催化裂化干气制乙苯装置反应区管道设计

刘 刚 上海新佑能源科技有限公司 上海 201203

1 反应区工艺流程概述

某催化裂化干气制乙苯装置 (以下简称乙苯装置)反应区有三台反应器:两台烃化反应器R101 A、R101 B，一台反烃化反应器R102。烃化反应设计压力为0.93 MPa，设计温度为370℃;催化剂为器外再生，器内活化。活化时从反应器顶部吹入热空气，底部放空线排出，活化设计温度为520℃，环境温度假定为20℃。

表1为烃化反应生产和开停工过程中出现的主要工况:①③为生产－停工，为常规工况;②⑤为活化－停工工况，此时两台反应器温差最大，为较苛刻工况;④⑥为活化－生产工况;⑦为开工工况，此时两台反应器被跨出，表内温度为反应器进出口管道温度。

表1 烃化反应主要工况 (℃)

根据工艺流程的特点，管道设计需要重点考虑:

(1)反应器一开一备，为温度交变工况，应增加管道的柔性，避免管道二次应力过大以及设备管嘴受力过大。

(2)当催化剂活性降低，两台反应器切换操作时，应避免和减少苯的排放。

2 反应区设备概述

反应区主要设备为烃化反应器和反烃化反应器。烃化反应器本体材质为15CrMoR，总高度约为19 m;反应器设有五个固定床层，床层间高差为1.78 m，每个床层设有对应的人孔、卸料孔，反应器底部单独设有一个人孔;反应器顶部为循环苯入口，中部有四路催化干气入口和三路冷苯入口，底部为反应产物出口。

3 反应区构架概述

三台反应器都布置在反应构架内，构架设计主要考虑两台烃化反应器的布置。布置反应构架平台时:首先应根据人孔和卸料孔标高初步确定反应器裙座标高和构架平台标高;其次综合考虑各路进料管嘴等因素;最终确定反应器裙座标高和构架各层平台标高。

构架可以分为管道侧和检修侧:管道侧靠近管桥，布置连接管桥的管道，调节阀组也布置在此侧;在检修侧尽量不布置管道，以方便装卸催化剂。按《石油化工企业设计防火规范》GB 50160要求，长度超过15 m的甲类构架平台，应设置不少于2个通往地面的梯子。

4 反应区管道设计

根据《石油化工管道设计器材选用规范》SH 3059确定与反应器相连管道分级为SHA级，管道的设计压力为0.93 MPa，设计温度为520℃，主要工艺介质是催化裂化干气 (脱硫后)、苯、乙苯，从而确定管道材质为15CrMo，法兰公称压力不宜低于5.0 MPa。

反应区的管道主要分为三部分:①反应器底反应产物出口管道 (DN500，SCH20);②反应器中部三路冷苯入口 (DN80，SCH40)和四路催化干气入口 (DN150，SCH40)管道;③ 反应器顶部自加热炉来的循环苯进料管道 (DN300，SCH40)以及与其相关的管道。

4.1 反应器底反应产物出口管道的设计

反应器底反应产物出口管道自反应器至反应产物－循环苯换热器走向宜“步步低”。靠近设备嘴子附近管道应设置弹簧支架，管底应留有安装支架的空间;工艺流程采用双闸阀加8字盲板切换两台反应器，8字盲板附近不宜设置弹簧支吊架。

规划反应产物出口管道布置 (方案一)见图1。

图1 反应产物出口管道布置 (方案一)

经过应力分析，结果如下:

常规工况:工况①时，A－B－C为370℃，D－E为20℃，B－D取195℃;工况③时，A－BD－E为370℃，B－C为20℃。B点 (三通点)二次应力超标。

苛刻工况:工况②时，A－B－C为20℃，D－E为520℃，B－D取270℃;工况⑤时，B－C为520℃，A－D－E为20℃。B点 (三通点)二次应力超标。

管道布置图1中管道的二次应力没有通过。分析原因:矛盾集中在两台反应器一冷一热带来设备管嘴处垂直热胀位移差和南北向管道一冷一热带来的南北向热胀位移差。经过分析，重新规划出反应产物出口管道布置 (方案二)见图2。

适当增加两台反应器出口管道南北长度，可以削减温度交变带来的对三通点的作用力;反应器出口管道改为在中部汇合，增加一段“L”形管道，以增加三通汇合点至换热器之间管系的柔性。重新校核管道二次应力，通过。然后适当调整支吊架位置使反应器管口受力达到要求。

