催化裂化裝置中兩器部分管道設計探討

摘 要:闡述了催化裂化的相關概念，分析了催化裂化裝置的主要類型、基本組成，探討了催化裂化裝置中反應器與再生器中管道的特殊要求，提出了催化裂化裝置中反應器與再生器中部分管道設計與實現應當把握的原則、方法。

關鍵詞:催化裂化裝置管道設計方法

中圖分類號:TE966文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0078-02

催化裂化是石油煉制過程之一，是在熱和催化劑的作用下使重質油發生裂化反應，轉變為裂化氣、汽油和柴油等的過程。原料采用原油蒸餾(或其他石油煉制過程)所得的重質餾分油;或重質餾分油中混入少量渣油，經溶劑脫瀝青后的脫瀝青渣油;或全部用常壓渣油或減壓渣油。在反應過程中由于不揮發的類碳物質沉積在催化劑上，縮合為焦炭，使催化劑活性下降，需要用空氣燒去(見催化劑再生)，以恢復催化活性，并提供裂化反應所需熱量。催化裂化是石油煉廠從重質油生產汽油的主要過程之一。所產汽油辛烷值高(馬達法80左右)，安定性好，裂化氣(一種煉廠氣)含丙烯、丁烯、異構烴多。作為催化裂化裝置核心的反應器和再生器，需要有諸多輸送管道相連接，而輸送物質相態較為復雜，對管道的設計標準要求較高。如果相關輸送管道系統設計不科學，常常會帶來輸送阻力加大，發生管道諧振等，影響系統的正常運行，嚴重的還會導致生產事故。因此，必須要高度重視催化裂化裝置中反應器和再生器管道的設計，提高設計的科學性和可靠性。

1 催化裂化裝置主要類型

催化裂化裝置是將重油輕質化的主要裝置之一，顆粒狀固體催化劑輸送是實現重油催化裂化的重要環節。催化裂化裝置有多種類型，按反應器(或沉降器)和再生器布置的相對位置的不同可分為兩大類:反應器和再生器分開布置的并列式;反應器和再生器架疊在一起的同軸式。并列式又由于反應器(或沉降器)和再生器位置高低的不同而分為同高并列式和高低并列式兩類。同高并列式主要特點是:催化劑由U型管密相輸送;反應器和再生器間的催化劑循環主要靠改變U型管兩端的催化劑密度來調節;由反應器輸送到再生器的催化劑，不通過再生器的分布板，直接由密相提升管送入分布板上的流化床可以減少分布板的磨蝕。高低并列式特點是反應時間短，減少了二次反應;催化劑循環采用滑閥控制，比較靈活。同軸式裝置形式特點是:反應器和再生器之間的催化劑輸送采用塞閥控制;采用垂直提升管和90°耐磨蝕的彎頭;原料用多個噴嘴噴入提升管。

2 催化裂化裝置基本組成

催化裂化裝置通常由三大部分組成，即反應、再生系統、分餾系統和吸收穩定系統。其中反應、再生系統是全套裝置的核心。

(1)反應、再生系統。新鮮原料(減壓餾分油)經過一系列換熱后與回煉油混合，進入加熱爐預熱到370℃左右，由原料油噴嘴以霧化狀態噴入提升管反應器下部，油漿不經加熱直接進入提升管，與來自再生器的高溫(約650℃～700℃)催化劑接觸并立即汽化，油氣與霧化蒸汽及預提升蒸汽一起攜帶著催化劑以7～8m/s的高線速通過提升管，經快速分離器分離后，大部分催化劑被分出落入沉降器下部，油氣攜帶少量催化劑經兩級旋風分離器分出夾帶的催化劑后進入分餾系統。積有焦炭的待生催化劑由沉降器進入其下面的汽提段，用過熱蒸氣進行汽提以脫除吸附在催化劑表面上的少量油氣。待生催化劑經待生斜管、待生單動滑閥進入再生器，與來自再生器底部的空氣(由主風機提供)接觸形成流化床層，進行再生反應，同時放出大量燃燒熱，以維持再生器足夠高的床層溫度(密相段溫度約650～680℃)。再生器維持0.15MPa～0.25MPa(表)的頂部壓力，床層線速約0.7～1.0m/s。再生后的催化劑經淹流管，再生斜管及再生單動滑閥返回提升管反應器循環使用。燒焦產生的再生煙氣，經再生器稀相段進入旋風分離器，經兩級旋風分離器分出攜帶的大部分催化劑，煙氣經集氣室和雙動滑閥排入煙囪。再生煙氣溫度很高而且含有約5%～10%CO，為了利用其熱量，不少裝置設有CO鍋爐，利用再生煙氣產生水蒸汽。對于操作壓力較高的裝置，常設有煙氣能量回收系統，利用再生煙氣的熱能和壓力做功，驅動主風機以節約電能。

