马来酸酐装置中管道外伴热的选择和优化

陶庆龄

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

马来酸酐装置中管道外伴热的选择和优化

陶庆龄

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

正丁烷氧化制马来酸酐装置中，因为部分原料及产物熔点高，需要使用大量的夹套管伴热和管道缠绕外伴热，以满足工艺要求。结合正丁烷氧化制马来酸酐项目中遇到的伴热问题，研究了夹套管形式的选择、夹套管伴热介质的选取、夹套管检修配管设计优化和管道缠绕外伴热蒸汽分配不均等问题。

熔盐；马来酸酐；易结晶；全夹套管伴热：半夹套管伴热；外管缠绕伴热

马来酸酐作为生产1，4丁二醇（BDO）的中间产品，市场需求巨大。正丁烷氧化法制马来酸酐（顺丁烯二酸酐，MAH），由于其投资低、三废量少、反应条件温和以及节能效果好等诸多优点，被越来越多的化工企业采用。正丁烷氧化法制马来酸酐生产过程中引入三元熔盐（HITEC Salt）作为反应器冷却剂，该熔盐具有毒性高、熔点高、易结晶的特点。管道输送熔盐过程中熔盐温度必须保持熔融状态，否则，熔盐易凝结甚至结晶堵塞管道。反应产物马来酸酐熔点高于50 ℃，遇水易生成高熔点的顺丁烯二酸，从而堵塞管道。在配管设计过程中，为保持管道中的熔盐和马来酸酐的温度，需选用管道外伴热的方式。

马来酸酐和熔盐的熔点分别达到52.8 ℃和165 ℃，采用普通外管伴热不能很好地满足工艺的温度要求，因此采用夹套伴热。在采用全夹套还是半夹套伴热以及对应的伴热蒸汽选取上，根据马来酸酐和熔盐的物性，选取时发现很多问题。同时，为了控制成本，该项目对小管径马来酸酐管道的伴热形式也进行了优化。

1　熔盐管道的夹套伴热

相较于外管伴热，夹套伴热因自身结构的复杂性给设计和施工都带来了很多问题。但对于伴热要求高的介质，为了保证装置的高效运行仍选取夹套伴热。在正丁烷氧化法制马来酸酐装置中，熔盐和马来酸酐对伴热要求高，采用夹套伴热能更好的满足工艺要求。

1.1夹套管伴热型式的选择

熔盐凝固点高于100 ℃，根据SH/T 3040—2012 中5.2.1（c）应选用内管焊缝隐蔽型夹套管（全夹套）伴热，管道上的阀门、法兰、过滤器等应为夹套型［1］。同时，因为熔盐具有高毒性（含有亚硝酸钠），根据SH/T 3040—2012中5.2.5，输送有毒介质且需夹套管伴热的管道应选用内管焊缝外露型夹套管（半夹套）伴热［1］。在此工艺条件下，选择半夹套还是全夹套存在矛盾。

如图1所示，为半夹套和全夹套法兰伴热结构图。根据半夹套和全夹套的法兰伴热结构特征，全夹套内管全部包裹在外管内部，伴热效果更好；半夹套有部分内管裸露在空气中，伴热效果不如全夹套，但其管道焊缝没有包裹在外管中，有利于检修管口和对管焊缝泄漏漏的及时排查。正因为如此，半夹套又称为内管焊缝外露型连接，全夹套被称为内管焊缝隐蔽型连接。