4.2 反应器中部管道的设计

工艺流程中反应器R101 A和R101 B同一高度床层各路进料共用一组调节阀组，在调节阀组后再分两路进R101 A和R101 B。在两台反应器切换的状态下，由于温度交变的影响，增加反应器中部管道系统的柔性，减少切换反应器时管道系统中苯的残留，确保残留苯的安全排放，在管道设计中需要重点考虑。

图2 反应产物出口管道布置 (方案二)

反应构架上布置的调节阀组较多，宜成排布置，便于操作和检修。反应器的抽出管嘴离结构平台很近，可以把嘴子和对应进料阀组分层布置，阀组布置在下层，进料线经过阀组后分两路后穿平台进两台反应器。这样解决了阀组布置空间不足的问题，而且管道可以“步步高”进反应器，更重要的是增加了管道的柔性。另外需要注意的是管道和阀组的布置不应影响反应器热电偶套管抽出检修。

4.3 反应器顶部管道的设计

反应器顶部解决温度交变带来的对管道的牵掣，仍是管道设计需要解决的主要问题。反应器顶部主要有循环苯加热炉进料线、催化剂的活化线、安全阀线、开工加热线、进出口跨线，见图3。

图3 反应器顶部管道布置图

4.3.1 加热炉进料线

加热炉进料线从循环苯加热炉出口到反应器宜做到“步步高”，防止开工初期出现的气液两相流对管道的冲击。在循环苯加热炉前管桥的合适位置设置一个固定支架，这样可以把反应部分和加热炉部分比较复杂的管道分开为两个相对独立的系统。进料线从反应器进料入口处就考虑管道的自然补偿，增加管道柔性，减少温度交变对相连管道的影响。从加热炉进料线引出开工加热线，开工反应器跨线，考虑到切换操作的方便，三条管道的切断阀宜靠近布置。

4.3.2 电加热器的活化线

活化温度520℃，活化的时间相对较短，为1～2天，此后活化管道保持常温。在设计中这可以看作一个相对单独的系统，在与加热炉进料线连接时应增加其柔性，减少与进料线牵掣。

4.3.3 安全阀线

安全阀布置的原则是应尽量靠近被保护设备。安全阀进出口管道需要设置恒力弹簧支架，并且应在管道的合适位置设置抗安全阀排放气反力阻尼器。设备本体的热膨胀量大，两路安全阀出口管道不宜在构架内汇合，应沿反应构架外侧下降后分别汇至管桥火炬总管。

4.3.4 电加热器的开工加热线

开工加热线与活化线相似，设计思路参考电加热器的活化线。

4.3.5 进出口跨线

进出口跨线连接反应器入口和出口管道，高差14 m左右，管道不宜上下直接相连，应该利用管道的自然走向，合理布置，适当增加水平段长度以增加管道的柔性，还可以考虑给跨线伴热，这样可以减低跨线与主管连接处的应力值。

最后，构架顶层管道设置了大量恒力弹簧，如果构架层顶有足够的空间，在设计时应该考虑管道和阀门“绕离”反应器。如果管道系统存在零位移点，在此处设置固定支架，避免整个系统“浮”在构架上，以增加整个管道系统的稳定性。

4.4 反应区辅助管道的设计

按《石油化工企业设计防火规范》要求，各层平台应设置消防蒸汽接口;构架高度超过15 m，应设置消防竖管，消防竖管应设置在构架靠近检修侧的一边，按各层需要设置带球阀的管牙接口或消防箱。

构架设置两根密闭排放总管，构架上管道的所有排凝按工艺流程要求分别接入密闭排放总管和含油污水总管再引至地面集中排放。

5 结语

乙苯装置反应区是整个装置的核心区，不仅需要管道设计人具备扎实的管道材料、管道应力和管道布置知识，还需要对装置的工艺流程有深入了解，要充分考虑不同操作工况对管道设计的影响，合理布置管道，满足相关管道设计规范要求，满足工艺、环保要求，方便工人操作检修，从而保证装置安全平稳的运行。

1 张德姜，王怀义，刘绍叶主编.石油化工装置工艺管道安装设计手册 第一篇 设计与计算 (第四版)［M］.北京:中国石化出版社，2009:85－86.

2 国家质量监督检验检疫总局发布.全国压力管道设计审批人员培训教材［M］.北京:中国石化出版社，2009.357.

3 GB 50160－2008.石油化工企业设计防火规范 ［S］.

4 GB/T 20801－2008.压力管道规范 工业管道［S］.

5 SH/T 3059－2012.石油化工管道设计器材选用规范 ［S］.