(2)分餾系統。分餾系統的作用是將反應，再生系統的產物進行分離，得到部分產品和半成品。由反應、再生系統來的高溫油氣進入催化分餾塔下部，經裝有擋板的脫過熱段脫熱后進入分餾段，經分餾后得到富氣、粗汽油、輕柴油、重柴油、回煉油和油漿。富氣和粗汽油去吸收穩定系統;輕、重柴油經汽提、換熱或冷卻后出裝置，回煉油返回反應—— 再生系統進行回煉。油漿的一部分送反應再生系統回煉，另一部分經換熱后循環回分餾塔。為了取走分餾塔的過剩熱量以使塔內氣、液相負荷分布均勻，在塔的不同位置分別設有4個循環回流:頂循環回流，一中段回流、二中段回流和油漿循環回流。催化裂化分餾塔底部的脫過熱段裝有約十塊人字形擋板。由于進料是460℃以上的帶有催化劑粉末的過熱油氣，因此必須先把油氣冷卻到飽和狀態并洗下夾帶的粉塵以便進行分餾和避免堵塞塔盤。因此由塔底抽出的油漿經冷卻后返回人字形擋板的上方與由塔底上來的油氣逆流接觸，一方面使油氣冷卻至飽和狀態，另一方面也洗下油氣夾帶的粉塵。

(3)吸收、穩定系統。從分餾塔頂油氣分離器出來的富氣中帶有汽油組分，而粗汽油中則溶解有C3、C4甚至C2組分。吸收——穩定系統的作用就是利用吸收和精餾的方法將富氣和粗汽油分離成干氣(≤C2)、液化氣(C3、C4)和蒸汽壓合格的穩定汽油。催化裂化裝置反應速度、熱量很高，且高溫、易燃及爆炸危險。為確保安全性、合理性、經濟性，工藝對控制策略要求較高。實施中常規單回路較多，復雜回路相對較少;調節元件有氣動調節閥、擋板、三通閥、蝶閥、單動、雙動滑閥;有分程控制、常規串級回路、切換串級回路、裝置自保系統、機組保護系統等。主回路TIC103，兩個付回路FIC105(燃料油流量)、FIC106(燃燒干氣流量)不同時使用，用切換開關HS4切換。

3催化裂化裝置中反應器與再生器中部分管道設計

催化裂化裝置中反應器與再生器中各類管道內，物質類型復雜，腐蝕性強，對管道的要求比較高，特別是相關催化劑輸送的管道內有氣態、固態兩種流動狀態，對管道內部流通與流動能力提出的更高的要求，因此，在進行相關管道設計時，必須要充分考慮流通阻力的消減，采取切實可行的對策措施，確保催化劑得以充分輸送，與相關物質充分混合，催化作用充分發揮。

(1)催化裂化裝置中反應器與再生器管道設計基本原則。催化裂化裝置中反應器與再生器是催化裂化裝置的核心部位，管道的相關設計要充分考慮耐腐蝕性、催化劑的高效輸送、催化劑與輸送物質的充分混合等因素，把握好管道設計應著重從減少管道輸送阻力，加大管道輸送能力，提高催化能力上下功夫。一要把握減少管道連接原則。在催化裂化裝置中兩器部分管道設計中，要首先把握的是盡可能減少管道的連接，減少管道連接的復雜性，盡可能控制管道的總長度，使相關物質能夠在最短的時間內完成交換與輸送，防止發生擁堵，導致系統發生故障，造成生產事故。二要把握盡量使用直管原則。提高管道內物質的輸送速度，最有效的方法是在設計中盡量采用直管，盡量避免管道變向，迫不得以變向時，要在兩相鄰彎頭之間預留一段暢通段，接裝直管，減少因彎頭兩相鄰變相變化過快，而增加輸送阻力。三要把握管道環節中增加動力、減少阻尼原則。在進行管道設計與施工中，對各個環節要牢牢把握減少管道阻力這一原則，比如管道進行焊接時，要盡可能采用平頭對焊方式;盡可能減少管道中閥門的使用;同時，要在管道中適當位置設置相關輸送接力設備，提高管道輸送的動力。在管道中合適位置加裝工業送風點，增加管道輸送動力，還要注意設置相關緊急避險裝置，防止意外發生。

