空分裝置純化系統(tǒng)配管的要點(diǎn)

肖 桓 張傳武 馬燕星

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

空分裝置純化系統(tǒng)配管的要點(diǎn)

肖 桓*張傳武 馬燕星

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

根據(jù)空分裝置純化系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討管道布置設(shè)計(jì)的一些特殊要求，對(duì)純化系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善、優(yōu)化，為類似設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供一定的參考。

純化系統(tǒng) 交替循環(huán) 設(shè)備布置 管道布置

空分裝置是現(xiàn)代煤化工廠的重要公用工程裝置和原料氣生產(chǎn)裝置，其安全運(yùn)行直接關(guān)系著煤化工廠的開停和效益。由于空氣中的碳?xì)浠衔镌诶湎涞闹骼淠舭l(fā)器液氧側(cè)聚集有產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)，而且水分、二氧化碳在深冷階段會(huì)被冷凍，進(jìn)而阻塞管路、閥門。因此, 為保證后續(xù)設(shè)備運(yùn)行安全、可靠，空氣在進(jìn)冷箱進(jìn)行深冷分離前，必須先通過純化系統(tǒng)除去其中的碳氧化合物、水分以及二氧化碳。

空分裝置純化系統(tǒng)正常工作時(shí)，分子篩吸附器進(jìn)出口流量、壓力等在切換時(shí)能否保持穩(wěn)定，將很大程度上影響整個(gè)空分裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，而分子篩吸附器能否穩(wěn)定切換又很大程度上取決于其配套的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，因此純化系統(tǒng)配管在設(shè)計(jì)時(shí)就顯得極為重要。本文以某項(xiàng)目42500m3/h空分裝置為例，總結(jié)空分裝置純化系統(tǒng)中管道布置的特殊要求和注意事項(xiàng)。

1 工藝簡(jiǎn)介

經(jīng)空冷塔冷卻后的空氣一般在 5～20℃溫度進(jìn)分子篩吸附器內(nèi)被吸附凈化，其流程見圖1。

圖1 分子篩純化系統(tǒng)流程

水分、乙炔和二氧化碳都是極性或不飽和分子，分子篩對(duì)它們都有很強(qiáng)的親和力，分子篩的共吸附性能使它在吸水的同時(shí)還可以吸附其他物質(zhì),這種親和力的順序：水分> 乙炔> 二氧化碳。由于是共吸附，勢(shì)必會(huì)使分子篩對(duì)每種組分的吸附容量減少，因此在與分子篩接觸之前，進(jìn)吸附器的濕空氣先經(jīng)過氧化鋁進(jìn)行脫水處理。由于分子篩吸附器的工作周期必須在出口空氣中出現(xiàn)二氧化碳之前結(jié)束(即切換)， 因此乙炔不能隨空氣進(jìn)空分設(shè)備冷箱內(nèi)，從而保證了主冷箱的安全。

再生是利用吸附劑溫度越高、壓力越低、吸附容量越小的特性進(jìn)行的，因?yàn)闅怏w溫度升高，分子動(dòng)能增大，吸附劑吸附不住吸附質(zhì)時(shí)，吸附質(zhì)就逃逸了。因此，再生是在高溫、低壓環(huán)境中進(jìn)行的。

再生分為8個(gè)步驟進(jìn)行：隔離高壓、卸壓、加熱、冷吹、隔離低壓、升壓、并行、切換。

再生過程中，其核心設(shè)備分子篩吸附器要完成吸附—再生—吸附的反復(fù)循環(huán)，兩臺(tái)分子篩吸附器交替工作，一臺(tái)吸附，另一臺(tái)再生，一個(gè)循環(huán)周期為4～6h。如此頻繁的切換，就要求在設(shè)計(jì)過程中充分考慮到設(shè)備和管道布置的合理性。

2 設(shè)備布置要點(diǎn)

首先，整個(gè)純化系統(tǒng)采用露天布置?？紤]到純化系統(tǒng)污氮?dú)馀欧帕看蟮奶攸c(diǎn)，應(yīng)根據(jù)全年主導(dǎo)風(fēng)向等條件，確定純化系統(tǒng)在空分裝置的相對(duì)位置。在本項(xiàng)目中，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)與東南風(fēng)，因此將純化裝置布置于整個(gè)空分裝置的西南側(cè)，壓縮機(jī)廠房布置于東南角，避免排放的污氮?dú)怆S風(fēng)飄散至空分裝置壓縮機(jī)廠房附近進(jìn)而影響壓縮機(jī)進(jìn)氣的空氣質(zhì)量。

