苯乙烯抽提装置加氢反应器的布置和配管

2022-09-11

概述

苯乙烯抽提装置是采用加氢及萃取精馏的方法从粗裂解汽油的碳八 (C8) 馏份中获得聚合级的苯乙烯, 这是一种新型的技术。此法流程短, 能耗低, 每吨苯乙烯生产成本比乙苯脱氢方法低许多, 相对传统方法具有很大的竞争能力。本次采用GTC公司GT-Styrene技术, 新建一套3.5万吨/年苯乙烯抽提装置。

因为通过萃取精馏的方法很难将苯乙炔 (PA) 从C8馏份中脱除, 所以该技术第一步也是很重要的一步就是通过加氢反应使PA和氢气反应生成苯乙烯, 以脱除PA同时增加苯乙烯的产量。此次介绍的就是这两台加氢反应器R-1001A/B的布置和配管。PA加氢的成功率直接影响最终苯乙烯的产出率。

一、加氢反应器工艺流程简介

R-1001A/B既可串联运行亦可并联运行是此次流程设计最突出的特点。正常工况下两台加氢反应器串联运行, 操作温度约为60oC;但是当催化剂再生时, 操作温度约为450oC。其中最苛刻的工况是其中一台反应器进行催化剂再生反应, 另一台反应器正常工作, 这时两台反应器操作温度相差接近400oC。这时管道布置需要有足够的柔性, 以保证管口的应力满足要求。同时两种工况下, 切换阀门较多, 而且因为有氢气所以多为双阀, 在有限的空间内合理布置这些阀门需要巧妙的设计。

C8馏份进入R-1001A/B进行加氢反应, 停留时间若比需要时间长, 则会导致苯乙烯的加氢, 或苯乙烯聚合反应, 影响装置的产出率。因此, 为了缩短反应器回路中的停留时间, 设计时, 应考虑紧凑设备布置和尽量缩短直管段。

二、加氢反应器设备布置

1. 反应器框架布置

通常在装置布置时有两种布置类型, 一种是按照设备类型分区布置, 分区名称如塔区, 换热区等, 例如传统的常减压蒸馏装置。这种布置方式可以统一管理, 集中操作, 还减少了备用设备, 一般比较适合工艺上没有特殊要求的物料。另一种则是按照流程的顺序, 把装置分为反应区, 精馏区等, 例如乙苯脱氢法制苯乙烯装置。这是因为苯乙烯有易聚合生成聚苯乙烯的特性, 按照流程布置使管线尽量短, 减少聚合反应的可能性。所以苯乙烯抽提装置也采取第二种布置方式, 其中10区即为反应区, 反应器构架名为S10。

根据《石油化工工艺装置布置设计规范》SH 3011-2011中对于催化剂运输通道的要求故将管廊布置在S10北侧, 方便管道连接, 在南侧设置一条4米宽的道路, 道路净空至少4.5米, 路面内缘转弯半径最小为6米, 以便运输催化剂的车辆可以顺利通过, 并且为装卸催化剂留有足够的空间。

根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008中对于构架的安全疏散通道的要求, 通常可以设置一个斜梯加一个直爬梯作为安全疏散通道。但是考虑到催化剂再生时温度较高, 火灾危险性较大, 所以在构架S10东西两侧各设置1个斜梯作为消防检修通道, 并且在顶部平台的西北角设置和管廊R90连通的过桥, 通过这个过桥可以和R90北侧的S40构架连通, 在顶部平台的东北角又设置一个斜梯, 和东侧构架S20连通。整个装置通过顶层平台连通, 既增加了操作的便利性, 也更加安全。

2. 反应器框架平台设置

R-1001A/B外形尺寸为2米 (内径) ×6米 (筒体切线高度) , 是填料式反应器。物料下进上出, 顶部和底部各设有一个人孔, 物料进出口和人孔共用一个管口。另外还有3个温度计口和2个卸料口。

反应器一般有两种支撑型式, 裙座支撑或支耳支撑。考虑到在催化剂再生工况下, 反应器操作温度较高, 为了尽量减少两台反应器顶部和底部管口应力, 且为了底部人孔检修方便, 故决定选择支耳型式, 支耳的位置位于距离反应器筒体下切线3米的位置。工艺要求反应器下切线距离地面高度为6米。最终反应器支撑在S10构架9米平台上, 这样既满足工艺要求, 也便于操作。S10构架9米平台设备平面布置图详见下图1:

