CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

王紅云（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

王紅云
（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，以某裝置合成甲醇為例，對(duì)化工裝置中CO變換單元變換爐的布置和配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討，為同類裝置設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

變換爐；設(shè)備布置；配管設(shè)計(jì)

1　概述

近年來(lái)隨著煤氣化裝置的發(fā)展，新建、擴(kuò)建的煤氣化裝置越來(lái)越多，其配套的CO變換單元相應(yīng)的也越來(lái)越多。CO變換是甲醇、氨、尿素等化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的重要工段，該工段將CO變?yōu)橐子谇宄腃O2的同時(shí)，又制得了重要的化工原料H2。其基本原理是CO與水蒸氣在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成CO2和H2，同時(shí)釋放出大量熱量。反應(yīng)方程式如下：

在合成氨生產(chǎn)中，有效成分為H2、N2、CO，CO通常變換到0.3%以下，因此CO變換為合成氨原料氣的凈化過(guò)程，又是原料制氫過(guò)程的繼續(xù)。但對(duì)于合成甲醇生產(chǎn)而言，反應(yīng)氣有效成分為H2、CO，并要求二者之間有一定的比例關(guān)系，CO變換僅僅為部分變換。因此，CO變換是合成甲醇生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而變換爐作為合成甲醇裝置中CO變換單元的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)備布置和配管設(shè)計(jì)合理性對(duì)節(jié)省投資和裝置高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2　變換爐簡(jiǎn)介

變換爐有軸向變換爐和軸徑向變換爐。軸向變換爐由于氣體速度較大，為保證變換反應(yīng)，所需的催化劑裝填量較多，催化劑床層較高，催化劑顆粒較大，因此其活性較低，床層壓力降較大，通常用于低溫變換、預(yù)變換等絕熱升溫較小的情況；軸徑向變換爐的徑向氣流方式具有流體分布更均勻，床層壓力降小，催化劑利用率高的特點(diǎn)，因此可采用粒度更小、活性更高的催化劑提高變換反應(yīng)的效率。此外，軸徑向變換爐的徑向氣流方式還起到了冷卻設(shè)備殼體，使殼體在較低的溫度條件操作的作用，因此，軸徑向變換爐的應(yīng)用更為廣泛。某裝置就采用軸徑向變換爐，催化劑采用寬溫（耐硫）鈷鉬系催化劑，其變換爐為熱壁式反應(yīng)器，粗合成氣從頂部進(jìn)入，經(jīng)變換反應(yīng)后，從底部流出，粗合成氣進(jìn)口處設(shè)有分布器，出口處設(shè)有中心管。變換爐設(shè)有多只頂部插入式測(cè)溫儀，控制反應(yīng)溫度。變換爐底部設(shè)有催化劑卸料口，變換爐內(nèi)部的催化劑由耐火磁球支撐。

3　變換爐工藝流程

來(lái)自煤氣化裝置的粗合成氣進(jìn)入某裝置CO變換單元分為兩路，一路經(jīng)中低壓蒸汽發(fā)生器換熱、變換氣溶分離器氣溶分離，再經(jīng)變換爐中壓蒸汽過(guò)熱器加熱后，送入脫毒槽。脫毒槽用于阻擋煤粉塵、炭黑等固體雜質(zhì)及毒物，以保護(hù)后續(xù)的耐硫變換催化劑。脫毒后的粗合成氣進(jìn)入變換爐進(jìn)行CO變換反應(yīng)，離開(kāi)變換爐的高溫變換氣回收熱量后，與另一路不參加變換反應(yīng)經(jīng)降溫回收熱量后的非變換氣混合，送入酸性氣體脫除單元，如圖1所示。

圖1　CO 變換單元變換爐工藝流程簡(jiǎn)圖

4　變換爐的布置

某裝置屬于甲類生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)過(guò)程中使用的原料、化學(xué)品及輔助原料大多數(shù)都屬于易燃、易爆、毒性物質(zhì)，氫氣、硫化氫、甲醇、甲烷等均屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì)，因此，火災(zāi)、爆炸等是本裝置的主要危險(xiǎn)，防火、防爆是裝置安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。CO變換單元變換爐的布置應(yīng)嚴(yán)格按《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他現(xiàn)行有效的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)然整個(gè)裝置的布置跟生產(chǎn)能力和占地大小有很大關(guān)系，變換爐的布置我們盡量減少占地，節(jié)省投資，當(dāng)然我們還應(yīng)充分滿足工藝流程和裝置平面布置的要求，因此在進(jìn)行CO變換單元變換爐的布置時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程需要，變換爐為高溫高壓設(shè)備并存在潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性，宜露天布置，可以防止有害氣體積聚并且節(jié)省投資；且宜布置在裝置的一端或一側(cè)并靠近消防通道，同時(shí)考慮布置在可燃?xì)怏w、溶化烴、甲B類溶體介質(zhì)設(shè)備的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。某裝置CO單元變換爐只有一臺(tái)，按工藝流程順序脫毒槽與變換爐中心線對(duì)齊布置在裝置的一側(cè)，如圖2所示。

