顺酐装置提升改造工程设计

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

1 概述

顺酐又名马来酸酐，是目前世界上仅次于苯酐和醋酐的第三大酸酐，主要用于生产不饱和聚酯树脂、醇酸树脂。此外，还可用于生产1，4-丁二醇、γ-丁内酯、四氢呋喃、马来酸、富马酸和四氢酸酐等一系列重要化工产品[1]。顺酐生产一般采用苯氧化法和正丁烷氧化法两种主要生产方法。目前国外主要采用正丁烷氧化法，国内以苯氧化法为主[2]。由于正丁烷法工艺资源利用方面比苯法合理，环境污染程度比苯法轻，随着石化行业的快速发展，正丁烷法顺酐装置近几年发展较快，在新上马的顺酐生产装置中，正丁烷法占主导地位，国内选择苯氧化生产方法主要是由于以前国内的煤资源丰富的资源特殊性造成的。但是伴随着国内开始注重环境保护以及煤资源正在不断的被消耗，近年逐渐开始应用正丁烷氧化方法来生产顺酐。正丁烷法相对于苯法生产顺酐主要有两大优点。第一个优点是在资源利用上更为合理；第二个优点是更加注重环境保护，对环境的污染更小。伴随着我国炼油、石油化工行业的不断发展和创新，C4资源得到了更加合理的综合利用。因此国内现阶段采用生产顺酐的方法趋势主要是正丁烷氧化法[3]。

2 工艺流程

2.1 正丁烷氧化法工艺流程概述

正丁烷氧化法顺酐生产技术的核心为原料正丁烷与空气在反应器中发生的高温放热、气固相催化氧化反应见图1。氧化反应工艺通常分为固定床工艺和流化床工艺，本工程正丁烷法顺酐装置为固定床工艺。其流程为：原料正丁烷与压缩空气按一定比例充分混合后进入固定床氧化反应器，在装填有催化剂的列管内进行反应。反应过程中大量放热，反应热由熔融的硝酸盐混合物循环移走，反应产生的气体经热交换器冷却，然后进入吸收塔与吸收溶剂进行逆向接触，其中顺酐被溶剂吸收，经解吸塔蒸馏系统，将顺酐和吸收溶剂分离得到粗顺酐，再经过洗涤塔、脱水塔后，精制生成液体顺酐产品，再经过冷却制片（或块）成为固体顺酐产品。

图1 正丁烷氧化法流程示意图

2.2 本提升改造工程工艺流程设计

本顺酐装置提升改造工程是在原8万t/a的生产能力基础上提升至10万t/a：新增一套空压机单元、一套氧化反应单元，并对吸收、汽提、溶剂处理等单元实施升级改造。

反应器系统的目的是在钒磷氧催化剂上使正丁烷与空气经选择氧化反应生产顺酐。气相丁烷和稳定剂、低压水蒸汽加入到顺酐反应器进口空气管道中。混合物通过反应器静态混合器，以便使进料中各组分均匀分布。混合器非常接近于顺酐反应器，以减少可燃气体的容积。在顺酐反应器中，进入反应器的大约55%丁烷转化为顺酐、32%转化为一氧化碳和二氧化硫，并且2%转化为醋酸和丙烯酸，这些反应高度放热。熔融的熔盐通过顺酐反应器循环移除反应热量。反应热用于发生高压饱和蒸汽。顺酐反应器为列管式固定床反应器，反应器组不可分割的部分包括反应器、电加热器、熔盐冷却器以及熔盐循环泵。顺酐反应器由密闭循环的熔融熔盐回路冷却，熔盐由熔盐泵输送到顺酐反应器壳程。熔盐冷却器为立式换热器，高压饱和蒸汽在冷却器管程产生。顺酐反应器组设备均连接到熔盐排放池。反应器系统配备数个安全设计措施，以防止壳程或管程过压。壳程有超流量管道，以便在顺酐反应器太满时允许熔盐流回到熔盐排放池。

反应器出气冷却系统由气体冷却器、切换冷却器及其备用冷却器组成。气体冷却器通过发生高压饱和蒸汽冷却反应器出口气。切换冷却器用锅炉进水作为冷却介质，并且向反应器组提供预热锅炉进水。冷却后气体物料与前期合并输送至吸收塔回收顺酐。