(2)管系主要元件的選擇。由于催化裂化裝置的獨特性，催化裂化裝置中反應器與再生器兩部分催化劑輸送管道設計要優先選用石油化工行業標準系列。同時，在該同一管道系統中，其它元件的選用也應當同屬于統一的等業標準系列，提高系統的可靠性。管道元件材質的選擇的一個重要原則就是要根據催化裂化裝置工作溫度要求，按《石油化工管道設計器材選用通則》(SH3059)中善于管道材質使用溫度的標準進行確定。管道中彎頭、三通等管件的選擇要與管道材質等強度，采用“短板”理論來確定以上管件的管壁厚度，保證管件最薄處壁厚與相應管道壁厚一致，管件材質與相應管道材質一致。管道中閥門材質應當與相應管道材質匹配，考慮到催化劑固體顆粒的磨損、閥門處催化劑易堵塞及主管道內介質雙向流的因素。近年來，金屬硬密封偏心半球閥開始廣泛應用在催化劑輸送管道上，該類型閥門具有開關響應時間短、流通面積大、阻尼小、密封面的直接磨損較少、開關過程中能去除閥座密封面催化劑積垢等優點，但由于該類型的閥門對偏心半球(閥瓣)和閥座密封面設計和制造精度有特殊要求，部分制造廠商由于精度要求達不到，或者是技術不過關，導致該類型閥門在長期處于高溫狀態時產生抱死現象。

(3)管道應力分析。管道應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮，管道支撐或端點附加位移造成應力問題。管道應力分析分為靜力分析和動力分析。靜力分析包括:①壓力荷載或持續荷載作用下的一次應力計算，防止塑性變形破壞;②管道熱脹冷縮以及端點附加位移荷載作用下的二次應力計算，防止疲勞破壞;③管道對設備作用力的計算，防止作用力太大，保證設備正常運行;④管道支吊架的受力計算，為支吊架設計提供依據;動力分析包括:1)管道自振頻率分析，防止管道系統共振;2)管道強迫震動響應分析，控制管道震動及應力。兩器部分管道的應力分析根據《石油化工管道柔性設計規范》(SH/T3041)的規定，結合工藝參數，利用美國公司COADE開發的Caesar Ⅱ進行管道應力分析。①設置計算模型的節點:Caesar Ⅱ采用有限元法進行計算，將管道通過節點劃分為若干個單元來建立管道計算模型，節點一般為管道端點、約束點、管徑改變點、材料改變點、計算參數(溫度、壓力)改變點等。②考慮各種工況:管道應力分析時需要充分考慮多種工況組合，準確確定工況數量。③數據輸入:管道應力分析需要輸入的數據包括基本參數、管道單元結構參數以及邊界條件。根據確定的工況條件，利用應力分析軟件可獲得相應的管道應力分析結果。Caesar Ⅱ輸出結果后，根據規范自動進行應力校核，通常需要對計算模型進行修改得到滿意結果。Caesar Ⅱ未將風荷載、地震荷載等因素考慮進去，一般將控制計算模型中各點最高應力值控制在許用應力值的80%左右。

(4)管道支架設計。管道支架設計要充分考慮支架的支撐作用，必須嚴格按照管道應力分析結果，科學進行分析，合理確定管道支架的使用。管道支架盡量使用剛性支架，減少設備運行過程中產生位移，在支承點的下方以支撐方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，起到支撐管道的作用。在催化劑輸送管道支架上設置墊板，通常選用碳鋼作為墊板材料。

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