費托合成反應器管口方位設計探析

趙遼華 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

1 費托合成簡述

費托合成（Fischer-Tropsch Process），又稱F-T合成，是以合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）為原料在催化劑和適當條件下合成以液態的烴或碳氫化合物（HydroCarbon）的工藝過程。高溫費托反應基本流程見圖1。

圖1 高溫費托反應基本流程

在煤間接液化（煤制油）過程中，一定H/C比例的合成氣與循環氣混合后，經壓縮機加壓及進料預熱器加熱到一定溫度后，進入費托合成反應器，在催化劑的作用下部分轉化為烴類物質。

合成反應為強放熱反應，反應熱通過反應器內移熱裝置以產生蒸汽的方式移走，反應器的溫度通過控制汽包的壓力來進行調節。

反應器出口氣體，在激冷塔內進行冷卻，生成的冷凝液體作為高溫冷凝物產品閃蒸后送至產品儲槽。

激冷塔的塔頂氣體，經冷卻后進入高壓分離器進行油相、水相和氣相的分離。油相為低溫冷凝物，送入低溫冷凝物儲槽；水相為反應水，送至反應水精餾塔進一步處理，反應水中含有的醇、醛等含氧化合物從塔頂采出，高壓分離器頂部排出的氣體一部分為循環氣返回反應器，另一部分為弛放氣送出裝置界區。

2 合成反應器簡述

合成反應器基本流程圖見圖2。

圖2 合成反應器基本流程

合成反應器采用固定流化床形式，主體材料為14Cr1MoR。合成氣通過反應器底部進入，經過氣體分布器，在催化劑的作用下，轉化為烴類物質。

合成反應為強烈放熱反應，劇烈的放熱會導致設備內部溫度過高，因此，需要通過移熱裝置來將大量的熱量移除。通過在反應器內布置八組冷管來達到冷卻的目的，冷卻介質為鍋爐水，經過換熱后鍋爐水變為中壓蒸汽。

在反應器上部設置四組旋風分離器，將合成氣催化劑粉塵過濾掉，盡量使粉塵不被帶出設備。

旋風分離器上吹掃口較多，將設備布置在框架中心，有兩個好處：第一，減少塔上的平臺及貼板數量；第二，方便配管及后期施工。

3 管口方位的確定

反應器總高約35000mm，管口共156 個，其中溫度計口50 個，壓力表口7 個，差壓計口14 個，鍋爐水進口8 個，蒸汽出口8 個，物位計20 個，儀表吹掃口12 個。

分三部分來考慮管口方位：第一部分為氣固分離段；第二部分為冷管段；第三部分為反應器進料段。

3.1 氣固分離段

3.1.1 旋風分離器的方位

對于內部有較多部件的設備，首先需要確定其內件的方位，即根據其相關的管口的配管來確定。

由于旋風分離器上吹掃口較多，且每個吹掃口均有閥組，因此，需要根據其配管的情況來確定旋風分離器的方位。將旋風分離器的方位分為居中均布和跨中均布，見圖3。

圖3 旋風分離器及吹掃閥組布置

圖3 左側方案配管區域會占據框架大部分位置，人孔M4 的方位檢修也不方便。右側方案的管道配管可以使吹掃口配管只占框架的南北兩側，這樣人孔也方便檢修，因此，旋風分離器選用跨中均布，相應的吹掃口位置也就確定了。

3.1.2 人孔的方位

一般情況下在進行方案確定時，應該將設備周圍分為配管區和操作區，其中配管區指工藝管道及公用工程管道的布置區域，操作區即人孔區域，此區域在設置時需要考慮方便檢修。

在布置人孔時，應當盡量將其放置于一條直線上。一般靠近廠區主干道一側，或位于靠近于無障礙的一側，這樣布置的好處有兩點：①方便吊車、運輸車輛等工具在設備檢修、更換內件時有足夠的作業空間。檢修時從設備內部拆卸的塔盤或其他內件可以從人孔中抽出，內件或催化劑在此處方便裝車；②道路的相對一側一般為框架或管廊，這一側為配管側，使配管可以達到簡潔，美觀，視覺統一的效果。

當人孔較高而不方便靠近時，一般需要設置操作平臺，平臺高度距離人孔中心600～1000mm 之間，最宜高度為750mm，平臺寬度一般為1200mm。設置時需要注意以下問題：①當設備直徑小于2000mm 時，而上面又有操作平臺時，需要考慮吊柱是否可以伸出至平臺外，一般情況下，設備專業設置的吊柱長度為設備直徑的0.7 倍；②人孔開啟的方向一定是跟逃生方向相反，否則事故時且人孔開啟，會阻礙人員的撤離。

對于填料塔的人孔布置，一般并無特別要求，有的人孔會位于填料段上方的分配管的上面，用于檢修分配管，此時需要注意進料管的形式和方位，如果進料是T 型分配管，則此處人孔需要跟進料管成180°對稱布置，如果進料管進入設備內部后直接接分配盤，則其只要跟人孔不碰撞就行。

