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    催化重整装置催化剂管线的配管设计.pdf

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    催化重整装置催化剂管线的配管设计.pdf

    6 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 催化重整装置催化剂管线的配管设计 陈颖楠 中石化洛阳工程有限公司 洛阳471003 摘要 本文结合某1.0 X 10 a催化重整装置,就如何防止重整催化剂磨损,从平面布置、管道走向、设 计选材、施工要求等方面讨论重整催化剂管线的配管设计。 关键词 催化重整催化剂管道配管设计 催化重整简称CCR装置的核心是反再系 统,反再系统的核心之一是催化剂的连续再生。 CCR所用催化剂的重要成分是贵重金属Pt。装置 首次装填催化剂的量较大,以某1.010 t/a催化 重整为例,再生器和反应器装填的催化剂总量约 75915kg,此外还需400kg以上催化剂作为装置备 用。在催化剂循环再生系统中控制催化剂的磨损 就具有十分重要的意义。催化剂管线的配管设计 也要以防止磨损为重要原则,需要从平面布置、 管道走向、设计选材、施工要求等方面综合考虑。 1 CCR反应再生系统的平面布置 CCR反应再生系统的平面布置不仅决定反再 构架的高度、占地大小以及整个反再系统的合理 协调性,更对催化剂的磨损量有直接影响。 平面布置时,应根据CCR装置的工艺原理, 合理、紧凑布置相关设备,尽量缩短催化剂管线, 以达到减少催化剂磨损的目的。 1.1 CCR反应再生系统的工艺原理 1.010。t/a催化重整装置以下简称该CCR 装置采用的是法国Axens公司的工艺。反再系统 的关键设备有再生器、4台反应器、再生器和反应 器的上部料斗和下部料斗、闭锁料斗和还原室。 催化剂流经反再系统的各个关键设备,以实现反 应一再生一再反应的连续重整流程。 催化剂反应再生系统的原则流程见图1。待生 催化剂在自重的作用下从最后一个反应器底部流 人第五提升器D234,经5号催化剂提升管提升至 上部缓冲罐D201。在D201中,来自除尘风机的淘 析氮气,将催化剂碎粒及粉尘与整粒催化剂分开。 图1催化剂管线循环原理图 碎粒和粉尘被淘析氮气带人粉尘收集器,整粒催 化剂在自重作用下经闭锁料斗流入再生器。在再 生器内部,催化剂经过烧焦、氯化/氧化和干燥从 而使催化剂恢复活性即催化剂再生。再生催化剂 在自重的作用下流人第一提升器。经l号提升管提 升到第一反应器上部,然后再自流到还原室进行 金属还原反应以使催化剂达到最佳性能。 陈颖楠工程师。2003年毕业于中国石油大学华东过程装置与控制工程专业。从事管道设计工作。联系电话 0379 648855 15,Emailchenyn.1pecsinopec.corn。 陈颖楠催化重整装置催化荆管线的配管设计 7 如此催化剂经自流、提升,流经每一个反应 器,就形成了连续催化剂再生循环系统。 1.2 CCR反应再生系统的平面布置 由图1可以看出,在满足工艺要求的前提下达 到催化剂管线最短的目的,就需要将再生器、反 应器与自身的上下游设备以串糖葫芦的方式布置 在同一垂直轴线上,并将再生器与第一反应器及 各反应器之间的平面距离尽量缩短。该CCR装置 反再系统的平面布置见图2。 , 陀, ll m 口l 上u二Lj J 器 8 .I l 一 十__c.一 寸一‘卜 \\\\ 整第 一 一 \j/ 一 y 二 \\\、 梧第 . j 二 艚 i j_ \ // 三 \ / i ff____ 一 {. ;l 图2反再构架平面布置图 从图中可以看出再生器和第一反应器裙座外 沿间距为1505 rfllTl,在满足再生器管嘴抽芯要求的 前提下已经最小。