烯烴裂解反應器特殊再生隔離閥的設計探討

周曉龍,馬濤,王輝

(中石油華東設計院有限公司,山東 青島 266071)

烯烴裂解制丙烯是近年來備受關(guān)注的一項增產(chǎn)丙烯的工藝技術(shù)[1-4],筆者參與設計的烯烴裂解制丙烯工藝是以C4～C8烯烴為原料,采用固定床反應器催化裂解生產(chǎn)丙烯,在溫度為500～600 ℃,壓力為0.1～0.5 MPa,較高空速的反應條件下,原料在固定床反應器中和催化劑接觸發(fā)生催化裂解反應,獲得較高的丙烯選擇性及收率。烯烴裂解裝置設置2臺烯烴裂解反應器,當一臺反應器運行時,另一臺反應器進行再生,然后處于備用狀態(tài)。通過烯烴裂解反應器催化劑再生控制系統(tǒng)(CRCS)順序控制反應器出入口再生隔離閥組的開/關(guān)狀態(tài),實現(xiàn)反應器在線(運行用)和離線(再生用)操作。烯烴裂解反應器出入口再生隔離閥的相關(guān)設計要求直接影響烯烴裂解裝置的生產(chǎn)效果,在裝置中具有重要地位。

1 應用工況

少量烯烴在反應器內(nèi)高溫環(huán)境下會發(fā)生聚合反應,并沉積在催化劑表面形成焦炭,導致催化劑活性降低,因此需要48 h即1個工藝周期將2臺烯烴裂解反應器進行高頻切換操作,并對離線反應器內(nèi)催化劑進行燒焦再生。完成離線反應器油氣置換后,向其內(nèi)注入高溫凈化空氣,與待生催化劑上的焦炭進行燃燒,逐步恢復催化劑活性;同時在線反應器正常運行,反應器內(nèi)流經(jīng)介質(zhì)為經(jīng)過反應加熱爐加熱的超過500 ℃的高溫烯烴,為防止離線反應器中的高溫凈化空氣通過出入口隔離閥泄漏,與在線反應器出入口管線中的高溫烯烴接觸發(fā)生閃爆,對烯烴裂解反應器出入口隔離閥隔離密封提出了嚴格要求。

烯烴裂解反應器出入口隔離閥配置如圖1所示,LA/LB切斷閥為烯烴裂解反應器A/B入口隔離閥,YA/YB切斷閥為烯烴裂解反應器A/B出口隔離閥。

當反應器A運行/反應器B再生時: LA閥和YA閥全開,LB閥和YB閥全關(guān)。LB閥的閥板入口側(cè)和YB閥的閥板出口側(cè)均充滿高溫烯烴,LB閥的閥板出口側(cè)和YB閥的閥板入口側(cè)為空氣。通過LB閥和YB閥關(guān)閉密封完成空氣與高溫烯烴的隔離作用。

當反應器B運行/反應器A再生時: LB閥和YB閥全開,LA閥和YA閥全關(guān)。LA閥的閥板入口側(cè)和YA閥的閥板出口側(cè)均充滿高溫烯烴,LA閥的閥板出口側(cè)和YA閥的閥板入口側(cè)為空氣。通過LA閥和YA閥關(guān)閉密封完成空氣與高溫烯烴的隔離作用。

2 烯烴裂解反應器出入口隔離閥選型

2.1 閥結(jié)構(gòu)

烯烴裂解反應器出入口再生隔離閥選用雙楔板閘閥,雙楔板閘閥結(jié)構(gòu)如圖2所示,當閘閥關(guān)閉時,閥桿下行,將雙楔板向兩側(cè)擠壓,雙楔板的密封圈與閥體兩側(cè)的閥座硬密封,完成關(guān)閉密封動作,為雙向密封結(jié)構(gòu);當閘閥打開時,閥桿上行,將雙楔板向上提升至閘閥的上閥腔內(nèi),雙楔板與閥體兩側(cè)的閥座脫離,完成打開動作。

圖2 雙楔板閘閥結(jié)構(gòu)示意

2.2 閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)

流通介質(zhì)主要為溫度超過500 ℃的高溫烯烴,同時結(jié)合管道材質(zhì)要求,閥體材質(zhì)選用A351-CF8C(347H,w(C)≥0.04%)的高碳含鈮Cr-Ni奧氏體不銹鋼,由于含穩(wěn)定化學元素鈮,使其具有了更好的耐晶界腐蝕性及耐高溫強度,奧氏體不銹鋼閥體材料應按ASTM相關(guān)標準進行檢驗和固溶化加穩(wěn)定化熱處理。

閥門內(nèi)件材質(zhì)選擇應考慮導向部件的熱膨脹系數(shù)及熱強度、雙楔板及閥座材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)和堆焊工藝等。雙楔板基材選擇與閥體材質(zhì)一致,避免因熱膨脹系數(shù)不一致導致閥門卡澀現(xiàn)象。雙楔板的密封環(huán)及閥座采用堆焊硬質(zhì)合金硬化處理,同時為了進一步提高雙楔板的抗腐蝕及沖刷性能,在雙楔板接液的非密封環(huán)內(nèi)壁位置整體堆焊310材質(zhì)防腐蝕涂層?？紤]到該閘閥行程較長、操作頻率較高且介質(zhì)溫度過高的特點,閥桿選用Nitronic50氮強化奧氏體不銹鋼,在649 ℃溫度下具有非常好的機械性能。

