順酐裝置提升改造工程設計

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

1 概述

順酐又名馬來酸酐，是目前世界上僅次于苯酐和醋酐的第三大酸酐，主要用于生產不飽和聚酯樹脂、醇酸樹脂。此外，還可用于生產1，4-丁二醇、γ-丁內酯、四氫呋喃、馬來酸、富馬酸和四氫酸酐等一系列重要化工產品[1]。順酐生產一般采用苯氧化法和正丁烷氧化法兩種主要生產方法。目前國外主要采用正丁烷氧化法，國內以苯氧化法為主[2]。由于正丁烷法工藝資源利用方面比苯法合理，環境污染程度比苯法輕，隨著石化行業的快速發展，正丁烷法順酐裝置近幾年發展較快，在新上馬的順酐生產裝置中，正丁烷法占主導地位，國內選擇苯氧化生產方法主要是由于以前國內的煤資源豐富的資源特殊性造成的。但是伴隨著國內開始注重環境保護以及煤資源正在不斷的被消耗，近年逐漸開始應用正丁烷氧化方法來生產順酐。正丁烷法相對于苯法生產順酐主要有兩大優點。第一個優點是在資源利用上更為合理；第二個優點是更加注重環境保護，對環境的污染更小。伴隨著我國煉油、石油化工行業的不斷發展和創新，C4資源得到了更加合理的綜合利用。因此國內現階段采用生產順酐的方法趨勢主要是正丁烷氧化法[3]。

2 工藝流程

2.1 正丁烷氧化法工藝流程概述

正丁烷氧化法順酐生產技術的核心為原料正丁烷與空氣在反應器中發生的高溫放熱、氣固相催化氧化反應見圖1。氧化反應工藝通常分為固定床工藝和流化床工藝，本工程正丁烷法順酐裝置為固定床工藝。其流程為：原料正丁烷與壓縮空氣按一定比例充分混合后進入固定床氧化反應器，在裝填有催化劑的列管內進行反應。反應過程中大量放熱，反應熱由熔融的硝酸鹽混合物循環移走，反應產生的氣體經熱交換器冷卻，然后進入吸收塔與吸收溶劑進行逆向接觸，其中順酐被溶劑吸收，經解吸塔蒸餾系統，將順酐和吸收溶劑分離得到粗順酐，再經過洗滌塔、脫水塔后，精制生成液體順酐產品，再經過冷卻制片（或塊）成為固體順酐產品。

圖1 正丁烷氧化法流程示意圖

2.2 本提升改造工程工藝流程設計

本順酐裝置提升改造工程是在原8萬t/a的生產能力基礎上提升至10萬t/a：新增一套空壓機單元、一套氧化反應單元，并對吸收、汽提、溶劑處理等單元實施升級改造。

反應器系統的目的是在釩磷氧催化劑上使正丁烷與空氣經選擇氧化反應生產順酐。氣相丁烷和穩定劑、低壓水蒸汽加入到順酐反應器進口空氣管道中。混合物通過反應器靜態混合器，以便使進料中各組分均勻分布。混合器非常接近于順酐反應器，以減少可燃氣體的容積。在順酐反應器中，進入反應器的大約55%丁烷轉化為順酐、32%轉化為一氧化碳和二氧化硫，并且2%轉化為醋酸和丙烯酸，這些反應高度放熱。熔融的熔鹽通過順酐反應器循環移除反應熱量。反應熱用于發生高壓飽和蒸汽。順酐反應器為列管式固定床反應器，反應器組不可分割的部分包括反應器、電加熱器、熔鹽冷卻器以及熔鹽循環泵。順酐反應器由密閉循環的熔融熔鹽回路冷卻，熔鹽由熔鹽泵輸送到順酐反應器殼程。熔鹽冷卻器為立式換熱器，高壓飽和蒸汽在冷卻器管程產生。順酐反應器組設備均連接到熔鹽排放池。反應器系統配備數個安全設計措施，以防止殼程或管程過壓。殼程有超流量管道，以便在順酐反應器太滿時允許熔鹽流回到熔鹽排放池。

反應器出氣冷卻系統由氣體冷卻器、切換冷卻器及其備用冷卻器組成。氣體冷卻器通過發生高壓飽和蒸汽冷卻反應器出口氣。切換冷卻器用鍋爐進水作為冷卻介質，并且向反應器組提供預熱鍋爐進水。冷卻后氣體物料與前期合并輸送至吸收塔回收順酐。

