順酐裝置提升改造工程設(shè)計(jì)

（中國(guó)天辰工程有限公司，天津300400）

1 概述

順酐又名馬來(lái)酸酐，是目前世界上僅次于苯酐和醋酐的第三大酸酐，主要用于生產(chǎn)不飽和聚酯樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂。此外，還可用于生產(chǎn)1，4-丁二醇、γ-丁內(nèi)酯、四氫呋喃、馬來(lái)酸、富馬酸和四氫酸酐等一系列重要化工產(chǎn)品[1]。順酐生產(chǎn)一般采用苯氧化法和正丁烷氧化法兩種主要生產(chǎn)方法。目前國(guó)外主要采用正丁烷氧化法，國(guó)內(nèi)以苯氧化法為主[2]。由于正丁烷法工藝資源利用方面比苯法合理，環(huán)境污染程度比苯法輕，隨著石化行業(yè)的快速發(fā)展，正丁烷法順酐裝置近幾年發(fā)展較快，在新上馬的順酐生產(chǎn)裝置中，正丁烷法占主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)選擇苯氧化生產(chǎn)方法主要是由于以前國(guó)內(nèi)的煤資源豐富的資源特殊性造成的。但是伴隨著國(guó)內(nèi)開(kāi)始注重環(huán)境保護(hù)以及煤資源正在不斷的被消耗，近年逐漸開(kāi)始應(yīng)用正丁烷氧化方法來(lái)生產(chǎn)順酐。正丁烷法相對(duì)于苯法生產(chǎn)順酐主要有兩大優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在資源利用上更為合理；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是更加注重環(huán)境保護(hù)，對(duì)環(huán)境的污染更小。伴隨著我國(guó)煉油、石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，C4資源得到了更加合理的綜合利用。因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段采用生產(chǎn)順酐的方法趨勢(shì)主要是正丁烷氧化法[3]。

2 工藝流程

2.1 正丁烷氧化法工藝流程概述

正丁烷氧化法順酐生產(chǎn)技術(shù)的核心為原料正丁烷與空氣在反應(yīng)器中發(fā)生的高溫放熱、氣固相催化氧化反應(yīng)見(jiàn)圖1。氧化反應(yīng)工藝通常分為固定床工藝和流化床工藝，本工程正丁烷法順酐裝置為固定床工藝。其流程為：原料正丁烷與壓縮空氣按一定比例充分混合后進(jìn)入固定床氧化反應(yīng)器，在裝填有催化劑的列管內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中大量放熱，反應(yīng)熱由熔融的硝酸鹽混合物循環(huán)移走，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)熱交換器冷卻，然后進(jìn)入吸收塔與吸收溶劑進(jìn)行逆向接觸，其中順酐被溶劑吸收，經(jīng)解吸塔蒸餾系統(tǒng)，將順酐和吸收溶劑分離得到粗順酐，再經(jīng)過(guò)洗滌塔、脫水塔后，精制生成液體順酐產(chǎn)品，再經(jīng)過(guò)冷卻制片（或塊）成為固體順酐產(chǎn)品。

圖1 正丁烷氧化法流程示意圖

2.2 本提升改造工程工藝流程設(shè)計(jì)

本順酐裝置提升改造工程是在原8萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力基礎(chǔ)上提升至10萬(wàn)t/a：新增一套空壓機(jī)單元、一套氧化反應(yīng)單元，并對(duì)吸收、汽提、溶劑處理等單元實(shí)施升級(jí)改造。