其次，根據(jù)工藝流程，分子篩純化系統(tǒng)位于預(yù)冷系統(tǒng)與分餾系統(tǒng)之間，由于分子篩純化系統(tǒng)管道直徑較大，因此分子篩吸附器布置時(shí)，在滿足配管及操作空間要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量的靠近空冷塔和冷箱，其布置上要求盡量緊湊，以便節(jié)約管道長度，降低投資成本。本項(xiàng)目中，在分子篩吸附器與冷箱之間設(shè)有管廊，一方面，可以集中布置進(jìn)出這兩個(gè)系統(tǒng)的工藝管線和公用工程管線，便于大口徑管道的布置，使整個(gè)裝置的布管整齊美觀； 另一方面也可利用管廊支撐冷箱與分子篩、冷箱與水冷塔之間的聯(lián)系管道。

蒸汽加熱器是分子篩再生的熱源，因此在布置時(shí)應(yīng)盡量靠近分子篩，這樣可以有效的減少熱損耗，并且應(yīng)將分子篩的固定端設(shè)在靠近蒸汽加熱器一側(cè)，有利于溫度補(bǔ)償。

放空消音器應(yīng)布置在空曠處并且高于周圍建筑物[4]。

布置時(shí)還需考慮到分子篩裝填及更換所需的通道及操作平臺(tái)。某項(xiàng)目42500m3/h空分裝置純化系統(tǒng)設(shè)備布置見圖2。

圖2 空分裝置純化系統(tǒng)設(shè)備布置

3 管道布置

根據(jù)兩臺(tái)分子篩吸附器交替循環(huán)工作的特點(diǎn)，其分別對(duì)應(yīng)的管道、閥門應(yīng)采取對(duì)稱布置，以便保證分子篩吸附器在切換時(shí)整個(gè)空分裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

分子篩吸附器有2個(gè)空氣進(jìn)口(污氮?dú)獬隹?、2個(gè)空氣出口(污氮?dú)膺M(jìn)口)，通過總管匯總的方式，再分別接入進(jìn)、出口，見圖3，一方面可以使吸附器兩個(gè)進(jìn)出口氣量分配均勻，避免床層因受壓不勻而產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，增強(qiáng)了吸附器在工作時(shí)的穩(wěn)定性；另一方面使進(jìn)分子篩吸附器內(nèi)部的空氣氣流與整個(gè)分子篩床層均勻的接觸，保證最佳的吸附、再生效果。

圖3 分子篩吸附器進(jìn)出口匯總管

分子篩純化系統(tǒng)管道的典型布置見圖4，其最大優(yōu)點(diǎn)是管路結(jié)構(gòu)緊湊，管路熱變形引起的熱應(yīng)力通過管道的自身變形就可以進(jìn)行補(bǔ)償，這在小型空分(工藝管道公稱直徑<700mm) 的設(shè)計(jì)中是優(yōu)先選用的方案。

圖4 分子篩純化系統(tǒng)典型管道布置

隨著空分裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，分子篩吸附器體積變大，管道的管徑也相應(yīng)增大，按照此方案進(jìn)行配管，管道自身柔性不足以補(bǔ)償熱變形引起的熱應(yīng)力影響，通過增加大拉桿膨脹節(jié)，雖然可以解決此問題，但是大拉桿膨脹節(jié)價(jià)格高、占用空間大、安裝技術(shù)要求高，并且存在一定的安全隱患，因此該方案有一定的弊端需進(jìn)一步改進(jìn)?；谝揽抗艿雷陨砣嵝赃M(jìn)行自然補(bǔ)償?shù)乃悸?，可以選擇將空氣出口管線上的閥門落地安裝，通過增加彎頭、垂直管和管道總長，來提高管道的柔性，這樣既可以很好的解決管道應(yīng)力計(jì)算問題，同時(shí)閥門落地也便于進(jìn)行日常檢修和維護(hù)，而且分子篩頂部也不需要設(shè)置很大的管道支撐和閥門巡檢的操作平臺(tái)。

下面以該項(xiàng)目42500m3/h空分裝置為例，介紹目前大型空分裝置純化系統(tǒng)部分的管道布置。

3.1 空氣進(jìn)口環(huán)線

進(jìn)口環(huán)線由濕空氣進(jìn)口管線、吸附器卸壓管線和再生氣排放管線組成，具體布置見圖5。

圖5 空氣進(jìn)口環(huán)線管道布置

本項(xiàng)目交變循環(huán)工況正常吸附時(shí)：溫度為15℃，壓力為0.49MPa；再生時(shí)：溫度為160℃，壓力為0.01MPa。

在分子篩吸附器空氣進(jìn)口環(huán)線配管的時(shí)候需注意：

(1)在空氣進(jìn)分子篩吸附器閥門前設(shè)置疏水閥，這樣空冷塔出來的飽和空氣遇冷所形成的凝結(jié)水就可以連續(xù)排出，并且在分子篩吸附器底部管線上設(shè)置排水點(diǎn)，以防止萬一操作失誤造成帶水事故，能夠及時(shí)采取措施。

