催化反應裝置催化劑管線的配管設計

徐 瑞

（華陸工程科技有限責任公司）

現代社會， 化學工業與人類生活息息相關。但是很多重要的化學反應進行的都很緩慢，根本無法滿足高速發展的社會要求，于是催化反應應運而生。 催化劑的應用大幅縮短了化學反應時間，提高了反應速率，使得化學工業大規模生產成為可能。 據文獻統計，目前80%～90%的化學反應都是催化反應。 由此可以看出，催化反應在近代化學工業中占據著舉足輕重的地位［1］。

一套催化反應裝置的平穩運行，主要依賴于催化劑的活性和循環使用效率，而催化劑的活性和循環使用效率不僅受催化劑本身物性的影響，還與輸送催化劑的管線走向、材料選擇及支吊架設計等有密不可分的關系。 催化劑管線的設計不合理、管件管材的選型不合適等諸多因素都會造成催化劑磨損嚴重、輸送困難，進而影響催化裝置的穩定生產［2］。

筆者以某項目催化裝置為例，通過科學美觀的設備布置、經濟合理的管材選型及安全可靠的支吊架設置等，從多方面確保催化劑管線在滿足工藝流程的前提下，實現催化裝置的長期平穩運行。

1 工藝流程

催化裝置工藝流程大致是：外部添加的催化劑顆粒，利用氣體輸送的方式裝填進入催化劑儲罐備用。 開車前，將儲罐中的催化劑輸送至反應器，通過兩級預熱系統，用過熱空氣將催化劑預熱到320℃以上，然后按照比例，與反應氣一同進入反應釜內開始化學反應，反應釜的溫度維持在400～430℃， 反應后的氣體經過反應釜內部的旋風分離器，除去99%的夾帶催化劑顆粒；未除去的催化劑，經過催化劑過濾器進一步除塵，經過多次過濾后，氣體中催化劑粉塵含量小于50mg/m3。 所有過濾出的催化劑顆粒經過收集進入再生裝置， 再生后的催化劑可重復上述流程，循環使用。

2 管道和閥門選材

管道的材料選擇主要根據流經管道內部的介質特性來確定，從上述工藝流程可以看出，對于該催化劑管道，除了考慮溫度和壓力外，耐腐蝕性和耐磨損性是不可忽略的兩個重要因素。當催化劑顆粒從外界進入催化劑罐時， 溫度和壓力都較低，流速相對緩慢，且從物質類別分析沒有腐蝕性，故在管道選材時，可采用常用的碳鋼20#鋼，壁厚計算除了考慮溫壓耦合外，主要考慮催化劑顆粒狀物質引起的一定程度的磨損腐蝕，腐蝕余量較常規的1.5mm 稍大，取2.0mm即可；為了滿足催化劑反應活性的要求，該管線通過兩級預熱器，在進入反應器時，溫度和壓力均明顯提高，設計溫度變為430℃，壓力升高至0.7MPa，流速成倍增加，與反應氣充分融合加快化學反應速度。 由于反應氣中攜帶少量的氯氣和HCl 氣體，因此對于此段的管道選材，不僅要滿足高溫高壓環境的要求， 還必須考慮HCl 氣體帶來的腐蝕問題。 通過工藝分析，該管線介質中不含水蒸氣，故而不會和HCl 氣體生成鹽酸，在腐蝕余量方面主要考慮高溫和耐磨。 但考慮到高溫環境下可能會產生游離的氯離子， 故而不能選擇不銹鋼材料。 綜合以上原因，管道選材考慮采用耐高溫、 耐腐蝕的15CrMoG 材料比較合適，腐蝕余量取3.0mm。 這類鉻鉬合金鋼具有膨脹系數小、 導熱系數大和抗高溫氧化性能好的特點。