2.3 閥門連接端

為防止高溫烯烴外泄引起閃爆,同時考慮高溫管線熱膨脹等應力因素,該閥采用對焊方式與工藝管線連接,可滿足高溫條件下的嚴密防泄漏需求,且成本相對較低。焊接時,在閥門的每一端削出1個倒角與管線上的一個類似倒角相匹配,并通過全穿透焊連接起來,且閥門對焊連接端倒角的內(nèi)外徑信息需與匹配的管道內(nèi)外徑信息一致。

2.4 安裝及泄漏測試

為防止反應器催化劑粉末在閥內(nèi)件位置聚集,該閥均在垂直管線立裝。隔離閥需在工廠整體組裝完畢后,整體按照API 598: 2016Valveinspectionandtesting進行檢驗和測試[5];執(zhí)行機構(gòu)安裝完成后,在垂直方向、軸水平方向進行閥門泄漏檢測。鑒于其高溫及特殊的操作工況,閥門應進行相關(guān)高溫泄漏測試,該測試應在規(guī)定的正常操作溫度下進行,高溫試驗的最大允許泄漏率滿足工藝的相關(guān)泄漏要求。為了保證泄漏率的重復性,泄漏測試至少要進行5次。

3 防內(nèi)漏特殊密封設計

3.1 閥腔常溫氮氣正壓密封

為了確保空氣與高溫烯烴充分隔離,避免閃爆,在閘閥上閥腔(閥蓋)處均設置常溫密封氮氣接口,并成套提供機械聯(lián)動閥,包含止回閥、截止閥,壓力變送器等配件。當切斷閘閥關(guān)閉時,機械聯(lián)動閥同步打開,閥蓋密封氮氣注入閥蓋及雙楔板之間閥腔,形成正壓密封,避免雙楔板的密封圈與閥體兩側(cè)的閥座硬密封失效時,空氣通過閥腔竄通至高溫烯烴側(cè)。密封氮氣的操作壓力應大于介質(zhì)側(cè)壓力,保證正壓密封效果。隔離閥通過常溫氮氣密封,形成了雙楔板關(guān)閉的正壓密封結(jié)構(gòu),當隔離閥處于非全關(guān)位置時,常溫氮氣機械聯(lián)動閥同步關(guān)閉,避免密封氮氣損耗。壓力變送器用于監(jiān)視氮氣正壓密封效果,壓力降低表示密封氮氣壓力不足,可能影響正壓密封效果,需采取相應檢查動作。

3.2 反應器入口隔離閥閥板上游側(cè)高溫氮氣隔離

LA/LB閥的閥體閥板上游側(cè)設置高溫氮氣接口,成套提供機械聯(lián)動閥,包含止回閥、截止閥等配件。當切斷閘閥關(guān)閉時,機械聯(lián)動閥同步打開,高溫氮氣注入閥體(閥板入口側(cè)),形成局部高溫氮氣隔離層,實現(xiàn)二次加強隔離,避免離線反應器空氣與入口側(cè)油氣接觸,LA/LB閥的常溫密封氮氣及高溫密封氮氣設置如圖3所示。當隔離閥處于非全關(guān)位置時,高溫氮氣機械聯(lián)動閥同步關(guān)閉,避免隔離高溫氮氣損耗。

圖3 入口隔離閥LA/LB的常溫密封氮氣及高溫密封氮氣設置示意

3.3 反應器出口隔離閥閥板下游側(cè)高溫氮氣隔離

隔離閥YA/YB的閥體閥板下游側(cè)設置高溫氮氣接口,成套提供機械聯(lián)動閥,包含止回閥、截止閥等配件。當切斷閘閥關(guān)閉時,機械聯(lián)動閥同步打開,高溫氮氣注入閥體(閥板出口側(cè)),形成局部高溫氮氣隔離層,實現(xiàn)二次加強隔離,避免離線反應器空氣與出口側(cè)油氣進行接觸,隔離閥YA/YB的常溫密封氮氣及高溫密封氮氣設置如圖4所示。當隔離閥處于非全關(guān)位置時,高溫氮氣機械聯(lián)動閥同步關(guān)閉,避免高溫隔離氮氣損耗。

4 結(jié)束語

烯烴裂解工藝對儀表的控制提出了嚴格的要求,更需要儀表專業(yè)與工藝專業(yè)技術(shù)人員緊密結(jié)合,研究吃透相關(guān)控制意圖。隔離閘閥在丙烷脫氫、乙烯裂解等裝置有較多應用,工藝流程對隔離閥提出了嚴格的密封要求。閘閥本身采用雙楔板密封環(huán)與閥座硬密封,氮氣注入閥蓋及雙楔板之間閥腔形成正壓密封,高溫氮氣注入閥板出、入口側(cè)形成局部高溫氮氣隔離密封三層密封設計方式,防止隔離閥內(nèi)漏,同時閥體采用對焊連接方式防止外漏。將再生烯烴反應器從反應系統(tǒng)中完整隔離出來,該設計方式較為新穎,值得借鑒并推廣應用。本文結(jié)合實際項目設計及使用經(jīng)驗,從烯烴裂解特殊隔離閘閥選型、材質(zhì)、安裝測試及隔離密封特殊設計等方面進行了介紹,可供借鑒和參考。