催化干氣制乙苯裝置反應系統管道設計

王 向 存

（中石化洛陽工程有限公司， 河南 洛陽 471003）

在我國，乙苯作為一種工業原料，其消費量逐年遞增，且對外依存度高。而催化干氣量超過 550萬t/a，其中含15%～20%的乙烯，主要作為燃料，造成嚴重的資源浪費[1]。利用催化干氣中的乙烯與苯反應制乙苯工藝，由于其原料來源廣泛，加工工序簡單，轉化率高，產品成本低而倍受關注。以烷基化反應器和烷基轉移反應器為主的反應系統是催化干氣制乙苯裝置的核心，該系統的管道設計直接影響裝置的正常運行。本文以廣州分公司 8萬 t/a催化干氣制乙苯裝置和長嶺分公司12萬t/a催化干氣制乙苯裝置為例，簡單介紹反應系統管道設計應注意的問題。

1 工藝過程和反應機理

1.1 工藝過程

催化產生的干氣經脫丙烯系統進入烷基化反應器與過量的苯在溫度 430 ℃，壓力0.8 MPa進行反應，生成乙苯及二乙苯、丙苯、二甲苯、多烷基苯等。二乙苯經二乙苯塔頂脫出進入烷基轉移反應器與過量的苯在溫度245 ℃，壓力3.2 MPa進行反應，反應產物經五塔分離后丙苯、多烷基苯作為副產物出裝置[2]。

1.2 烷基化和烷基轉移的反應機理[3]

1.2.1 苯烷基化生成乙苯和多乙苯

在烷基化反應器中，沸石催化劑上存在 Lewis酸中心，可以吸附干氣中的乙烯分子，生成正碳離子L- CH2CH2＋，再與苯進行加成反應生成乙苯。乙苯可以進一步烷基化生成多乙苯等。

1.2.2 多乙苯烷基轉移

在烷基轉移反應器中，在沸石催化劑上同樣存在 Lewis 酸中心，吸附多乙苯分子生成正碳離子，發生烷基轉移反應生成乙苯，并達到穩態濃度。

2 反應構架各層高的確定和構架平臺對土建梁的要求

2.1 反應構架各層高確定

構架底層標高的確定主要與反應產物出口高度和彈簧支架高度有關。反應產物出口管道（DN600）換熱器管口（約EL+3 500）接彎頭相連，管口中心標高需EL+4 500以上；管道上設恒力彈簧，管底與平臺高差應滿足彈簧支架高度（約600 mm）要求；故底層標高一般取EL+4 000。

頂層平臺梁底標高應滿足不同工況下反應器軸向熱位移要求，防止反應器頂部與梁底相撞。反應器軸向熱位移的計算[4]：

式中：?t ——軸向熱位移；

L ——固定點到反應器頂端長度；

et——單位線膨脹量。

中間層標高要滿足人孔、卸料口，儀表開口及通道的要求。由于反應器床層層高較低，每個床層內有催化干氣入口、冷苯入口、人孔、催化劑卸出口和熱電偶口，這些管口布置緊湊，給層高的確定帶來一定難度。

與以往不同（6個人孔和5個卸料孔主要布置在構架中間每層平臺正上方，距離平臺較高，需在人孔下方局部設活動平臺，占用空間較大）；長嶺和廣石化乙苯裝置采用人孔和卸料孔主要布置在構架兩側面，側面平臺起到了樓梯通道和操作通道的雙重作用，節省了大量的空間。

圖1 廣乙苯 構-3 EL+15200層北側管道布置圖Fig.1 Framework-3 EL+15200 layer north pipingdrawing of Guanzhou ethylbenzene

圖2 廣乙苯 構-3 EL+15200層南側管道布置圖Fig.2 Framework-3 EL+15200 layer south pipingdrawing of Guanzhou ethylbenzene

圖3 長嶺乙苯構-3 EL+11000層管道布置圖Fig.3 Framework-3 EL+11000 layer pipingdrawing of Changling ethylbenzene