从安全生产角度考虑，采用全夹套伴热存在有毒的熔盐介质泄漏到外管蒸汽中的隐患。蒸汽是全厂性的，系统蒸汽管道上相应有很多泄放口，因此熔盐泄漏到蒸汽系统中极易造成人员中毒；工艺要求整根管道的熔盐介质温度恒定在165 ℃，从这个角度考虑，如果采用半夹套伴热，则会有一部分管道直接与环境空气相接触，这部分的内管介质温度可能达不到工艺的温度要求；从节能减排角度考虑，采用半夹套伴热由于部分内管直接与空气接触，要达到相同伴热效果就需要更多的蒸汽，不利于节能；从熔盐在装置中的作用角度考虑，熔盐在整个工艺路线上为反应器冷却剂，以带走反应器热量。一旦熔盐温度低于165 ℃，不在熔融状态，发生凝结堵塞管道，反应器的热量不能及时地被带走，反应器热量被大量积累，所带来的后果不堪设想。为了保证熔盐在管道中的流动性，我们在设计中将熔盐管道设置成1/100的大坡度管。因此，保证熔盐在整个系统的流动性非常重要。综上，该项目熔盐伴热选取全夹套伴热以更好得保证熔盐在管道中的流动性。同时，为了避免由于熔盐泄漏带来的中毒危险，在反应器底部以及熔盐易发生泄漏的关键位置增加熔盐泄漏探测器。夹套伴热用蒸汽管线在关键位置增加切断盲板。一旦探测器报警，立即采取相应的措施。

图1　全夹套和半夹套伴热法兰结构［1］Fig.1 The structure of full jacket and half jacket

1.2夹套管伴热介质温度的选取

伴热介质温度的选取宜符合下列要求：

（1）伴热管的伴热介质温度宜高于被伴热介质温度30 ℃以上，当采用导热胶泥时宜高于被伴介质温度10 ℃以上；

（2）夹套管的伴热介质温度可等于或高于被伴介质温度，但温差不宜超过50 ℃；

（3）对于控制温降或最终温度的夹套管伴热的管道，伴热介质的温度应根据被伴介质的凝固点或最终温度要求确定［1］。

该项目所提供的公用工程参数见表1。熔盐熔点温度为165 ℃，对于需伴热的介质熔盐来说，选取操作温度高于熔盐熔点温度的中压蒸汽做为伴热介质为宜。但规范条文指出夹套管的伴热介质温度可以等于或高于被伴热介质温度，但温差不宜超过50 ℃。同时对于夹套伴热，当伴热介质的温度远高于被伴热介质温度，此时夹套管端部应力非常集中，严重时会直接造成管道破坏［2］。此时，选用低压蒸汽作为伴热介质降低被伴热介质与伴热介质的温度差，可以达到降低夹套管端部结构应力集中的目的。但低压蒸汽操作温度为150 ℃，低于熔盐的熔点温度，不能起到伴热作用，保证熔盐处于熔融状态。所以我们选取中压蒸汽作为伴热介质。采用中压蒸汽伴热后，其内外管温差为57 ℃，因此对于其应力计算及校核尤为重要。由于夹套管的特殊性，其热应力分析应将夹套管理想化为中心线重合的2条管线，分别在法兰、管帽以及挡板处相连接，同时还需考虑导向板。外管压力采用夹套伴热介质压力即可，内管压力为内外管介质压力差［3］。设计过程中，遇到内外管应力差别大时，优先考虑自然补偿，自然补偿不能满足应力要求的情况下适当设置∏型补偿器。

表1　伴热蒸汽参数Tab.1 The parameters of tracing steam

1.3夹套管伴热的优化

对于熔盐管道夹套管伴热而言，采用全夹套伴热和大坡度管设计后，熔盐管道的流动性得到了极大的提高。为了进一步保证项目的安全平稳运行，还必须考虑到检修的便捷性。SH/T 3040—2011中为了保证夹套管检修方便以及降低应力集中，规定每隔6 m须设计拆卸法兰，相应的需要设计伴热跨接管。该规定在直管段非常容易设计，但在弯头处不适宜。同时，弯头处管道阻力相较于直管段阻力更大，介质也更易堵塞。为了保证夹套管的易检修性，设计时，将弯头改用三通，并在三通处加盲法兰，如图2所示，这样一旦管道出现堵塞可以快速检修，极大的降低运行风险。

2　马来酸酐的伴热设计

马来酸酐熔点温度为52.8 ℃，相对于熔盐而言，其熔点要低。同时，需要考虑其特殊的理化性质，特别是与水的反应问题。在保证其理化物性的前提下，如何使工程最大经济化，也是需要关注的问题。