反应器顶部人孔法兰面距离支耳3.9米, 考虑的反应器向上的热膨胀, 要避免防烫层和钢结构碰撞, 且便于顶部人孔操作, 最终在12.7米处设置一层平台, 用于布置各工况间的切换阀门。这层平台上管道较多, 于是在构架16米处设结构层, 便于管道穿越时做支架。同时在18米平台上位于两台反应器中间的位置设置一个催化剂加料斗, 加料斗底部通过软布袋可以和R-1001A/B顶部人孔连接, 便于加催化剂。

催化剂卸料口距离地面约为6.5米的位置, 于是在6米处设置中间平台, 方便在卸催化剂时的操作, 并且将卸料口正下方各层平台设为可拆卸平台。考虑到卸催化剂时需要有运输催化剂的车辆进入反应器下方, 于是最底层平台的高度定位3.3米, 保证平台下方3米的净空, 并在此处禁止设置结构斜撑。

最终S10共设置5层平台, 具体可见下图2:

三、加氢反应器管道布置

C8粗馏份和氢气混合后, 由底部物料入口进入第一反应器R-1001A, 在反应器里进行反应, 而后由反应器顶部出口抽出, 再一次和氢气混合后进入第二反应器R-1001B底部管口, 最后由顶部管口抽出, 再进入后续萃取精馏工序。

根据流程特点, 管道布置有以下几点需要注意的:

1.

根据工艺流程, 这两台反应器既可串联运行, 亦可并联 (一开一备) 运行, 在再生工况下操作温度较高, 所以管道布置时要尽量保证对称性;

2.

为了防止副反应发生, 保证装置的产出率, 在配管时要注意管道尽量短;

3.

为了减少设备管口应力, 要保证管道有一定的柔性;

4.

整个工段为烃类和氢气混合物, 为气液两相管道, 要防止管道震动。

最终在设计底部管道时, 考虑到以下几点:

5.

为了便于反应器底部人孔的操作, 在底部进料管道上增加1对拆卸法兰;

6.

由于管道里有氢气, 所以整根管道上的阀门都尽量采用焊接阀门, 减少法兰泄漏的可能性;

7. 最重要的就是如何平衡管道最短并且保证柔性, 如下图3所示:

最先按照方案A管道走向, 管道尽量短, 但是管口的受力一直很大。因为反应器的支撑点在9米平台上, 相当于设备的固定点在9米。按照最苛刻的再生工况下管道的温度和压力, 管口向下有一定的位移量, 即使在这段水平管道上加了弹簧支架, 仍然不能减少管口的受力, 只有增加这段水平管道的长度, 才能有效的吸收这里由热膨胀所产生的管口受力, 最终经过反复的测算, 按照方案B的管道走向是能够满足管口受力的最短管道连接, 并且在这段水平管道上设置2个弹簧吊架。这样管道布置柔性足够, 为了增加管道的稳定性, 于是在3.3米平台的管道上又增加了固定支架, 这样布置既能满足工艺要求, 同时也符合设备管道受力的要求。

反应器顶部物料出口的管道布置和底部有相似之处, 具体有以下几点:

1.物料出口和反应器顶部人孔共用一个管口, 所以在物料管道上要有一对拆卸法兰, 便于装催化剂和设备检修;

2.顶部出口的管道也要有一定的柔性, 并且将出口管道的第一、二个支架设置为弹簧支架, 以减少设备管口受力;

3.由于在水平管道上有阀门要操作, 所以一般管道管底标高控制在距离平台500mm, 但是由于物料出口是在人孔上开孔, 所以距离平台较高, 且第一个弹簧支架安装空间要求较大, 所以这段管道从设备管口出来时管底标高距离平台约800mm, 在弹簧支架后面采用90度弯头加45度弯头连接以降低这段水平管道的高度, 这样既能满足安装弹簧支架所需要的空间, 又不至于阀门手轮过高, 便于操作阀门, 同时也增加一点管道的柔性;

4.同时在距离设备较远且柔性较好的管道上又设置一个固定支架, 增加管道的稳定性。

最终布置见下图4: