催化裂化干氣制乙苯裝置反應區管道設計

劉 剛 上海新佑能源科技有限公司 上海 201203

1 反應區工藝流程概述

某催化裂化干氣制乙苯裝置 (以下簡稱乙苯裝置)反應區有三臺反應器:兩臺烴化反應器R101 A、R101 B，一臺反烴化反應器R102。烴化反應設計壓力為0.93 MPa，設計溫度為370℃;催化劑為器外再生，器內活化。活化時從反應器頂部吹入熱空氣，底部放空線排出，活化設計溫度為520℃，環境溫度假定為20℃。

表1為烴化反應生產和開停工過程中出現的主要工況:①③為生產－停工，為常規工況;②⑤為活化－停工工況，此時兩臺反應器溫差最大，為較苛刻工況;④⑥為活化－生產工況;⑦為開工工況，此時兩臺反應器被跨出，表內溫度為反應器進出口管道溫度。

表1 烴化反應主要工況 (℃)

根據工藝流程的特點，管道設計需要重點考慮:

(1)反應器一開一備，為溫度交變工況，應增加管道的柔性，避免管道二次應力過大以及設備管嘴受力過大。

(2)當催化劑活性降低，兩臺反應器切換操作時，應避免和減少苯的排放。

2 反應區設備概述

反應區主要設備為烴化反應器和反烴化反應器。烴化反應器本體材質為15CrMoR，總高度約為19 m;反應器設有五個固定床層，床層間高差為1.78 m，每個床層設有對應的人孔、卸料孔，反應器底部單獨設有一個人孔;反應器頂部為循環苯入口，中部有四路催化干氣入口和三路冷苯入口，底部為反應產物出口。

3 反應區構架概述

三臺反應器都布置在反應構架內，構架設計主要考慮兩臺烴化反應器的布置。布置反應構架平臺時:首先應根據人孔和卸料孔標高初步確定反應器裙座標高和構架平臺標高;其次綜合考慮各路進料管嘴等因素;最終確定反應器裙座標高和構架各層平臺標高。

構架可以分為管道側和檢修側:管道側靠近管橋，布置連接管橋的管道，調節閥組也布置在此側;在檢修側盡量不布置管道，以方便裝卸催化劑。按《石油化工企業設計防火規范》GB 50160要求，長度超過15 m的甲類構架平臺，應設置不少于2個通往地面的梯子。

4 反應區管道設計

根據《石油化工管道設計器材選用規范》SH 3059確定與反應器相連管道分級為SHA級，管道的設計壓力為0.93 MPa，設計溫度為520℃，主要工藝介質是催化裂化干氣 (脫硫后)、苯、乙苯，從而確定管道材質為15CrMo，法蘭公稱壓力不宜低于5.0 MPa。

反應區的管道主要分為三部分:①反應器底反應產物出口管道 (DN500，SCH20);②反應器中部三路冷苯入口 (DN80，SCH40)和四路催化干氣入口 (DN150，SCH40)管道;③ 反應器頂部自加熱爐來的循環苯進料管道 (DN300，SCH40)以及與其相關的管道。

4.1 反應器底反應產物出口管道的設計

反應器底反應產物出口管道自反應器至反應產物－循環苯換熱器走向宜“步步低”。靠近設備嘴子附近管道應設置彈簧支架，管底應留有安裝支架的空間;工藝流程采用雙閘閥加8字盲板切換兩臺反應器，8字盲板附近不宜設置彈簧支吊架。

規劃反應產物出口管道布置 (方案一)見圖1。

圖1 反應產物出口管道布置 (方案一)

經過應力分析，結果如下:

常規工況:工況①時，A－B－C為370℃，D－E為20℃，B－D取195℃;工況③時，A－BD－E為370℃，B－C為20℃。B點 (三通點)二次應力超標。

苛刻工況:工況②時，A－B－C為20℃，D－E為520℃，B－D取270℃;工況⑤時，B－C為520℃，A－D－E為20℃。B點 (三通點)二次應力超標。

管道布置圖1中管道的二次應力沒有通過。分析原因:矛盾集中在兩臺反應器一冷一熱帶來設備管嘴處垂直熱脹位移差和南北向管道一冷一熱帶來的南北向熱脹位移差。經過分析，重新規劃出反應產物出口管道布置 (方案二)見圖2。

適當增加兩臺反應器出口管道南北長度，可以削減溫度交變帶來的對三通點的作用力;反應器出口管道改為在中部匯合，增加一段“L”形管道，以增加三通匯合點至換熱器之間管系的柔性。重新校核管道二次應力，通過。然后適當調整支吊架位置使反應器管口受力達到要求。

4.2 反應器中部管道的設計

工藝流程中反應器R101 A和R101 B同一高度床層各路進料共用一組調節閥組，在調節閥組后再分兩路進R101 A和R101 B。在兩臺反應器切換的狀態下，由于溫度交變的影響，增加反應器中部管道系統的柔性，減少切換反應器時管道系統中苯的殘留，確保殘留苯的安全排放，在管道設計中需要重點考慮。

圖2 反應產物出口管道布置 (方案二)

反應構架上布置的調節閥組較多，宜成排布置，便于操作和檢修。反應器的抽出管嘴離結構平臺很近，可以把嘴子和對應進料閥組分層布置，閥組布置在下層，進料線經過閥組后分兩路后穿平臺進兩臺反應器。這樣解決了閥組布置空間不足的問題，而且管道可以“步步高”進反應器，更重要的是增加了管道的柔性。另外需要注意的是管道和閥組的布置不應影響反應器熱電偶套管抽出檢修。

4.3 反應器頂部管道的設計

反應器頂部解決溫度交變帶來的對管道的牽掣，仍是管道設計需要解決的主要問題。反應器頂部主要有循環苯加熱爐進料線、催化劑的活化線、安全閥線、開工加熱線、進出口跨線，見圖3。

圖3 反應器頂部管道布置圖

4.3.1 加熱爐進料線

加熱爐進料線從循環苯加熱爐出口到反應器宜做到“步步高”，防止開工初期出現的氣液兩相流對管道的沖擊。在循環苯加熱爐前管橋的合適位置設置一個固定支架，這樣可以把反應部分和加熱爐部分比較復雜的管道分開為兩個相對獨立的系統。進料線從反應器進料入口處就考慮管道的自然補償，增加管道柔性，減少溫度交變對相連管道的影響。從加熱爐進料線引出開工加熱線，開工反應器跨線，考慮到切換操作的方便，三條管道的切斷閥宜靠近布置。

4.3.2 電加熱器的活化線

活化溫度520℃，活化的時間相對較短，為1～2天，此后活化管道保持常溫。在設計中這可以看作一個相對單獨的系統，在與加熱爐進料線連接時應增加其柔性，減少與進料線牽掣。

4.3.3 安全閥線

安全閥布置的原則是應盡量靠近被保護設備。安全閥進出口管道需要設置恒力彈簧支架，并且應在管道的合適位置設置抗安全閥排放氣反力阻尼器。設備本體的熱膨脹量大，兩路安全閥出口管道不宜在構架內匯合，應沿反應構架外側下降后分別匯至管橋火炬總管。

4.3.4 電加熱器的開工加熱線

開工加熱線與活化線相似，設計思路參考電加熱器的活化線。

4.3.5 進出口跨線

進出口跨線連接反應器入口和出口管道，高差14 m左右，管道不宜上下直接相連，應該利用管道的自然走向，合理布置，適當增加水平段長度以增加管道的柔性，還可以考慮給跨線伴熱，這樣可以減低跨線與主管連接處的應力值。

最后，構架頂層管道設置了大量恒力彈簧，如果構架層頂有足夠的空間，在設計時應該考慮管道和閥門“繞離”反應器。如果管道系統存在零位移點，在此處設置固定支架，避免整個系統“浮”在構架上，以增加整個管道系統的穩定性。

4.4 反應區輔助管道的設計

按《石油化工企業設計防火規范》要求，各層平臺應設置消防蒸汽接口;構架高度超過15 m，應設置消防豎管，消防豎管應設置在構架靠近檢修側的一邊，按各層需要設置帶球閥的管牙接口或消防箱。

構架設置兩根密閉排放總管，構架上管道的所有排凝按工藝流程要求分別接入密閉排放總管和含油污水總管再引至地面集中排放。

5 結語

乙苯裝置反應區是整個裝置的核心區，不僅需要管道設計人具備扎實的管道材料、管道應力和管道布置知識，還需要對裝置的工藝流程有深入了解，要充分考慮不同操作工況對管道設計的影響，合理布置管道，滿足相關管道設計規范要求，滿足工藝、環保要求，方便工人操作檢修，從而保證裝置安全平穩的運行。

1 張德姜，王懷義，劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊 第一篇 設計與計算 (第四版)［M］.北京:中國石化出版社，2009:85－86.

2 國家質量監督檢驗檢疫總局發布.全國壓力管道設計審批人員培訓教材［M］.北京:中國石化出版社，2009.357.

3 GB 50160－2008.石油化工企業設計防火規范 ［S］.

4 GB/T 20801－2008.壓力管道規范 工業管道［S］.

5 SH/T 3059－2012.石油化工管道設計器材選用規范 ［S］.