UOP負壓丙烷脫氫生產工藝及關鍵設備布置中工藝限制性要求

姚首領

（浙江石油化工有限公司，浙江舟山 316000）

丙烷脫氫制丙烯的生產工藝，因其原料單一、產品單一、投資低、收率高等優勢，越來越受重視。在目前投產的丙烷脫氫裝置中，主要有美國UOP 公司采用移動床反應器、催化劑連續再生的Oleflex 工藝路線和美國Lummus 公司采用固定床反應器的Catofin 等工藝。這兩項工藝技術成熟可靠，均已實現工業化且各具特點。本裝置由北京寰球工程公司承擔設計采用UOP 公司的Oleflex 負壓生產技術、催化劑連續再生方案可實現更低的反應壓力，進一步提高反應轉化率、在裝置運行生產的同時，實現催化劑的連續再生，兩者相輔相成但又互不影響。而催化劑為固體顆粒，易阻塞、易磨損，且傳輸管線復雜多變，此工藝技術對設備布置和配管的配置有一定限制性要求。

1 Oleflex工藝簡述及特點

Oleflex 工藝采用Pt/A1203催化劑和串聯的四個加熱爐和四個絕熱式移動床徑向流反應器，溫度600～650℃，操作壓力-0.01MPa 進行脫氫反應。脫氫反應為強吸熱反應，在每個反應器的進口設置有加熱爐，為脫氫反應提供熱量，作為平衡反應要達到提高反應轉化率的目的，受限于熱力學和反應器的出口壓力，通過提高反應溫度降低反應壓力可以促進脫氫反應的進行，提高丙烷轉化率，但是單一的提高反應溫度會促進熱裂解反應的增加，裂解反應會增加烴類的分解，進而在催化劑上結焦，降低了催化劑的活性，為此本工藝通過選用接觸式冷卻塔溶劑油為冷卻介質，代替傳統脫氫裝置里的水冷換熱器為冷卻反應產物提供冷量，進一步降低反應器出口到壓縮機入口的壓降，壓縮機入口壓力控制在-10kPa，進而得到更低的反應壓力，提高反應轉化率，經冷卻、壓縮、分離后得到合格丙烯產品。其特點是在裝置不停車、設備不切換的情況下，實現催化劑的連續添加和再生；同時氫氣作為提升氣在提供催化劑動力同時，還作為稀釋劑抑制結焦和熱裂解并作載熱體維持脫氫反應溫度。

該工藝中，催化劑反應再生作為整個裝置的核心。其流程如圖1所示。催化劑提升進入1#反應器催化反應后，在自身重力作用下依次進入1#催化劑收集器、1#提升料斗，經氫氣氣提提升，再通過兩套相同串聯裝置，進入4#反應器、4#催化劑收集器，在這里先進入1#閉鎖料頭，用氮氣置換氫氣后，進入4#提升料斗，之后氮氣作為氣提氣通過中間分離料斗、分離料斗，分離催化劑粉塵后，完好的催化劑進入再生器，依次通過再生器內部的上部燒焦區、下部燒焦區、冷卻區、過渡區、氧氯化區、氯氣提區，在重力作用下進入流量控制料斗和緩沖料斗。當系統中催化劑不足時，通過催化劑添加料斗和催化劑添加閉鎖料斗補入到緩沖料斗中，與再生后的催化劑混合后進入2#閉鎖料斗，用氫氣置換合格后，自流進入5#提升料斗，再以氫氣為提升氣，將催化劑提升到1#反應器，然后再自流到還原段進行催化劑的還原反應，以使催化劑達到最佳性能，完成催化劑的循環。

圖1 催化劑管線循環圖

2 框架相對位置的確定

在考慮占地面積、設計分工、結構設計等因素下，催化劑反應和再生過程，分別布置兩個獨立框架中，兩框架之間的布置方案有兩種。

方案一中再生框架靠近4#反應器，4#提升料斗至分離料斗管線最短，管線阻力較小、催化劑磨損少，5#提升料斗至1#反應器最長，管線阻力大、催化劑磨損多；

方案二中再生框架靠近1#反應器，這樣5#提升料斗至1#反應器最短，新鮮的催化劑可以更多更快地進入反應器，而4#提升料斗先提升至中間分離料斗帶走一部分粉塵后，二次提升至分離料斗，實現完整分離。

經比較，方案二催化劑分離更好、活性更高。因此選擇方案二。

3 UOP工藝包對反應/再生單元關鍵設備及管道布置的要求

催化劑的循環動力主要來自于催化劑自身重力流流動和提升氣提升，因此設備布置時最好從上到下成糖葫蘆狀布置。但是四個反應器本身就很長，考慮框架高度，只能并列排布。催化劑收集器置于反應器正下方，而提升料斗在滿足收集器至提升料斗管線角度為45°且不大于45°前提下，調整提升料斗的位置，保證提升料斗至無沖擊彎頭管線垂直向上，并調整無沖擊彎頭標高滿足無沖擊彎頭至反應器管線20°坡度的要求。反應單元和催化再生單元的框架要盡可能靠近，目的是縮短反應器到催化再生單元催化劑輸送管線的長度，以減少管線對催化劑磨損，降低無沖擊彎頭高度，縮短催化劑管線長度和框架高度。在滿足以上條件的前提下，為了將非選擇性熱裂解保持在最低限度，Oleflex 反應器與加熱器四臺設備盡量靠近，盡可能地縮短設備間的水平距離，減少管道容積，減少管線熱損失。故要求反應器與加熱器之間的間距最小，約3m（9ft）。以盡量減少熱停留時間和壓降。該距離應適應小管架的寬度，應根據最終反應器支撐裙座和支撐結構確定加熱器表面和反應器中心線之間的最終距離。4臺加熱爐相對應的4臺反應器的進出口管線對稱且等容布置；從4#反應器出口到壓縮機吸入罐的阻力降不能超過21kPa，為實現這一壓力降要求，取消了傳統冷卻換熱器改為溶劑油為換熱介質的接觸式冷卻器。從4臺熱聯合換熱器物料出口管線到1#加熱爐的進口管線的容積不能超過95.64m3；一反出口到一號中間加熱爐入口管線的容積不能超過39.39m3，UOP 對加熱爐到反應器間的物料管線都有相應的容積要求。由于整個反應區處于高溫環境，在配管研究階段就需考慮溫度產生的相應影響