圖1和2分別為廣乙苯構-3 EL+15 200層北側和南側管道布置圖。圖1有兩個熱偶口、人孔、卸料口和冷苯入口，圖2有催化干氣入口和下一床層的兩個熱偶口。由于正常工況下設備向上熱漲，平臺向上抬碰熱偶口；向下降卸料口和催化干氣入口與土建梁撞。圖3為長嶺乙苯構-3 EL+11 000層管道布置圖。圖3可看到，一對熱偶口布置在平臺上下，上接口距平臺150 mm，下接口距平臺350 mm。這主要考慮到裝置運行期間設備熱漲和平臺布梁。

2.2 構架平臺對土建梁的一些要求

（1）烷基轉移反應器從頂層斜45 ℃裝催化劑，這就要求土建梁躲開裝料口布置，平臺和裝料口交叉處做成活動板。建議土建梁與裝料口平行布置。

（2）反應器人孔本體上方帶有連接孔蓋的連接件，平臺上設備按正常大小開洞，該連接件與土建梁碰撞；開洞增大易踩空。建議斷開人孔處梁，自下層平臺立鋼管焊在梁斷開處作支撐。催化干氣入口和冷苯入口外伸長，與平臺梁易碰撞，建議采用相同措施。

3 主要管道設計中應注意問題

烷基化反應器管道主要由催化干氣入口、冷苯入口、產物出口和循環苯入口管道組成。

從設備管口到管子第一道閥部分，材質應按照設備和管道工況中的最苛刻條件進行選擇，當設備條件更為苛刻時，在閥前后劃分管道等級分界。對催化干氣入口和冷苯入口管道，第一道閥采用20#，盲板和第二道閥采用15CrMo；

催化干氣入口管道沿設備外壁布置，建議在豎管上增加一對法蘭意方便設備內件檢修;

冷苯入口管道考慮應力分析通常在管口處設置向上的∏彎或水平直管段降低管道應力；

產物出口管道管徑大，閥門手輪長，水平放置空間不允許，建議豎直安裝，在上層平臺開洞操作；自加熱爐來的循環苯入口管道，與低壓氮、高壓氮、電加熱器升溫后的氮、經安全閥去放空、直接去火炬線以及與冷苯跨線多個管線相連，每個管線上均有切斷閥；頂層還布置有電加熱器，空間非常有限，建議以循環苯入口管道為主，其它管道與主管道平行布置。循環苯管道考慮應力分析，靠近設備處設彎頭以增加管道柔性。

烷基轉移反應器進口管道采用與循環苯入口管道相同的方法，出口管道在EL+4 000層平臺下加∏彎以降低管道應力，催化劑吊裝至各催化劑入口，在構架一側留吊裝通道。

4 支吊架的設置

5 結 論

與塔管道支架（支架、管道和塔體同時熱漲）設置不同，反應區管道支架放在構架上，管道熱漲時，構架無熱位移。工藝主管道溫度高，沿反應器軸向熱位移大，且低壓常溫小管道也因與工藝主管道相連被抬起，使用應力分析CAESARII 軟件進行應力計算，彈簧支架高達百個。

建議布置管道時考慮彈簧支架盡量設置在同一軸線上，管道既美觀又方便土建布梁；

小荷載大位移彈簧可要求彈簧廠家做特殊設計；

在構架外的豎管上安裝彈簧時，建議采用外懸臂生根在構架梁上，管道上焊支耳，彈簧放懸臂上支撐管道支耳。

催化干氣制乙苯裝置中，管道設計在符合不同工藝條件的同時，考慮管道的材質、應力分析、支吊架設置和操作檢修等，不斷優化設計, 使配管安全可靠、經濟合理、整齊美觀。

［1］朱方明. 催化干氣制乙苯技術研究［J］. 科技創新導報, 2011，23：8.

［2］劉震. 催化干氣制乙苯工藝的進展［J］. 科技論壇, 2012, 55.

［3］李建偉, 等. 催化干氣制乙苯第三代技術的工業應用［J］. 化工進展, 2010, 29（9）：1790-1795.

［4］ 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊，第一篇，設計與計算［M］.3版. 中國石化出版社.