3 本提升改造工程裝置布置、配管設計

3.1 裝置布置設計

本工程除新增空壓機房以外，裝置布置按照生產流程順序進行了集中露天布置，在保證熱力管線應力計算通過的前提下，盡量使各設備間輸送管道最短，避免流程迂回往復，且滿足操作檢修的需要。消防道路路面上方凈空高度設計不小于5m[4]。

新增氧化單元在已有裝置北側采取填平補齊的布置與已有裝置相契合銜接。裝置為鋼結構框架，地面設置了分析柜、順酐反應器及反應器防護罩等設施見圖2。EL+8.5m和13.5m層設置有反應器組的操作檢修平臺；反應器氣體冷卻器及切換冷卻器布置在框架南側，中間以管廊與反應器組隔開，EL+3.5m、8.5m和16.0m層設置有冷卻器操作檢修平臺。整個框架分別設置了兩個通往地面或者下層的樓梯作為安全疏散通道，以滿足安全疏散要求[5]。頂部設置有起重能力為2t的電動葫蘆；蒸汽罐用于收集高壓飽和蒸汽，按工藝計算要求，將其設置在EL+25.0m的框架平臺上。

圖2 新增氧化單元裝置布置圖

按照安全衛生設計的相關要求，凡是有毒和具有化學灼傷危險性的作業區，須設置有應急噴淋洗眼器等安全和衛生防護設施，一旦不慎有有毒物質飛濺出來，可以立即用清水沖洗以免人員受到傷害。各裝置區設置應急噴淋洗眼器的數量要確保其服務半徑覆蓋范圍滿足15m的要求[6]。本工程新增氧化單元設置了6臺應急噴淋洗眼器、新增風機房設置了1臺應急噴淋洗眼器。應急噴淋洗眼器設在出、入通道口旁或在緊急情況時人容易觸摸到的地方。

圖3 新增氧化單元總體平面布置示意圖

新增氧化單元為甲類生產裝置，按照設計規范，其與廠區前期甲類裝置氫氣壓縮機房的間距應不小于30m[4]見圖3。反應器底部混合器爆炸危險性較高，按工藝設計要求，應設有防護罩以保證人員及裝置的安全。本工程如果按照前期裝置氧化單元的設計方案，反應器防護罩與氫氣壓縮機房之間的距離小于30m，不符合要求，為此我們將布置、配管方案做了調整，對裝置中間管廊進行了合理的壓縮，并對防護罩設計進行了相應調整。這樣重新設計后氧化單元與前期氫氣壓縮機房的間距滿足了規范的要求，解除了風險。

3.2 配管設計

本提升改造工程設計需要應力計算的管線較多，計算后使用彈簧支架約40余個，這些管線的運行溫度大多都是在200℃～350℃之間，并且管徑較大，這種情況下這些應力管線計算的結果就不可避免地會對裝置布置和配管造成一定影響。氧化反應單元熔鹽管線為夾套管線，為便于熔鹽介質排空，需要有1%的坡度設計，對施工安裝精度要求較高。對改造工程來說，管線的支撐，特別是大直徑管線的支撐，在設計時還需要考慮新增支架的位置。例如：空壓機至反應器的進氣管線及反應器的出口管線，因需要穿越已有的前期管廊和裝置區，支撐條件變得十分復雜。這些都需要在設計過程中工藝布置專業與土建專業和現場實際情況緊密聯系，精確制定設計方案。

4 結論

隨著國內外化工行業市場的不斷調整，各工程公司承接的改造工程不斷增多。改造工程因有其獨特的特點，需要在原有廠區范圍尋找合適的場地，要充分考慮原有公用工程及物料的輸送便利性，還需要考慮裝置總圖甚至其他相鄰廠區的裝置建構筑物特性，來綜合考慮裝置布置以滿足化工裝置規范間距等要求。裝置操作平臺的設置需要考慮設計足夠的疏散通道，對空間緊張密集型裝置的改造，操作檢修空間需要與相鄰裝置綜合考慮，條件允許的情況下可以互相借用以達到對空間的充分利用。在原有裝置內部或近旁設計新增裝置時，既須確保設計規范的相關間距要求又須滿足樁基、上部結構、安裝作業的施工可行性要求。對新增大管線的支撐設計也需要對原有裝置的框架及管廊十分了解，這樣才能給土建專業提出可行的支撐設計條件。對于改造工程務必要參考前期工程的施工圖紙，并準確掌握現場的實際情況，這樣才能做到準確無誤，并為后續設計施工創造有利的條件。