(2)管道布置時(shí)，不能阻擋分子篩填裝及更換時(shí)所用的操作通道，考慮到分子篩吸附器填料量大，可能需要車輛靠近的情況，平臺(tái)南側(cè)梯子入口側(cè)，管道高度設(shè)置不能過低。

(3)分子篩再生時(shí)需嚴(yán)格監(jiān)控分子篩吸附器進(jìn)口處污氮?dú)獾某鰵鉁囟燃安蓸訑?shù)據(jù)，因此溫度計(jì)及取樣點(diǎn)設(shè)置需盡量靠近分子篩進(jìn)口，避免測(cè)量誤差。

(4)再生污氮?dú)馔ㄟ^分子篩后，需高空排放，直排大氣管線頂部需考慮防雨，底部需考慮排水導(dǎo)淋，以免管道內(nèi)部積水，影響氮?dú)庑狗?。因?yàn)閷?dǎo)淋出口不但有水，還會(huì)攜帶少量氮?dú)猓虼伺欧劈c(diǎn)設(shè)置也需考慮氮?dú)庑狗虐踩?/p>

3.2 空氣出口環(huán)線

出口環(huán)線由凈化空氣出口管線、均壓管線、冷吹管線和再生氣進(jìn)口管線組成，具體管道布置見圖6。

圖6 空氣出口環(huán)線管道布置

本項(xiàng)目分交變循環(huán)工況正常吸附時(shí)：溫度為21℃，壓力為0.48MPa；再生溫度：190℃，壓力為0.01MPa。

在分子篩吸附器空氣出口環(huán)線配管的時(shí)候需注意：

(1)本項(xiàng)目由西側(cè)道路通往吸附器北側(cè)操作平臺(tái)的通道需通暢，充分考慮分子篩的裝卸及操作場(chǎng)地空間。

(2)冷吹用氮?dú)饨尤朦c(diǎn)盡量靠近再生污氮?dú)膺M(jìn)口控制閥，以減少加熱和吹冷管線共用段，降低熱量損耗。

(3)吸附器出口及污氮?dú)膺M(jìn)吸附器管線上的切斷閥門需反向安裝，以保證閥門關(guān)閉時(shí)的密封性。為保證密封效果，目前空分裝置此閥門多為三桿閥。

(4)分子篩再生時(shí)需嚴(yán)格監(jiān)控污氮?dú)膺M(jìn)吸附器的溫度、壓力，因此其壓力表、溫度計(jì)設(shè)置需盡量靠近分子篩出口，避免測(cè)量誤差。

(5)分子篩再生時(shí)需嚴(yán)格監(jiān)控蒸汽加熱器出口溫度，既要防止再生溫度過低，達(dá)不到分子篩活化要求，同時(shí)又要避免溫度過高，造成能耗過大，因此蒸汽加熱器出口溫度計(jì)需盡量靠近蒸汽加熱器出口安裝。

(6)蒸汽加熱器頂部安全閥排放管線、蒸汽及凝液排放管線，需注意排放管管口高度及朝向，盡量避開人行通道，防止?fàn)C傷人員。

4 管道支架

空分裝置純化系統(tǒng)管線由于管道直徑較大，并且正常運(yùn)行時(shí)處于循環(huán)交變的工況之下，因此需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。其管架須嚴(yán)格依據(jù)應(yīng)力計(jì)算報(bào)告一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免由于管架原因，而造成局部應(yīng)力過大，影響管道或設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)語

合理的純化系統(tǒng)設(shè)備布置與配管設(shè)計(jì)有利于空分裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。管道及其閥門的對(duì)稱布置也有助于純化系統(tǒng)的操作，在設(shè)備與管道布置的對(duì)稱設(shè)計(jì)時(shí)，通過管系自身柔性對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償較為經(jīng)濟(jì)合理。由于操作場(chǎng)地、工藝要求、設(shè)備條件(例如：立式分子篩吸附器)等方面的原因，空分裝置純化系統(tǒng)的配管還有其他多種形式，但均應(yīng)合理的進(jìn)行設(shè)備布置與管道設(shè)計(jì)。

1 蔡而輔.石油化工管線設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

2 HG 20546-2009,化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

3 HG/T 20549-98,化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

4 SH 3012-2011,石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2017-05-23)

*肖 桓：工程師。2006年畢業(yè)于天津大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)。從事化工設(shè)備布置與配管設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(029)87988978， E-mail：xh2125@chinahualueng.com。