四个反应器之间的裙座外沿之 间的间距都在900~1100 mm之间,仅供检修通道 或活动平台通道。这种平面布置最大限度地缩短 了设备之间的间距,从而有效地缩短了催化剂管 道的长度,降低了反再构架的高度。 2催化剂管线的选材 该CCR装置催化剂管道最高设计温度为545 c【,最高设计压力为0.92 MPa。查Nelson曲线可 知,TP316H07Crl7Nil2Mo和P111.25Cr一 0.5Mo都可满足催化剂管线的材质要求。 TP316H的高温临氢抗腐蚀能力更好,P11的耐磨 损性能更佳,具体选用哪一种材质需根据工艺过 程的特点加以选择。P11管市场价大约4.5万元/ t,而TP316H管的市场价大约9万元/t。在同样满 足工艺要求、机械性能的前提下,PI1管性价比更 高。该CCR装置选用P11管材。 3 CCR催化剂管线的配管设计 3.1 催化剂管线煨弯大半径弯头的设计 催化剂管线采用的是煨弯大半径弯头。根据 工艺包要求,催化剂管线坡度不低于60。,因此无 法采用标准弯头。一方面,催化剂管内介质为固 体,要尽量减少催化剂流动的阻力,防止堵塞。 另一方面,为防止催化剂磨损,催化剂管线要尽 量减少焊缝。因此催化剂管道要采用煨弯的大曲 率半径弯头,管线煨弯弯头见图3。 图3催化剂管线煨弯弯头示意图 弯头的曲率半径必须满足工艺流程要求,不 同口径的管道,煨弯的曲率半径要求也不同。催 化剂管线曲率半径对照见表1。 表1 催化剂管线曲率半径对照表 3.2催化剂管线上阀门和法兰的设计 催化剂管线上的管道元件如阀门、法兰等, 其内径必须与催化剂管道的内径一致。在催化剂 仪表阀门、催化剂手动球阀的技术要求上必须注 明与管道内径一致。催化剂管道的阀门或法兰都 要倒圆角,其倒角要求见图4。 3.3 催化剂管系膨胀节的选用 膨胀节在催化剂管系的应用主要有三处,见图 1催化剂管线循环原理图。1号膨胀节安装在D201 和D202之间,2号膨胀节安装在D202和R201之间, 8 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计20l3,233 倒成圆角 成圆角 图4催化剂管线法兰倒角要求 3号膨胀节安装在D210和D211之间。 原则上,催化剂管线应尽量避免使用膨胀节。 但是由于上部缓冲罐D201、闭锁料斗D202和还原 室D210设备体积比较大,正常操作状态和催化剂 堆积时设备的操作介质重量相差太悬殊,如果采 用弹簧支撑则无法准确确定弹簧的载荷。以该 CCR装置为例,各设备操作介质重量见表2。 表2各设备操作介质重量 kg 设备 操作介质重量变化范围 D2O1 D2O2 D2lO 3oo一3oo0 2oo一20oO 230~2300 由表2可以看出设备的操作介质重量的变化范 围非常大,达到了l0倍之多。这种情况下弹簧很 难选准,如果弹簧的工作荷载按较小值选,则在 催化剂满罐时弹簧会被拉或压失效,整个重量会 压在下面的催化剂管道上,容易造成法兰受力过 大引起泄漏。如果按满罐时的工作苛载选弹簧, 则在正常运行时,设备会被弹簧往上顶,相当于 在正常热胀的基础上又额外地给设备施加了向上 的外力,也容易对管嘴造成伤害。为避免这种风 险,需要使用膨胀节来吸收管道的热位移,从而 保证设备采用刚性支撑。 焊缝 波纹符 催化荆流I 图5催化剂管线膨胀节结构图 为防止催化剂堆积在膨胀节的波段,膨胀节 要做一些特殊处理以达到防止催化剂磨损的要求。 所选膨胀节为外压轴向型膨胀节,只能吸收垂直 方向的位移。内部设计了一个与催化剂管线同内 径的套筒,以防止催化剂进入波纹管内。催化剂 管线膨胀节结构见图5。 3.4催化剂管线的连接 由于管道一般是以单根6m的方式供货的,长 度超过6m的管线则需要2根或多根管子现场焊接 而成。但是催化剂管线长度长达几十米,中间除 法兰连接外全是煨弯大曲率半径弯头,如果管线 直接焊接则无法打磨管内焊缝。为保证催化剂管 线内焊缝能实现打磨光滑,目前多采用两种方法, DUR 0 LOK联管器连接和管箍连接。 