异构化原料分离塔的一塔两用改造设计

冯永利，于开安，李保廷

(1.克拉玛依石化公司，新疆 克拉玛依 834003;2.独山子石化公司 炼油厂，新疆 克拉玛依833699)

0 引言

异构化原料分离塔C－2105原用于某公司30万吨/年轻烃预分馏装置，设计时间为2010年9月，投运时间为2011年。主要结构尺寸为φ2600 mm ×19500 mm(切线)，塔总高 26448 mm;板式塔，塔板共23层;工作介质为C6以上组分，介质密度660 kg/m3;筒体、封头材质均为Q245R，厚度均为10 mm;保温采用复合硅酸盐板，厚180 mm;设计寿命20 a。塔C－2105改造前的设计参数见表1。

表1 塔C－2105改造前设计参数

2014年1月对塔C－2105进行改造，改造后该塔要在原装置和新建的轻烃回收安稳装置间切换使用，切换频次约1次/a。改造后，塔C－2105工作介质为脱盐原油，介质密度281 kg/m3。塔C－2105改造后的设计参数见表2。

表2 塔C－2105改造后设计参数

文中从塔C－2105材质入手，分析该塔是否可以进行改造，然后再进行强度校核，最后确定具体改造内容为:

(1)改造塔C－2105的进料口，将原DN150的进料口扩孔为DN250，新增1个DN80柴油抽出口;

(2)设计进料口分布器。

1 塔C－2105材质分析及强度校核

在对设备进行改造前，首先需要确认设备材质是否能够满足改造要求［1－7］。若材质满足改造要求，方能进行塔的强度校核及相应的改造工作。

1.1 分析塔C－2105材质是否满足改造要求

塔C－2105改造后的介质为脱盐原油，其为进口原油、春光原油和中质原油以3∶1∶1混合后经脱盐脱水等处理的原油。三种原油的部分原油评价数据见表3。脱盐原油中对塔器腐蚀最为严重的两种成分是H2S及环烷酸，且二者的含量达到一定数值时分别会出现湿H2S应力腐蚀环境及环烷酸腐蚀环境。但脱盐原油中二者的含量是无法直接测定的，需通过其他判据来确定二者的含量，进而判断该塔材质是否能够满足改造要求。

表3 三种原油的部分原油评价数据

1.1.1 判断是否存在湿H2S应力腐蚀环境

在湿H2S应力腐蚀环境中使用的碳钢，其使用状态应为正火或正火+回火、退火、调质状态，因此要判断塔C－2105改造后是否存在湿H2S应力腐蚀。

当化工容器接触的介质同时符合下列各项条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境［8］:

(1)温度≤(60+p)℃，其中，p为压力 (表压)，MPa;

(2)H2S分压≥0.00035 MPa，即相当于常温在水中H2S溶解度≥7.7 mg/L;

(3)介质中有液相水或者处于水的露点温度以下;

(4)pH＜7或有氰化物(HCN)存在。

改造前，塔C－2105塔底温度260℃，塔顶部温度148℃;改造后，塔C－2105塔底温度335℃，而塔顶部温度141℃。温度均不符合第(1)条要求。由此可见，塔C－2105不存在湿H2S应力腐蚀环境。

1.1.2 判断是否存在环烷酸腐蚀环境

若存在环烷酸腐蚀环境，则塔器的材质应至少选用不锈钢316L材质，因此要判断是否存在环烷酸腐蚀环境。

环烷酸(RCOOH，R为环烷酸)为原油中各种酸的混合物，分子量在很大范围内变化 (180～350)。一般以原油中的酸值来判断环烷酸的含量，原油酸值＞0.5 mgKOH/g时，即能引起设备的腐蚀［9］。

进口原油、春光原油和中质原油这三种原油中，春光原油的酸值最高，为0.41 mgKOH/g。改造后塔C－2105的进料为三种原油的混合物，但某公司未提供混合原油的原油评价报告，因此按最高酸值 0.41 mgKOH/g考虑。其酸值 ＜0.5 mgKOH/g，不会引起设备的腐蚀，即不用考虑环烷酸腐蚀环境。

