部件材質選用鉭合金，法蘭不接液，材質選用316L，墊片材質采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環，材質為ALLOY20。

3.3 流量測量儀表選型

對于需要精確計量或需同時測量密度的場合，本項目采用質量流量計。從腐蝕性和實用性考慮，對于含酸介質，本項目質量流量計測量管及法蘭材質采用哈氏合金B/C。

不需要精確計量場合，對于含酸介質，本項目首選電磁流量計。電磁流量計襯里采用PTFE 或PFA，從根本上解決了酸性介質腐蝕問題，經濟合理。需要注意其它接液部件材質，本項目電極材質選用鉭，接地環材質選用ALLOY20。

節流裝置：節流件材質采用ALLOY20，法蘭和取壓管材質同管道材質。

3.4 液位測量儀表選型

對于含酸介質，液位就地指示均采用磁浮子液位計。遠傳首選雙法蘭液位變送器，測量范圍較小時，選用浮筒液位變送器。中和池采用導波雷達液位計，硫酸罐采用高頻雷達液位計。

綜合腐蝕性、經濟性以及液位儀表常用材料等因素，本項目液位儀表材質選擇如下：

磁浮子液位計：本體及接液部件、浮子、法蘭、排污閥、放空閥及短節等材質均采用316 內襯PTFE 或PFA。

浮筒液位變送器：本體及接液部件、法蘭、排污閥、放空閥及短節等材質均采用碳鋼內襯PTFE 或PFA，浮子材質采用ALLOY20。

雙法蘭差壓液位變送器：膜片及接液部件材質為鉭合金，法蘭不接液，材質為316L, 墊片材質采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環，材質為ALLOY20。

導波雷達液位計：導波桿材質—316+PTFE；法蘭材質—316+PTFE。

高頻雷達液位計：天線形式—平板式；材質—316+PEEK；法蘭材質—316+PEEK。

3.5 控制閥選型

對于含酸介質調節閥，首選GLOBE 閥。當管道材質為ALLOY20 和316L 時，調節閥閥體及閥蓋材質采用A351-CN7M，閥芯、閥座、閥桿材質采用ALLOY20，填料材質采用V 型聚四氟乙烯；當管道材質為20#時，閥體及閥蓋材質采用A351-CF8M，閥芯、閥座、閥桿材質采用ALLOY20，填料材質采用V 型聚四氟乙烯。

對于含酸介質切斷閥，當管道口徑≥DN300 時，采用蝶閥；當管道口徑＜DN300 時，采用球閥，材質選擇原則同調節閥。

3.6 PH計選型

烷基化裝置中，脫氣廢水、含油污水、酸堿密閉排放等均排至中和池，為保持中和池內污水PH 值達到排放標準，在中和池設2 個PH 計，1 個用于控制注酸或注堿量，1 個用于指示報警；另外，在污水泵出口管線也設置1個PH 計用于聯鎖。當PH 值超標時，聯鎖關閉外排管道切斷閥，污水返回中和池。在中和池上的PH 計采用投入式支架，探頭材質采用PVDF，法蘭材質采用316+PVDF；在管道上的PH 計采用流通池式安裝，流通池和連接法蘭材質采用316L，與工藝管道材質一致，探頭材質采用ALLOY20。

4 儀表安裝注意事項

以下注意事項針對含酸介質儀表安裝。

1）采用ALLOY20 節流裝置，本項目均采用徑距水平取壓，取壓短管規格：?60.3×3.91，材質：ALLOY20。一次取壓閥為DN50 法蘭閘閥，材質：ALLOY20。配雙法蘭差壓變送器，膜片及接液部件材質選用鉭合金，法蘭不接液，材質選用316L, 墊片材質采用ALLOY20+PTFE，配沖洗環，材質為ALLOY20，與沖洗環連接的短節、截止閥、管帽等材質均為ALLOY20。

圖5 徑距取壓流量管路連接圖Fig.5 Hook-up drawing of flow measurement by diameter pitch tappings

2）磁浮子液位計、浮筒液位變送器上接沖洗油系統，由配管專業接至儀表管嘴處，下接密閉排放系統，與配管專業分界面為放凝閥后法蘭。

3）雙法蘭差壓液位變送器接沖洗油系統，由配管專業接至沖洗環與排凝閥之間，分界面如圖7 所示。

4）本項目含酸介質儀表（壓力表、壓力變送器、差壓變送器、差壓流量變送器、磁浮子液位計、浮筒液位計、雙法蘭差壓變送器）采用電伴熱，維持溫度5℃～10℃。電伴熱系統由防爆配電箱、電力電纜、防爆開關、接線盒、自限溫電伴熱帶及其附件組成。本項目設4 個配電箱，共102 個伴熱點。

5 結束語

硫酸的腐蝕速率與硫酸的濃度、溫度、流速和流動狀態均有關[3]，在進行儀表選型和安裝時，要綜合考慮各方面的因素。如操作狀態下工藝參數、開停工時工藝參數、非正常狀態下工藝參數、介質組成、環境溫度等，確保裝置安全、長周期運行。

圖6 帶密閉排放液位儀表安裝圖Fig.6 Hook-up drawing of level measurement with closed drain

圖7 帶沖洗液位儀表安裝圖Fig.7 Hook-up drawing of level measurement with flush