2.1夹套管伴热型式的选择

马来酸酐熔点介于50 ℃到100 ℃，根据SH/T 3040—2012中5.2.1（b）应选取夹套管伴热。马来酸酐遇水易生成高熔点的顺丁烯二酸，堵塞管道。因此采用半夹套伴热可以避免因介质泄漏与夹套中的蒸汽凝水接触反应生成高熔点顺丁烯二酸而造成外管管道堵塞。所以马来酸酐管线采用半夹套伴热。

图2　三通检修侧加盲法兰夹套管示意Fig.2 The sketch of tee joint for overhauling

2.2小管径马来酸酐的缠绕伴热

对于管径较小的马来酸酐管道，采用夹套伴热成本高，而采用外管直管伴热易导致伴热不均匀。为了更好的合理利用资源，综合考虑，小管径的马来酸酐管线采用外管缠绕在被伴热管道上。该项目中，对于管径小于DN150的马来酸酐管道，统一采用外管缠绕伴热。

为了保证伴热效果，外伴热管紧密缠绕在内管上。对于缠绕伴热，管道的有效伴热长度为缠绕伴热管道的展开长度，而不是被伴热管道的被伴长度。相比于外管直管伴热，在同样的有效伴热长度下，紧密缠绕伴热方式其被伴管的被伴长度大大缩短。导致蒸汽主管上会密集地引出伴热管道去伴热管道。根据以往设计经验，蒸汽主管上密集引出支管，往往会出现蒸汽主管初始端引出的蒸汽其蒸汽量充足，而末端引出的蒸汽其蒸汽量供给不足的情况。这主要是由于蒸汽主管密集的引出支管，导致蒸汽主管压降迅速增大，前后段压力不均匀直接导致蒸汽量分配不均匀。

为了解决这一问题，该项目在设计过程中在引出的每根蒸汽伴热管道的根部加一个限流孔板，严格控制引出的每一根伴热管道的蒸汽流量。从而保证伴热蒸汽的均匀供给。在设计时限流孔板须放置在高点，否则，凝结水会影响限流孔板的限流作用。

3　结束语

在石油化工装置生产过程中，许多管道需要维持一定的温度，以保持装置的正常运行及检修。伴热作为一种保温手段被广泛运用。其中，夹套伴热和伴管缠绕伴热，是设计和施工时的重点。由于自身的复杂性，如果在施工过程中在对夹套管和缠绕伴管修改，就会造成很大经济损失，也会耽误工期。本文结合马来酸酐项目中遇到的伴热问题，重点讨论了熔盐管道和马来酸酐管道伴热过程中夹套管形式的选取、夹套管伴热介质温度的选择和管内介质易结晶堵塞管道而优化配管设计。同时，从工程建设经济性角度和工艺要求角度深入分析了马来酸酐不同管径管道选取不同伴热形式的问题。对于DN150以上的采用半夹套夹套伴热，对于DN150及以下采用外伴管缠绕内管伴热。通过对设计不断的优化，最终保证了该项目平稳运行。

［1］SH/T3040-2012 石油化工管道伴管和夹套管设计规范［S］.

［2］张晓东.浅谈萘法制苯酐项目中蒸汽夹套管的配管设计［J］.上海化工.2014，39（9）：31-33.

［3］刘敏，胡雄.热水夹套的配管设计与管件选用原则［J］.管道技术与设备.2011，4：30-32.

Selection and Optimization of External Heating for Piping Used in Maleic Anhydride Plant

Tao Qingling
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200120）

Steam jackets and warp round tracing are widely used so as to satisfy the process requirement for the equipment to prepare maleic anhydride from butane. In this paper， combined with preparation of maleic anhydride from butane， the problems encountered，including the selection of jackets type， the selection of tracing steam， the optimization of jackets maintenance and the nonuniform distribution of steam in warp round tracing， were analyzed and studied.

HITEC salt； MAH； crystallization； steam jacket； wrap round tracing

TQ 025

A

2095-817X（2016）03-0045-003

2016-03-17

陶庆龄（1971—），女，工程师，主要从事石油化工配管工程设计。