催化劑管線上閥門的選擇也是需要特別考慮的。 首先，為了適應催化劑是顆粒狀流體的特點，應選用開關迅速且摩擦密封的球閥。 球閥在眾多閥門類型中有流體阻力小、 流動特性好、開關迅速和密封可靠的特點［3］。球閥相較于其他類型閥門的一個顯著優點是能夠用于顆粒狀介質，原因是球閥的球體在閥座之間的運動帶有擦拭作用， 可以將顆粒狀介質通過擦拭擠出密封面，從而達到保護密封面且緊密密封的作用。 其次，應用在催化劑管線的球閥還有一個特別的技術要求： 由于催化劑價格昂貴， 甚至以克計價，所以在應用中要盡量避免不必要的浪費。 普通球閥在閥座的角落里會堆積一部分的介質無法流通，這對于催化劑管線是非常不經濟的，因此應用于催化劑管線的球閥應在閥座密封處用某種特殊的金屬堆焊結構密封， 以避免催化劑漏入球閥球體與殼體間的空隙里。 為了使球體能夠緊密貼合密封面，球體上部還安裝有碟簧，其作用是給運動的球體一個彈簧附加力， 使之緊密貼合密封面， 進一步起到密封和防止催化劑浪費的作用。

3 催化劑管線的配管原則

管道配管的基本原則是依據工藝流程圖，在滿足設計規范的基礎上盡量使管道的走向美觀，閥門操作方便。 由于本催化反應裝置的介質特殊性和高溫環境， 在配管時需進行幾點特殊的考慮。

本裝置的催化劑是顆粒狀介質，故在設備布置時，應考慮該管道的路徑盡可能短，彎頭數量盡可能少。 同時為了使管道內介質流動通暢，水平管段不宜過長且宜設置一定的坡度。 在配管時需要特別注意的是，管道一定不得有袋形和死角出現（圖1），避免催化劑的磨損和堆積，長時間運行后影響管道內介質的通行。

圖1 袋形和死角圖例

為了減少磨損，在拐彎處應采用大曲率半徑的彎管，彎管的曲率半徑應根據輸送方式、物料的特性、工藝要求和流動方向確定，且應滿足PID的要求。 大曲率半徑彎頭可以有效降低因彎頭處碰撞而造成的磨損，保證裝置平穩運行。 本催化劑裝置彎頭均采用6D 大曲率半徑彎頭。 除了采用大曲率半徑彎頭在拐彎處減少磨損之外，還可以在分支處采用45°斜接，以達到減少沖擊、防止磨損的目的。

根據工藝要求， 為了保證介質充分的流動性， 均在水平管段沿彎頭切線處設置輸送風管道，其流向與催化劑管道流向一致，給予介質一定的推動力。 該送風管線的設置不僅能夠推動催化劑流動，還能起到松動的作用，避免了彎頭處催化劑的沉積。 每條輸送風管線上均設置了閘閥和截止閥， 方便根據催化劑的流動情況切斷和調節風量。 由于輸送風管道與催化劑主管管徑相差較大，因此為方便設計和施工，有輸送風管道的催化劑主管彎頭處均采用特殊彎頭（圖2）。

圖2 特殊彎頭示意圖

在催化劑管道水平段處可適當設置視鏡，以方便觀察管內介質流動情況，是否存在催化劑沉積。 另外，在較長的管道水平段處還應設置部分檢查口，安裝有閥門，便于檢查和檢修。

4 管線應力分析

由于介質的特殊性，造成催化劑管線的配管大多為帶有一定坡度的直管且主管和支管之間也采用硬連接，這樣的配管必然造成整個管系的柔性較差。 根據工藝流程，該裝置催化劑管線均與反應器相連，管線溫度偏高，如果不采取一定的措施增加管道柔性， 降低反應器管口受力，裝置的平穩安全運行是無法保證的。 故在管道應力工程師的協助下，與工藝專業工程師深入探討了真實操作工況，給出以下解決方案。