此反應器氣固分離段，共有3 個人孔，主要用于檢修旋風分離器。設備內部設置了直爬梯，連接三個人孔，所以，這三個人孔需要在一個方位。其次，人孔需要跟旋風分離器岔開45°布置，來保證人在內部操作的空間。人孔及旋風分離器管口方位見圖4。

圖4 人孔及旋風分離器管口方位

3.1.3 頂部管口及儀表口

反應器頂部管口（N2）見圖5。

圖5 反應器頂部管口

彎頭N2 口上有拆卸法蘭。對于此框架來說，其出料口管道需要在框架南側，因此，N2 位置就是180°。

壓力表口盡可能均布，但由于其中一組壓力表P6b 需要進入集氣室，必須與旋風分離器出口進集氣室的管子避開，因此，無法保證壓力表完全均布。

對于溫度計這類有內伸管的管口，需要注意是否會與內件碰撞。由于旋風反應器上部會有管道進入集氣室，要盡量與旋風岔開角度布置。但由于頂部管口較多，無法岔開角度，經過模擬，T50 口的溫度計內伸不會跟內件相碰，因此，頂部管口布置見圖6。

圖6 反應器氣固分離段管口方位

3.2 冷管段

3.2.1 冷管的管口方位

在確定一些設備冷卻水管口的方位時，需要注意設備內部折流板的位置，例如立式換熱器，需要注意折流板個數是奇數還是偶數，當折流板為偶數時，進水口跟出水口需要盡量成180 度布置；當折流板的為奇數時，進水口跟出水口需要盡量在同一側布置，見圖7。否則對于換熱器本體的換熱效率有影響。

圖7 冷管進出管口

3.2.2 人孔的方位

此部分只有一個人孔，位于冷管段上方，與汽水混合物出口（冷管出口，介質為中壓蒸汽）高差僅有500mm，見圖8。因此，人孔盡量與冷管出口管夾角45°方位布置。

圖8 M3 及冷管出口管口方位

3.3 反應器進料段

3.3.1 進料口的方位

反應器的進料口若為多個管口的時候，一般都需要對稱布置，否則會造成流體偏流。對于此反應器而言，進料口后分別接了分布器。因此，進料口必須對稱布置。見圖9。

圖9 進料口內件詳圖

3.3.2 人孔的方位

M2 口位于固定流化床上方，冷管下方，與溫度計口T4～T7 僅有400mm 的高差。溫度計口盡可能均布以反映出各個位置的溫度，也為了防止設備內部發生偏流導致溫度計讀數不準確。因此，人孔也需要跟溫度計口成45°夾角布置，見圖10。

圖10 M2 及T2～T5 管口方位圖

M1 孔位于塔釜段，用于檢修合成氣進口分布器，與進氣口N1a/N1b 高差600mm，如果可能的話，人孔盡可能跟進料口成90 度夾角布置，見圖11。

圖11 M1 及進料口管口方位圖

3.3.3 外盤管蒸汽及凝液管口方位

外盤管一般將蒸汽口放在一個方位，凝液口放在一個方位，這樣蒸汽管可以配在一個角度上。當管口很多的時候可以方便配管，兩個管口之間要根據設備要求。有時要求同一高度的蒸汽口和凝液管口需要有一定的角度，有時兩個管口之間有一定距離的要求。

當設備為夾套設備，需要注意設備夾套的蒸汽進口跟凝液出口需要保證180°，否則內部蒸汽可能會發生偏流而導致設備受熱不均勻。

凝液管口配管，之前考慮過將凝液出口之間岔開角度布置，這樣凝液口往下走的時候就可以省一個彎頭，但后來發現會有兩個問題：①如果凝液口旋轉，那么相同高度的蒸汽口也得旋轉，否則會導致兩個口之間的部分沒有伴熱，對于伴熱段少的設備此部分影響較小，若設備伴熱口多，若凝液口旋轉而蒸汽口不同時旋轉，則會有一定影響；②如果凝液口旋轉，向下的管道會成一個弧形，除非每個管道增加一段長度來將管道伸長至同一個平面，否則設備支架不好做。

此設備共有三組伴熱，位于塔釜位置，設備要求同一高度的蒸汽口跟凝液口有240mm 的間距要求。伴熱凝液管口側面見圖12，伴熱凝液管口間距要求見圖13。

圖12 伴熱凝液管口側面圖

圖13 伴熱凝液管口間距要求

4 結語

按本費脫合成項目合成反應器管口工程設計，總結如下：

（1）首先，應當根據工藝原理、物料相態和流程，在滿足工藝流程條件下， 初步規劃主物料管口、輔助管口、人孔、儀表管口等布置，再根據流程模擬，確定最優布置方案。

（2）其次，應當考慮到人孔的位置、方位。人孔的布置應方便檢修，開啟方向應該與平臺疏散方向相反。

（3）其余管口的布置需要考慮其本身的屬性，如是否有內伸管，是否需要頻繁拆裝、是否需要對稱、是否接分布器等。

（4）反應器管口方位的設計，即綜合考慮對應的管道布置，否則會導致管口方位本身符合要求，但是反應器周邊配管的后續施工、操作、檢修方面存在困難或不合理。