分子篩干燥器的管道布置

于羅娜 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

在化學工業(yè)生產(chǎn)中得到的產(chǎn)品往往還有過多的水分或有機溶劑，要制得合格的產(chǎn)品需要除去固體物料中多余的水分。比如在PDH項目中，反應器再生時用到的蒸汽冷凝后會產(chǎn)生水，產(chǎn)品氣需要在干燥后才能高效地進行后續(xù)的凈化。

本文描述的干燥器用于三級壓縮后的產(chǎn)品氣。三級壓縮后的產(chǎn)品在分離罐中分為氣液兩部分，主要成分均為乙烯乙烷。產(chǎn)品液在干燥后去脫乙烷塔進行乙烷脫除等后續(xù)操作，產(chǎn)品氣經(jīng)分子篩干燥器干燥后去冷箱進一步分離出氫氣等輕組分。

分子篩干燥劑的結構如同海綿，能將介質中的含水量降低到0.01g/m3。采用吸附脫除雜質。一旦分子篩吸附至飽和狀態(tài)，就不能繼續(xù)吸附，需要對其進行再生操作：把已經(jīng)吸附的雜質用再生氣體釋放出來，再吹出去，使其重新具備吸附能力。由于分子篩在較高壓力和較低溫度下易于吸附，在較低壓力和較高溫度下易于再生。因此，吸附和再生處于兩種差異很大的操作工況。再加上吸附工況時往往有一些特殊要求，這就使分子篩干燥器的進出口管道布置成為了一個難點。

1 工藝流程、設備及設備布置介紹

1.1 工藝流程介紹

以某項目為例。該項目設置了兩臺氣相分子篩干燥器，一開一備，流程簡圖見圖1。

圖1 干燥過程流程簡圖

主要運行步驟如下：

（1）干燥器A完成上一個工作循環(huán)開始切斷，所有閥門關閉。

（2）此時設備內干燥劑填料已經(jīng)吸收了水分，需要再生。正常干燥工況工作壓力為15 bar，再生工況工作壓力為6 bar。因此，打開出口管線上的一個旁路進行卸壓，該管線通往干燥器的上游設備。

（3）干燥器A卸壓后用另一臺在線干燥器B的產(chǎn)品氣加壓。通過重復加壓、減壓操作，盡可能將干燥器中上一個循環(huán)剩余的產(chǎn)品氣驅趕到上游設備中去。

（4）加壓完成后進入再生工況，分為冷再生和熱再生：①冷再生階段，打開再生管線進出口上的閥門以及冷再生氣管線上的閥門，通過45 ℃的冷再生帶走干燥劑中的自由水分；②熱再生階段，用300 ℃的再生氣進一步再生，使干燥劑中的水分進一步蒸發(fā)。之后開始降溫，為下一階段工作做準備。

（5）再生完成后，減壓到6 bar，盡量排出再生氣。

（6）為了進入干燥工況做準備，干燥器A在用另一臺在線干燥器B的產(chǎn)品氣加壓到15 bar后，打開進口和出口旁路管線上的閥門，準備上線。

（7）剛上線的干燥器A和即將切斷的干燥器B并列運行半個小時后，關閉干燥器B，進入穩(wěn)定工作階段。

1.2 設備介紹

分子篩干燥器設備圖見圖2。

圖2 分子篩干燥器設備圖

設備本體高約15 m，裙座高4 m，直徑6 m。有兩層填料，下層主填料層厚約2 m，上層輔填料層厚約1 m。正常操作過程中，輔助填料層中應該沒有水分，兩填料層之間設置取樣分析儀檢測水分，如檢測出有水分，說明下層主填料層無法正常工作，需要停車檢修。填料層底部和上下均設有人孔，用于檢修和更換干燥劑。

氣體干燥器正常操作溫度為26 ℃，操作壓力為15 bar，再生分兩種工況，高溫工況操作溫度為300 ℃，低溫為40 ℃，操作壓力是6 bar。一個工作循環(huán)中，有約120 h的干燥在線生產(chǎn)時間和50 h的下線再生時間。

該設備有以下主要管口，頂部的N1是再生氣進口和干燥后的產(chǎn)品氣出口，底部的N3是再生氣出口和待干燥的產(chǎn)品氣進口。正常操作時，氣體流向是從下向上，再生時是從上到下。