圖3 催化劑進料管線

催化劑進料管線（圖3）和卸料管線（圖4）的應力分析。 催化劑的進料管線和卸料管線最高溫度可達430℃，本裝置是連續反應裝置，但催化劑的裝卸是個間歇過程，催化劑的進料管線和卸料管線僅在開停車時使用，因此可在催化劑卸料管線閥門后、進料管線閥門前設置金屬軟管，反應裝置運行時將金屬軟管拆卸掉， 用盲板封閉，使得進卸料管線與反應器脫開，避免管線溫度過高引起應力問題；當裝置停車或者檢修時，待反應器溫度降至室溫后，再連接金屬軟管，進行催化劑的裝卸，避開了管線的應力傷害。

圖4 催化劑卸料管線

催化劑過濾器下料管線（圖5）的應力分析。由于反應原料均為氣體，因此反應器出口管線攜帶大量的催化劑，經過反應器內的旋風分離器理論上可以除去99%的夾帶催化劑顆粒，但實際操作中發現還有大量的催化劑進入催化劑過濾器，需要經過進一步過濾后重新返回反應器，這是一個連續過程，無法通過上述方法解決管線應力問題。 該管線操作溫度330℃，操作壓力0.6MPa，為避免高溫下催化劑在運輸過程中的沉積和磨損，該管線從催化劑過濾器底部45°斜坡向反應器管口、管線的走向已定，而且為硬連接，所以無法通過改變管線走向來增加管道柔性從而克服管道應力。

圖5 催化劑過濾器下料管線

經過計算，在反應器管口和管線的轉折點前后處各增加一個單式萬向鉸鏈型膨脹節，利用膨脹節吸收變形量，可以保證管口的受力不超過許用應力。

對于上述兩個問題的處理可以看出：管道應力問題在催化劑管線上是突出存在的，但解決方案應是根據不同情況綜合考慮的。 在設計過程中應注重與其他專業工程師的配合，以達到事半功倍的效果。

5 管架的設置

催化劑的管架設置與其他管道支架設置原則基本一致， 需要特別關注的是其操作特點，具有一定的特殊性和高溫支架的設置。 針對這兩點，對于該催化劑裝置，筆者進行了以下處理。

由于催化劑的進料和卸料管線是間歇使用的（僅在裝置停車時使用），因此所有管架均采用剛性支撐，且應滿足以下要求：

a.管架應滿足管道允許最大跨距和最大導向間距；

b.管架應設置在集中載荷大的位置，設在彎管和大直徑三通式分支管附近；

c.應按照支承點所承受的載荷大小和方向、管道的位移情況及管道的材料等條件選擇合適的支吊架；

d.催化劑管線需要經常檢修，因此管架的形式和安裝位置應便于管道的拆卸檢修，有利于施工，不妨礙操作和通行，且避免采用焊接結構。

催化劑過濾器下料管線（圖5）溫度較高，剛性支撐無法滿足要求，根據應力分析報告，管線上均采用彈簧支吊架，由于斜管處的東西位移較大，計算為向東125mm，因此在斜管處采用彈簧吊架，且需考慮偏裝。 根據GB 50316—2000 的規定［4］，一般彈性吊架鉸接點間的吊桿最小長度不應小于吊點處水平位移的15 倍， 這時吊桿偏斜角度在4°以內。 若吊桿垂直角度大于4°，則根據設計經驗可將吊點偏置水平位移1/2 安裝。

彈簧支架生根點距管道垂直距離為1 200mm， 若正常安裝， 則根據水平位移計算可知，吊桿的偏斜角度為5.9°，超過了4°，因此本彈簧支架需向西偏裝62mm， 偏裝后計算吊桿偏斜角度為 3°，符合 GB 50316—2000 的規定。

6 結束語

催化劑管線比較特殊， 傳輸介質為固體顆粒，工藝要求也比較苛刻，而且往往很多重要反應的催化劑都為貴金屬，造價很高，設計不合理容易導致管線阻塞，催化劑磨損，影響反應效率，降低工程產量，增加生產成本。 因此，在項目設計時要提前規劃管道走向， 考慮管道柔性和支吊架，并結合管道走向修改設備布置，按照催化劑管道設計要求嚴格施工，確保催化劑管道的正常運行，為催化裝置的高效運行提供保障。