3.4.1 DUR 0 LOK联管器连接 DUR 0 LOK是美国BEET公司的专利产品, 是美国UOP专利商指定用于CCR催化剂管线的连 接器,其优点是施工简单,安装方便,安装原理 见图6。 图6 DUR 0 LOK联管器 两个独特的外环与加工有楔形齿状槽的管箍 在一个轴线上安装,两片半圆形齿合器其内环 加工有与两个管箍相应的楔形齿状槽覆盖在管 箍的楔形槽外。这种楔形槽在横向包紧管箍的同 时,还可以提供纵向的压力使得管箍l和管箍2的 末端接触紧密,同时压紧垫圈,保证密封可靠. 两片半圆形齿合器的外环是锥形的。外环的内侧 也是锥形的,外环平滑地套在齿合器外部,迫使 两片齿合器紧密相连。齿合器的锥形外环末端保 留一个槽,这种设计确保采用一个销钉即可保证 陈颖楠催化重整装置催化剂管线的配管设计 9 连接安全可靠。整个连接过程不需要扳手。 3.4.2管箍连接 催化剂管线采用管箍连接时,管箍的施工步 骤为 第一步准备好需要接在一起的2根催化剂管 线。标记为管1和管2,见图7a。 第二步将两根管子焊接,并在管1上画一条 对中线,见图7b。 切割短管长度宜在100ram一150ram。这样管l 就被分割成管1A和管1 B,见图7C。 通过管lB端打磨焊缝内部至光滑。见图7 d。 最后再把管lA和管1B按对中线端面对紧, 不留间隙,外面用管箍焊接好,见图7e。 b 一 d /焊缝 T’.tt3, 管1B t2 、 \\\\\\\ k/////, ///////AV ’ \管1外部的对中线 图7催化剂管线管箍的施工步骤图 综上,DUR 0 LOK连接安装方便,但是价格 昂贵;管箍连接施工复杂,但是制造成本较低。 该CCR装置采用了管箍连接方式。 4催化剂管系的应力分析 由于催化剂管线走向的特殊性,决定了管道要 尽量少拐弯,且要大于60。斜接,所以整个管系的应 力分析不能像普通管系那样通过增加管道长度和柔 性来解决应力问题,而是主要通过选用合适的弹簧 支吊架或提高管嘴的压力等级等方法来解决。在管 系弹簧调试完毕满足一次应力和二次应力的前提下, 需要对法兰进行泄漏校核,公式如下 - U£ 宙U 式中,P为法兰设计压力,MPa;P 为管道设计压 力,MPa;M为法兰承受的合成弯矩,NIll;F为 法兰承受的拉力不包括内压产生的拉力,N; D 为垫片压紧力作用中心圆直径,近似等于垫片 接触面的平均直径,mE。 如果部分管嘴通过调节弹簧仍不能使管嘴处 的作用力和力矩满足法兰泄漏校核要求时,需将 这部分设备管嘴的压力等级提高到10.0MPa。在给 设备委托开口时,需先根据经验或粗略计算以确 定部分管嘴的法兰等级。 5催化剂管线施工要求 1催化剂管线现场施工时,要求所有内焊 缝都要打磨光滑,以用手触摸时没有凸凹感为宜。 2催化剂管线所有DUR O LOK或管箍必须 与催化剂管线同材质。 3采用管箍连接时打磨方法见3.4.2。 4现场施工过程中出现少量管件与管子内 径不一致的地方,需要通过打磨管子内坡口来处 理,坡口打磨长度不小于40ram。 6结语 催化剂管线特殊的介质属性和走向要求决定 催化剂管线的配管设计较为复杂。由于催化剂管 线的管道规划对设备布置及反再构架的结构尺寸 和高度影响很大,在工程设计时必须先规划好催 化剂管线的走向,以免后期出现较大返工的情况。 现场施工时,要按照催化剂管道设计文件的要求 严格施工,催化剂管线上所有内焊缝必须打磨光 滑,无凸起感。 参考文献 l徐承恩.催化重整工艺与工程[M].北京中国石化出 版社,20o6. 2李成栋.催化重整装置技术问答[M].北京中国石化 出版社,2004. 3 [苏]P.M.马萨古托夫.石油加工和石油化学中催化剂 再生[M].北京中国石化出版社,1992. 收稿日期2013一O304

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