3 本提升改造工程装置布置、配管设计

3.1 装置布置设计

本工程除新增空压机房以外，装置布置按照生产流程顺序进行了集中露天布置，在保证热力管线应力计算通过的前提下，尽量使各设备间输送管道最短，避免流程迂回往复，且满足操作检修的需要。消防道路路面上方净空高度设计不小于5m[4]。

新增氧化单元在已有装置北侧采取填平补齐的布置与已有装置相契合衔接。装置为钢结构框架，地面设置了分析柜、顺酐反应器及反应器防护罩等设施见图2。EL+8.5m和13.5m层设置有反应器组的操作检修平台；反应器气体冷却器及切换冷却器布置在框架南侧，中间以管廊与反应器组隔开，EL+3.5m、8.5m和16.0m层设置有冷却器操作检修平台。整个框架分别设置了两个通往地面或者下层的楼梯作为安全疏散通道，以满足安全疏散要求[5]。顶部设置有起重能力为2t的电动葫芦；蒸汽罐用于收集高压饱和蒸汽，按工艺计算要求，将其设置在EL+25.0m的框架平台上。

图2 新增氧化单元装置布置图

按照安全卫生设计的相关要求，凡是有毒和具有化学灼伤危险性的作业区，须设置有应急喷淋洗眼器等安全和卫生防护设施，一旦不慎有有毒物质飞溅出来，可以立即用清水冲洗以免人员受到伤害。各装置区设置应急喷淋洗眼器的数量要确保其服务半径覆盖范围满足15m的要求[6]。本工程新增氧化单元设置了6台应急喷淋洗眼器、新增风机房设置了1台应急喷淋洗眼器。应急喷淋洗眼器设在出、入通道口旁或在紧急情况时人容易触摸到的地方。

图3 新增氧化单元总体平面布置示意图

新增氧化单元为甲类生产装置，按照设计规范，其与厂区前期甲类装置氢气压缩机房的间距应不小于30m[4]见图3。反应器底部混合器爆炸危险性较高，按工艺设计要求，应设有防护罩以保证人员及装置的安全。本工程如果按照前期装置氧化单元的设计方案，反应器防护罩与氢气压缩机房之间的距离小于30m，不符合要求，为此我们将布置、配管方案做了调整，对装置中间管廊进行了合理的压缩，并对防护罩设计进行了相应调整。这样重新设计后氧化单元与前期氢气压缩机房的间距满足了规范的要求，解除了风险。

3.2 配管设计

本提升改造工程设计需要应力计算的管线较多，计算后使用弹簧支架约40余个，这些管线的运行温度大多都是在200℃～350℃之间，并且管径较大，这种情况下这些应力管线计算的结果就不可避免地会对装置布置和配管造成一定影响。氧化反应单元熔盐管线为夹套管线，为便于熔盐介质排空，需要有1%的坡度设计，对施工安装精度要求较高。对改造工程来说，管线的支撑，特别是大直径管线的支撑，在设计时还需要考虑新增支架的位置。例如：空压机至反应器的进气管线及反应器的出口管线，因需要穿越已有的前期管廊和装置区，支撑条件变得十分复杂。这些都需要在设计过程中工艺布置专业与土建专业和现场实际情况紧密联系，精确制定设计方案。

4 结论

随着国内外化工行业市场的不断调整，各工程公司承接的改造工程不断增多。改造工程因有其独特的特点，需要在原有厂区范围寻找合适的场地，要充分考虑原有公用工程及物料的输送便利性，还需要考虑装置总图甚至其他相邻厂区的装置建构筑物特性，来综合考虑装置布置以满足化工装置规范间距等要求。装置操作平台的设置需要考虑设计足够的疏散通道，对空间紧张密集型装置的改造，操作检修空间需要与相邻装置综合考虑，条件允许的情况下可以互相借用以达到对空间的充分利用。在原有装置内部或近旁设计新增装置时，既须确保设计规范的相关间距要求又须满足桩基、上部结构、安装作业的施工可行性要求。对新增大管线的支撑设计也需要对原有装置的框架及管廊十分了解，这样才能给土建专业提出可行的支撑设计条件。对于改造工程务必要参考前期工程的施工图纸，并准确掌握现场的实际情况，这样才能做到准确无误，并为后续设计施工创造有利的条件。