煤焦油加氢装置反应区配管设计浅谈

煤焦油加氢技术是采用固定床加氢处理技术将煤焦油所含的金属杂质、S、N、O等杂原子脱除,并将其中的烯烃和芳烃类化合物进行饱和或裂化来生产质量优良的石脑油馏分和柴油馏分。煤焦油加氢装置的突出特点是:
(1)高温:反应器操作温度都在400℃左右;
(2)高压:反应器压力高达18MPa;
(3)临氢工况:反应过程中需要注入冷氢,氢气属甲类可燃易爆气体;
(4)介质腐蚀性强:硫化氢等的存在,对管道材料的选择非常苛刻,在煤焦油加氢装置中,反应区是加氢部分的核心。
以上特点决定了在煤焦油加氢装置的配管设计中,反应区的配管设计及材料选择对于装置的安全性及经济合理性非常重要。本文将举例对反应器材料选择及管道布置进行讨论。
1 材料的选择
反应系统工艺管道一般由于高温、高压、氢气和硫化物共存,环境十分苛刻,其腐蚀主要是氢腐蚀、高温硫化氢腐蚀和装置停工期间的连多硫酸应力腐蚀。
(1)高温高压条件下扩散侵入钢中的氢与钢中不稳定的碳化物或固溶碳起化学反应生成甲烷,引起钢材的内部脱碳,甲烷聚集在晶界及其附近的空隙、夹杂物等不连续处,生成甲烷空隙,随着管道压力不断升高,形成微小裂纹和鼓泡,钢材延性和韧性显著下降,随之变成较大的缝隙和裂纹,产生氢腐蚀。管道材料处于氢腐蚀环境下,一般采用纳尔逊(Nelson)曲线进行选材,根据温度、压力及氢分压选择合适材料。
(2)高温硫化氢腐蚀是管道材料在高温下与含硫介质作用,生成轻质不稳定、容积比大、膜易剥离、熔点和沸点低的硫化物。管道材料处于高温硫化氢环境下,含铬钢是有效的,一般采用Couper曲线进行选材。
(3)工艺管道在高温、高压、缺氧、缺水的干燥条件下运行是不会形成连多硫酸,但当装置运行期间受到硫的腐蚀、在管道表面生成硫化物,装置停工期间有氧气和水进入时,与硫化物反应生成连多硫酸(H2SXO6)。为避免奥氏体不锈钢发生连多硫酸应力腐蚀开裂,管道材料一般使用含有稳定化元素的不锈钢如TP321和TP347等,并且停工时应采用中和冲洗等措施。
2 管道布置
2.1 反应器进料加热炉入口管道
由于反应器与加热炉间管道材料一般为不锈钢,为节约高压管道材料,装置布置时一般将反应器构架与加热炉构架靠近布置,反应器进料与加热炉入口管道较短,但此段管线温度压力较高,按API560标准,加热炉管嘴允许受力很小,一般厂家也只能接受API560受力的2倍,因此应力分析很难通过。此段管道一般考虑设置π弯以解决管嘴受力过大问题。
以某厂15万吨/年煤焦油加氢装置为例,见图1。加热炉入口管道DN150,材质TP347;设计温度/操作温度450/360℃,设计压力/操作压力17.43/16.6MPa。图中设置π弯并合理设置支架,加热炉管嘴受力在API-560受力2倍以下,满足要求。
2.2 加热炉出口至反应器入口管道
混氢油气从加热炉出来,进入加氢反应器。加氢反应器基础直接生根在地面上并设置框架,梯子平台及附反应器管道支架均落在框架上。由于反应器温度较高,反应器筒体本身会有比较大的热膨胀,因此与反应器入口相连的管道要充分考虑设备的膨胀来设计管道走向及敷设管道支架。
图2为加热炉出口至加氢精制反应器入口管道,管道DN150,材质TP347;设计温度/操作温度450/380℃,设计压力/操作压力17.12/16.3MPa。若加热炉出口与反应器入口管道直接相接,加热炉管嘴受力会较大,因此应设置π弯以吸收管系和设备热膨胀来降低加热炉管嘴应力。图中,反应器顶部入口管道水平处设置恒力弹簧支架,垂直段处设置导向支架,靠近加热炉出口处设置可变弹簧支架,其余支撑处设置普通承重支架。
2.3 反应器之间串联管道
反应器之间管道需考虑反应器本体膨胀,一般反应器顶部需设置恒力弹簧支吊架,垂直管道设置导向支架。如图3所示。反应器之间串联管道,管道DN150,材质TP347,设计温度/操作温度450/400℃,设计压力/操作压力16.91/16.1MPa。
2.4 急冷氢管道
为了控制反应器催化剂床层温升,每个催化剂床层都要随时注入急冷氢。由于急冷氢管道本身操作温度只有40℃,反应器温度在400℃左右,因此当反应器热膨胀时,冷氢管道也会随之有向上的位移,所以冷氢管道的布置要有一定的柔性,并且与上层平台梁之间留有足够的空间,以防止止回阀与平台梁相撞;急冷氢管道上的止回阀应靠近反应器安装;盲板、法兰要求距离反应器至少2米;急冷氢调节阀组应落地安装,便于应急操作,为防止支架脱空,该管道应增加π弯。图4中冷氢管道DN100,材质为A105,设计温度/操作温度100/65℃,设计压力/操作压力18.1/17.1MPa,由于靠近反应器处材质为TP347,盲板后材质降为A105,按图中管道走向可设置自然π弯以吸收膨胀量。
2.5 反应器出口至高压换热器管程入口管道
为节约高压管道长度,反应器出口与其相关的换热器一般靠近布置。反应器出口管道一般操作温度400℃,因此这根管道在布置时需要充分考虑管道的热膨胀。图5中,管道DN150,设计温度/操作温度450/420℃,设计压力/操作压力16.7/15.9MPa。图中反应器与高压换热器位置的布置,管道走向可形成一个自然的π弯,能有效补偿部分管道热应力,以降低反应器管嘴及高压换热器管嘴受力。
3 管道支架
反应器出入口、加热炉出入口一般选择弹簧支吊架;其他根据应力计算结果,在适当的位置选择导向支架及普通承重支吊架。管内介质温度大于400℃的碳钢管道、不锈钢管道应尽量避免采用焊接性的管托和管吊。如果采用焊接性支架,则管道与支吊架之间的焊缝需要对照材质的热处理要求判断是否需要热处理。
4 结 论
本文针对煤焦油加氢装置的核心部分反应区的配管设计,从管道材料的选择;反应器进料加热炉入口管道、加热炉出口至反应器入口管道、反应器之间串联管道、急冷氢管道、反应器出口至高压换热器管程入口管道的布置;管道支架的选用等方面进行了举例阐述,为以后的同类装置设计提供参考。
参考文献
[1] 唐永进,《压力管道应力分析》.中国石化出版社.
[2] API560 Fired Heatersfor General Refinery Service 美国石油学会标准.
[3] SH3012-2011 《石油化工金属管道布置设计规范》,中华人民共和国工业和信息化部 发布.
[4] SH/T3073-2004《石油化工管道支吊架设计规范》,国家发展和改革委员会发布

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