综上，塔C－2105(主体材质Q245R)能够满足改造要求，可以进行改造。

1.2 塔C－2105强度校核

由于塔C－2105具备改造条件，所以可以对其进行强度校核。根据塔C－2105的近期检测报告，应用SW6－2011软件对其进行强度校核。在强度校核过程中，指定筒体、封头和裙座所采用钢板的负偏差为0;由于改造后脱盐原油对塔的腐蚀较改造前要快，因此尽管塔C－2105已使用近3年时间，剩余使用寿命内的腐蚀裕度仍按原值取3.0 mm。

输入各项所需数据，校核改造前、后两种操作工况下的塔体强度，结果均为合格。

2 塔C－2105的改造工作

在塔C－2105强度校核合格后，开始对其进行具体的结构改造。

2.1 改造塔C－2105部分开口

改造塔C－2105的进料口，将原DN150进料口扩孔为DN250，并新增1个DN80柴油抽出口，如图1所示(图中，开口①为新增柴油抽出口，开口②为进料口)。

图1 φ2600 mm×19500 mm异构化原料分离塔(C－2105)改造总图

因罐壁保温厚180 mm，所以新增柴油抽出口及进料口的接管外伸长度定为250 mm，接管采用加强圈加强。进料口接管 (图1中件号2)与进料口分布器(图1中件号1)相连接。

2.2 进料口分布器的结构设计

为使塔的分离效果更好、减少进料对塔盘的冲击作用，塔C－2105需设置进料口分布器。塔设置进料口分布器后，还可以提高塔的生产稳定性，减少进料对塔壁的冲击。

改造前、后进料口介质的操作参数见表4。

表4 改造前与改造后塔C－2105进料口介质的操作参数

塔C－2105进料口由DN150改造为DN250。改造后进料口分布器的结构也需重新设计，重新设计的进料口分布器的结构如图2所示(图中，开口②为进料口)。进料口分布器分布于塔盘○12与塔盘○13之间(塔盘○12为中间降液塔盘，塔盘○13为两侧降液塔盘)。

图2 进料口分布器组合件详图

进料口分布器的结构设计原则:要尽可能地使下降的液体降落在降液管底部外侧与塔盘○12所围成的间隙部分，即图2中所示的最佳降液位置，这样分布器的使用效果最佳。进料口的介质由主管(开口②)进入，分支为两路，在两支管的各个小孔处下降到塔盘上。

接管材料选用无缝钢管20#钢，材料应符合GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》的规定。进料口分布器组合件的安装水平度允差＜4 mm。以下确定进料管内流速、开孔数量及水压试验压力值。

2.2.1 进料管内流速v的计算

操作介质为C6以上组分时:

式中 V1——改造前进料口介质的流量，m3/h

D2——改造后进料口接管直径，mm

操作介质为脱盐原油时:

式中 V2——改造后进料口介质的流量，m3/h

改造前与改造后进料管内介质流速均小于3 m/s，符合工艺要求。

2.2.2 进料分布器开孔数量的确定

进料口分布器改造后，在两支管上均布φ25 mm的孔，开孔数量n为:

2.2.3 进料管内水压试验压力pT的计算［10］

操作介质为C6以上组分时:

式中 p1——改造前塔C－2105设计压力，MPa

［σ］——试验温度下许用应力，MPa

［σ］t——设计温度下许用应力，MPa

操作介质为脱盐原油时:

式中 p2——改造后塔C－2105设计压力，MPa

因此，进料管内水压试验压力为0.90 MPa。

3 结论

通过对异构化原料分离塔C－2105的一塔两用改造设计，可得到以下结论:

(1)同一塔在两套不同装置间切换使用的前提条件是两种操作介质可以采用同一主体材质，方可改造。同时，改造的工程量要小，改造要简单易行、投资少。

(2)改造要能够满足改造前与改造后两种操作工况，以不影响工艺操作为宜。

(3)塔C－2105在改造时必须要有检测报告，根据检测数据对其进行强度校核合格后，才能进行具体的改造设计工作。

(4)异构化原料分离塔的一塔两用改造，实现了同一塔能满足两种操作工况的功能，大大减少了投资费用及能源消耗，具有一定的经济价值和实际意义。

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