圖2　CO變換單元變換爐的布置

2）變換爐的布置應(yīng)滿足操作和檢修的要求，一般將變換爐周圍空間分成兩個(gè)區(qū)域：操作區(qū)和配管區(qū)。某裝置CO變換單元將變換爐一側(cè)靠近框架，以便于變換爐進(jìn)出口管道、閥門和溫度壓力等儀表的敷設(shè)，另一側(cè)應(yīng)留出裝卸催化劑所需的場(chǎng)地和通道，方便催化劑的運(yùn)輸、堆放及裝卸，如圖2所示。

3）變換爐布置還應(yīng)滿足施工安裝的要求，考慮其施工可行性，提供必要的吊裝、運(yùn)輸或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝所需要的場(chǎng)地、空間和通道等。變換爐頂部應(yīng)設(shè)裝催化劑和檢修用的平臺(tái)以及吊運(yùn)機(jī)具，變換爐下部應(yīng)留出催化劑裝卸的空間。卸料口在變換爐正下方時(shí)，其安裝高度應(yīng)能使催化劑的運(yùn)輸車輛進(jìn)入變換爐下方，以便卸出廢催化劑，其凈空不宜小于3m；當(dāng)變換爐的卸料口伸出爐座外，且允許催化劑就地卸出時(shí)，為了催化劑卸料方便，卸料口離地面凈空高度不宜低于1.2m。在確定變換爐裙座高度時(shí)除了考慮催化劑的裝卸外，還要注意催化劑結(jié)塊需要粉碎、過(guò)篩操作的高度。

4）變換爐的平臺(tái)設(shè)置應(yīng)與變換爐的布置統(tǒng)一考慮，平臺(tái)應(yīng)同時(shí)滿足檢修、操作和配管的需要。如果變換爐或相同設(shè)備是兩個(gè)及以上，宜按中心線對(duì)齊成排布置并且基礎(chǔ)面標(biāo)高宜保持一致，這樣有利于考慮盡可能地把設(shè)備平臺(tái)做成聯(lián)合平臺(tái)以便節(jié)省投資。在確定變換爐中間幾層平臺(tái)的高度時(shí)，每一層平臺(tái)都應(yīng)滿足變換爐熱電偶溫度計(jì)（溫度計(jì)在側(cè)壁安裝時(shí)）的安裝和檢修要求，在確定變換爐頂平臺(tái)高度及開(kāi)孔大小時(shí)，應(yīng)滿足變換爐裝填催化劑的操作要求，一般要求催化劑的加料點(diǎn)距離平臺(tái)為0.8-1m，如圖3所示。

圖3　CO變換單元變換爐成排布置

5　變換爐的管口方位

變換爐主要管口有進(jìn)出工藝氣口、人孔、催化劑裝卸口、熱電偶溫度計(jì)口等以及吊柱和吊耳。變換爐頂部需要設(shè)置人孔，用于催化劑的裝填和內(nèi)件的檢修，人孔大小一般為DN500～600，人孔宜布置在催化劑裝卸區(qū)一側(cè)，變換爐底部需要設(shè)置催化劑卸料口，在催化劑老化失活時(shí)將其卸出，催化劑卸料口應(yīng)朝向檢修側(cè)或空曠地帶，以便于卸催化劑。卸料口處可不設(shè)操作平臺(tái)，如果設(shè)置操作平臺(tái)，卸料口下方的平臺(tái)應(yīng)設(shè)置成可開(kāi)啟的。變換爐熱電偶溫度計(jì)常見(jiàn)的安裝方式有徑向安裝和軸向安裝兩種。徑向安裝是在變換爐側(cè)壁開(kāi)口，熱電偶從側(cè)面插入變換爐，軸向安裝是在變換爐頂部開(kāi)口，熱電偶從頂部插入變換爐。變換爐溫度計(jì)采用徑向安裝時(shí)，通常需要設(shè)置多組溫度計(jì)才能滿足變換爐溫度檢測(cè)要求，相應(yīng)的需要在變換爐側(cè)面設(shè)置多層平臺(tái)才能滿足溫度計(jì)的安裝和日常檢維修要求。變換爐溫度計(jì)采用軸向安裝時(shí)，只需要在變換爐頂部設(shè)置平臺(tái)就能滿足溫度計(jì)的安裝和檢修要求。綜上所述，在確定溫度計(jì)的管口方位時(shí)，一定要根據(jù)變換爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求設(shè)計(jì)管口方位，以某裝置溫度計(jì)采用軸向安裝為例，工藝要求以120°分布，如圖4所示。