4 催化劑管線連接管件的選用

4.1 大曲率半徑彎頭的選用

催化劑管線內為氣、固兩相流狀態，里面的催化劑具有密度大、硬度高、尖銳角突出等特點，加之輸送介質速度高，對管線尤其是彎頭的磨損最為嚴重，而傳統氣力輸送理論認為物料在彎頭內是貼著外側內壁流動，曲率半徑越大就越接近于直管輸送，相應的磨損和壓力損失也應是最小的。因此催化劑管線選用的均是大曲率半徑彎頭，這樣即可減少傳輸過程中的阻力降、催化劑磨損，延長使用周期。

4.2 特殊法蘭管件的應用及施工要求

異徑法蘭：主要用于反應器頂部的催化劑管線處，為減少阻力降依次選用4”管線、6”儀表控制閥、8”球閥根部閥，口徑變化多，且全用法蘭連接，選用異徑法蘭代替大小頭加法蘭使用，縮短催化劑管線長度；并對焊縫進行拋光處理，保證焊縫表面凸起部分的光滑過渡，減少對催化劑流動的影響。

坡口法蘭：催化劑管線上安裝的閥門數量多且均用法蘭連接，而普通法蘭在縫隙處易磨損、進而形成粉塵堆積，因此下側法蘭選用坡口法蘭連接，使催化劑順利流動，減少對催化劑的磨損。內坡口打磨的深度為管徑的1/8"，打磨長度不小40mm 為宜。

DUR O LOK 聯管器：本裝置催化劑管線較長，配管時需要多根管子現場焊接成線，中間除了法蘭連接外全是大曲率半徑彎頭，在管線上直接焊接施工無法對管線內側焊縫進行打磨處理，所以在管線連接處采用DUR O LOK 聯管器連接，便于焊縫的打磨處理。要求所有內焊縫都要打磨光滑，以用手觸摸時沒有凹凸感為宜。

唇形墊片：由于壓力的降低，烯烴-烷烴的動態平衡有利于單烯烴在高水平轉化率下和較高選擇性。由于空氣進入氫氣/烴類環境的設備的風險，常規的Oleflex 裝置的任何部分都不推薦在小于大氣壓力下操作。本 C3 Oleflex 裝置設計在反應器流出物壓縮機的吸入口處略低于大氣壓力下操作的同時保證四反出口壓力為2～3kPa 微正壓，并在低壓區四反出口物料管線和催化劑管線法蘭連接處，采用了焊接唇形墊片作為管線連接，并在產品干燥器出口設有微量氧分析儀，能夠減少和監控空氣進入系統及保證設備的安全操作。

4.3 催化劑管線的閥門選型

一般閥門選型首先會優先考慮閘閥，催化劑在移動過程中形成的粉塵顆粒在管線上的閘閥閥槽易阻塞，而在閥門密封面更是對催化劑造成沖刷磨損，而密封偏心半球閥具有開關迅速，流通面大、阻力小、密封面直接磨損小，開關過程中能除去閥門密封面催化劑積垢等特點，因此催化劑管線閥門均選用后者，在催化劑再生部分使用了三種類型的自動閥門，分別為 V 型端口閥、B 型閥、 G 型閥，以提高裝置運轉周期。

4.4 催化劑管線對支吊架的選用安裝

管道彈簧支吊架的選型主要依據為管道應力分析報告，考慮不同工況彈簧的支吊架適用性，丙烷脫氫反應系統是高溫系統，就需考慮由溫度產生的相應影響，雖然把反應器裙座放在了系統中間位置，但是頂部和底部的熱位移仍可達到100～250mm，整個管系的應力問題主要通過選用合適的彈簧支吊架或者增加管口法蘭的壓力等級等方法來解決，由于彈簧支吊架需在反應器框架做生根點，因此需要對支吊架、管道空間等方面提前考慮，特別是管道支架的安裝空間及管道與相鄰鋼結構的空間特殊位置支吊架的偏裝要求需要提前考慮進去，對減少施工的返工量，具有積極意義。同時大量使用彈簧會造成催化劑傳輸系統管線的不穩定，因此在管線穿平臺位置、梁柱位置適當設置導向支架是很有必要的。在施工過程中必須保證上下平臺和梁柱位置在一個垂直面上，以保證催化劑管線可以在冷熱工況下的正常位移，滿足應對大風荷載等其他不穩定因素對管線震動造成影響，這也對施工質量提出了更高的要求。

5 結論

根據催化劑管線特性和UOP 工藝包內的限制性要求，催化劑管線在配管施工時要求復雜且嚴格，但配管設計原則就是保證催化劑管線穩定性好、阻力降低、催化劑磨損小等特點，在催化劑管線施工，焊接過程中要對管線內壁打磨光滑，按照管線設計要求嚴格施工，確保施工質量。丙烷脫氫反應系統是高溫系統，需考慮由溫度產生的相應影響，因此需要對支吊架、管道空間等方面提前考慮，特別是管道支架的安裝空間及管道與相鄰鋼結構的空間特殊位置支吊架的偏裝要求提前考慮進去，對減少施工的返工量，裝置的按時中交，都具有積極意義。