1.3 設備布置介紹

干燥器區(qū)域設備布置圖見圖3。

圖3 干燥器區(qū)域設備布置圖

兩臺氣體干燥器間距為9 m，兩液體干燥器間距3 m。氣體干燥器北邊、東邊是界區(qū)，南邊是管廊，中間設有一個兩層框架，用來布置調節(jié)閥組。框架長15 m，寬8 m，北邊設有樓梯間。干燥器上部設有聯(lián)合平臺，并與框架連接，方便操作檢修。

本文主要討論氣體干燥器的管道布置。除需要滿足基本工藝要求外，還有以下難點：首先，管道直徑較大，且要求布置在地面，而地面空間又非常有限；并且，因為再生氣和產(chǎn)品氣流向相反，容易產(chǎn)生震動，應力計算難通過，因此，本項目的氣體干燥器的主要管線具有典型性，值得探討。

2 氣相分子篩的主要管線布置

2.1 產(chǎn)品氣進口管線和再生氣出口管線

2.1.1 管道基本介紹

根據(jù)工藝管道儀表流程圖PID要求，干燥器填料層下方的28''的產(chǎn)品氣管線和12''的再生氣管線需通過不同的閥門的開關切換，這兩條管線共用同一個管口。管道等級為150 CL，材料為碳鋼。管口附近有溫度計和壓力表接口。兩條管線上均有一個切斷閥和一個手閥，閥門之間有一個導淋。

2.1.2 方案介紹

方案一：

將這兩條管線布置在界區(qū)和干燥器之間，即干燥器東邊。干燥器北邊和南邊用作更換填料時的檢修空間。管道布置見圖4。

圖4 方案一管道模型截圖

從管口開始，在立管上直接接出12''再生氣分支，兩根管線接完閥門后均上翻，AB套管線匯合后去管廊。該方案的優(yōu)點：AB套閥門之間能留出寬約1.5 m的通道，方便通行，且切斷閥周圍有足夠的檢修空間。但該方案存在以下問題：

（1）干燥器的吊裝空間不夠，南邊的干燥器雖然距離管廊還有一定距離，但仍然不滿足要求。干燥器東邊的整個區(qū)域用來檢修，布置需要調整。

（2）管口到切斷閥的距離過長，如果有積液，無法排除，因此，要求切斷閥盡可能的靠近管口。

（3）產(chǎn)品氣管線在高處分開后向下，立管上安裝閥門的位置也會在閥門關閉后產(chǎn)生積液。積液過多會在啟動時將大量液體帶入干燥器，損害干燥劑。

修改后的方案二：

管道布置見圖5。

圖5 方案二管道模型截圖

（1）首先將管線鏡像到干燥器西邊。為了保證檢修通道要求，適當加大了干燥器和框架之間的距離。

（2）產(chǎn)品氣管線和再生氣管線直接在地面三通處分叉，調節(jié)閥直接和三通和異徑管連接，保證了最小的死端。同樣，把再生管線上的手閥從立管挪到水平管，雖然增加了占地空間，但減少了積液量。

（3）產(chǎn)品氣管線直接下到地面上接三通分叉，手閥和三通直連。這樣的布置方法雖然犧牲了通道，但可以讓死端最短，保證正常操作。

2.1.3 應力分析

因為兩套干燥器一開一備，且再生狀態(tài)下有兩種工況。應力計算要求盡可能增加東西方向上的管道長度，通過修改管口方位，從270°分別順時針和逆時針旋轉60°。更改后的管道系統(tǒng)，經(jīng)過管道應力計算，滿足設計要求。

2.1.4 方案比較

分別從以下三個方面比較兩個方案的優(yōu)缺點：

（1）可操作性。

兩個方案均可滿足基本的800 mm檢修通道要求。在此基礎上，方案一在兩干燥器中設置通道，方便通行，且XV閥有足夠的檢修空間，但吊裝空間相對緊張；方案二留出了更大的吊裝空間，但減少了通道，且XV閥三米左右的膜頭在實際檢修中可能不太方便。

（2）積液要求。

方案一在布置過程中沒有考慮積液問題；方案二盡可能減少了死端，確保干燥器在離線狀態(tài)時沒有液體聚集。

（3）經(jīng)濟性。

因為方案二比方案一管道繞行較少，經(jīng)濟性更好。從管架角度來看，方案二比方案一多用了彈簧，但比方案一少了三個管墩，差別不大。總的來說，方案二更優(yōu)。