6　變換爐的管道設(shè)計(jì)

通常CO變換單元的管道溫度和壓力較高，管道壁厚和口徑較大，因此在進(jìn)行配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)敷設(shè)在靠近框架的配管區(qū)，避免法蘭、閥門等位于操作通道上方，以免對(duì)人身造成危害。變換爐進(jìn)出口管道溫度和壓力較高，壁厚和口徑較大，特別是出口管道，因此管道敷設(shè)除滿足閥門易操作和檢修外，還應(yīng)做到配管時(shí)管道有足夠的柔性，當(dāng)進(jìn)行柔性分析時(shí)應(yīng)首先通過(guò)調(diào)整支架的形式和位置來(lái)降低管道對(duì)設(shè)備管口的推力和力矩，仍無(wú)法滿足要求時(shí)再考慮改變管道走向和增加自然補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)降低設(shè)備管口的推力及力矩。因?yàn)樽儞Q爐進(jìn)出口管道高溫、高壓且管徑和壁厚較大，則管道材料等級(jí)較高，價(jià)格昂貴，為減少管道材料和節(jié)省投資，應(yīng)在滿足工藝要求的情況下，在管道及變換爐的允許受力范圍內(nèi)，使管道最短，管件最少做到經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約成本。

圖4　CO變換單元變換爐管口方位示意

2）管道布置應(yīng)避開(kāi)變換爐催化劑的裝卸區(qū)和操作區(qū)。如果變換爐頂部有可拆卸的頂蓋，并且頂蓋上有管道相連時(shí)，該連接管道應(yīng)設(shè)置可拆卸的管段，與可拆段相連的管道應(yīng)有永久的管道支架，使拆卸段拆除后不必增設(shè)臨時(shí)支架，并且平臺(tái)上給出放置頂蓋的位置并可承受檢修的荷載。

3）由于CO變換流程及布置的影響，變換氣管道主要在變換爐和換熱器以及氣溶分離器與換熱器之間來(lái)回穿行，通常換熱器布置在中間框架上，而變換爐和氣溶分離器分布在框架兩側(cè)，這就造成了變換爐和氣溶分離器與換熱器之間進(jìn)出的管道直線距離較長(zhǎng)。為了增加管道柔性，在配管設(shè)計(jì)時(shí)就要避免這些管道在平面上直線連接，而要通過(guò)走立面U形或Π形來(lái)增加管道的柔性。

4）變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)盡早地進(jìn)行應(yīng)力分析，這樣有利于對(duì)于推力及力矩較大的管口及時(shí)地向設(shè)備專業(yè)提出管口受力要求，由設(shè)備專業(yè)核算管口受力要求后，對(duì)不能滿足受力要求的設(shè)備管口局部加以補(bǔ)強(qiáng)以提高管口受力。變換爐進(jìn)出口管道應(yīng)力計(jì)算后通常支撐點(diǎn)受力都比較大，管道敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡量靠近構(gòu)建筑物的梁柱以便管道支吊架的生根點(diǎn)生根在梁柱上，同時(shí)應(yīng)留出足夠的空間以免管道系統(tǒng)產(chǎn)生的熱位移與框架的梁柱及斜撐相碰。

5）變換爐進(jìn)出口變換管道上所有開(kāi)工循環(huán)硫化管線、去工藝火炬的管線和氮?dú)饨尤牍芫€上閥門應(yīng)靠近主管配，閥門不能比主管道低，支管嚴(yán)禁從主管下方接入，而且支管走向不能有袋型，否則容易積溶，如圖5所示。

圖5　循環(huán)硫化管線等接入變換管線配管示意

7　結(jié)語(yǔ)

變換爐是CO變換單元重要設(shè)備，其布置的合理與否與整個(gè)裝置工藝設(shè)計(jì)密切相關(guān)，對(duì)生產(chǎn)的安全性及投資都有著重要的影響。在做布置之前，要充分了解變換爐設(shè)備設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，如設(shè)計(jì)的壓力、溫度、大小及介質(zhì)特性等。對(duì)其管道布置設(shè)計(jì)時(shí)要充分解讀P&ID，這樣才能更安全、經(jīng)濟(jì)、美觀地做好相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

[1] SH3011-2011，石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] SH3012-2011，石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[4] 田旭，曹志斌，汪旭紅.變換反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)展[J].大氮肥，2012，（1）.

Discussion on Layout and Piping Design Elements CO Conversion Means Furnace

Wang Hong-yun

Engineering experience to a methanol synthesis apparatus example，the chemical plant in CO conversion means furnace layout and piping design elements to explore，serving as a reference for the design of similar devices.

conversion furnace；equipment layout；piping design

TE665.3

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1003-6490（2016）03-0106-03

2016-03-13

王紅云（1981—），女，浙江寧波人，工程師，主要從事石油化工工藝配管設(shè)計(jì)工作。