綜上對比，方案二在工藝、設備維護、經(jīng)濟安全性方面比方案一更具有優(yōu)勢，XV開關閥操作維護滿足生產(chǎn)需要。

2.2 產(chǎn)品氣出口管線和再生氣進口管線

2.2.1 管道基本介紹

根據(jù)工藝管道儀表流程圖PID要求，干燥器的24''的產(chǎn)品氣管線、12''的再生氣管線和一個6''的泄壓管線通過不同的閥門進行開關切換，共用同一個管口，在干燥器填料層上方。管道等級為150 Lb，材料為碳鋼。管口附近設有壓力表接口。三條管線上均有一個切斷閥和一個手閥，閥門之間有一個導淋。

2.2.2 方案介紹

方案一：

管道布置見圖6和圖7。

圖6 方案一管道模型截圖（1）

圖7 方案一管道模型截圖（2）

將24''的產(chǎn)品氣出口管線作為主管，再生管線和泄壓管線分別從主管接出，三組閥門均布置在框架下，AB套鏡像。其中，再生管線和泄壓管線背靠背布置，可以在保證檢修空間的同時，盡量減少占地面積。對稱布置，管道整齊美觀。支管都從主管上部接出，防止積液。AB套支管接完閥門后均上翻匯合，在閥門中間留出東西向的通道。AB套產(chǎn)品氣管線直接在地面上用三通匯合之后上翻，因為其上要接四根開車管線，用于開車階段的吹掃，且四根管線上均設有拆卸短節(jié)。該方案中，把拆卸短節(jié)布置在一層樓面靠邊處，和管廊靠近。

該方案存在以下兩個問題：

（1）當產(chǎn)品氣管線上的切斷閥關閉時，因死端過長，干燥后的產(chǎn)品氣會有積液。在下次閥門開啟時，大量液體會影響后續(xù)操作。

（2）開車管線上的拆卸短節(jié)布置在框架上，參差不齊，操作不便，需集中布置。

重新布置之后，滿足了液袋和檢修要求，即方案二，見圖8和圖9。

圖8 方案二管道模型截圖（1）

圖9 方案二管道模型截圖（2）

（1）將產(chǎn)品氣出口管線和再生器進口管線直接在地面三通處分叉，調節(jié)閥直接和三通和異徑管連接，保證了最小的死端。把再生管線上的手閥從立管挪到水平管，雖然增加了占地空間，但減少了積液量。泄壓管線也改為了從產(chǎn)品氣出口管線的閥前立管上引出，以盡可能減少死端。

（2）干燥器A，B的產(chǎn)品氣出口管線在地面匯合后直接水平引出，按照PID要求接出帶有拆卸法蘭的開車管線。該方案中，拆卸短節(jié)統(tǒng)一布置在地面，整齊劃一方便操作，在出框架處統(tǒng)一設置支架，在框架上設支撐梁，以減少地面高管架。

2.2.3 方案比較

分別從以下三個方面比較兩個方案的優(yōu)缺點：

（1）可操作性。

兩個方案均可滿足基本的800 mm檢修通道要求。在此基礎上，方案一在兩干燥器中設置通道，且閥組成排對稱布置，方便檢修；方案二犧牲了對稱性，把開車管線的拆卸短節(jié)統(tǒng)一布置在地面，方便操作。

（2）積液要求。

方案一在布置過程中沒有考慮積液問題；方案二盡可能地減少了死端，確保干燥器在離線狀態(tài)時沒有液體聚集。

（3）經(jīng)濟性。

因為方案二比方案一管道繞行較少，經(jīng)濟性更好。從管架角度來看，兩個方案所用彈簧數(shù)量相同，方案二比方案一少了四個管墩，且少了一個高管架。總的來說，方案二更優(yōu)。

綜上可知，兩種方案各有優(yōu)劣，但從可操作性、經(jīng)濟安全性等方面來看，方案二比方案一好。

3 結語

分子篩干燥器設備的配管設計在化工裝置中涉及很多內容，需要注意的也很多，因此，設計人員應該綜合考慮多方面因素。尤其對于大流量干燥器，既要遵循設計原則、滿足工藝要求及操作便利性，又要靈活掌握、具體問題具體分析。根據(jù)不同的介質特性和運行工況，必要時多與工藝及管道應力專業(yè)協(xié)商，對管系進行整體考慮，設計出安全、經(jīng)濟合理、美觀的最佳方案，確保裝置正常、長周期運轉。