反應(yīng)器系統(tǒng)的目的是在釩磷氧催化劑上使正丁烷與空氣經(jīng)選擇氧化反應(yīng)生產(chǎn)順酐。氣相丁烷和穩(wěn)定劑、低壓水蒸汽加入到順酐反應(yīng)器進(jìn)口空氣管道中?；旌衔锿ㄟ^(guò)反應(yīng)器靜態(tài)混合器，以便使進(jìn)料中各組分均勻分布?；旌掀鞣浅＝咏陧橍磻?yīng)器，以減少可燃?xì)怏w的容積。在順酐反應(yīng)器中，進(jìn)入反應(yīng)器的大約55%丁烷轉(zhuǎn)化為順酐、32%轉(zhuǎn)化為一氧化碳和二氧化硫，并且2%轉(zhuǎn)化為醋酸和丙烯酸，這些反應(yīng)高度放熱。熔融的熔鹽通過(guò)順酐反應(yīng)器循環(huán)移除反應(yīng)熱量。反應(yīng)熱用于發(fā)生高壓飽和蒸汽。順酐反應(yīng)器為列管式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器組不可分割的部分包括反應(yīng)器、電加熱器、熔鹽冷卻器以及熔鹽循環(huán)泵。順酐反應(yīng)器由密閉循環(huán)的熔融熔鹽回路冷卻，熔鹽由熔鹽泵輸送到順酐反應(yīng)器殼程。熔鹽冷卻器為立式換熱器，高壓飽和蒸汽在冷卻器管程產(chǎn)生。順酐反應(yīng)器組設(shè)備均連接到熔鹽排放池。反應(yīng)器系統(tǒng)配備數(shù)個(gè)安全設(shè)計(jì)措施，以防止殼程或管程過(guò)壓。殼程有超流量管道，以便在順酐反應(yīng)器太滿(mǎn)時(shí)允許熔鹽流回到熔鹽排放池。

反應(yīng)器出氣冷卻系統(tǒng)由氣體冷卻器、切換冷卻器及其備用冷卻器組成。氣體冷卻器通過(guò)發(fā)生高壓飽和蒸汽冷卻反應(yīng)器出口氣。切換冷卻器用鍋爐進(jìn)水作為冷卻介質(zhì)，并且向反應(yīng)器組提供預(yù)熱鍋爐進(jìn)水。冷卻后氣體物料與前期合并輸送至吸收塔回收順酐。

3 本提升改造工程裝置布置、配管設(shè)計(jì)

3.1 裝置布置設(shè)計(jì)

本工程除新增空壓機(jī)房以外，裝置布置按照生產(chǎn)流程順序進(jìn)行了集中露天布置，在保證熱力管線(xiàn)應(yīng)力計(jì)算通過(guò)的前提下，盡量使各設(shè)備間輸送管道最短，避免流程迂回往復(fù)，且滿(mǎn)足操作檢修的需要。消防道路路面上方凈空高度設(shè)計(jì)不小于5m[4]。

新增氧化單元在已有裝置北側(cè)采取填平補(bǔ)齊的布置與已有裝置相契合銜接。裝置為鋼結(jié)構(gòu)框架，地面設(shè)置了分析柜、順酐反應(yīng)器及反應(yīng)器防護(hù)罩等設(shè)施見(jiàn)圖2。EL+8.5m和13.5m層設(shè)置有反應(yīng)器組的操作檢修平臺(tái)；反應(yīng)器氣體冷卻器及切換冷卻器布置在框架南側(cè)，中間以管廊與反應(yīng)器組隔開(kāi)，EL+3.5m、8.5m和16.0m層設(shè)置有冷卻器操作檢修平臺(tái)。整個(gè)框架分別設(shè)置了兩個(gè)通往地面或者下層的樓梯作為安全疏散通道，以滿(mǎn)足安全疏散要求[5]。頂部設(shè)置有起重能力為2t的電動(dòng)葫蘆；蒸汽罐用于收集高壓飽和蒸汽，按工藝計(jì)算要求，將其設(shè)置在EL+25.0m的框架平臺(tái)上。

圖2 新增氧化單元裝置布置圖

按照安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，凡是有毒和具有化學(xué)灼傷危險(xiǎn)性的作業(yè)區(qū)，須設(shè)置有應(yīng)急噴淋洗眼器等安全和衛(wèi)生防護(hù)設(shè)施，一旦不慎有有毒物質(zhì)飛濺出來(lái)，可以立即用清水沖洗以免人員受到傷害。各裝置區(qū)設(shè)置應(yīng)急噴淋洗眼器的數(shù)量要確保其服務(wù)半徑覆蓋范圍滿(mǎn)足15m的要求[6]。本工程新增氧化單元設(shè)置了6臺(tái)應(yīng)急噴淋洗眼器、新增風(fēng)機(jī)房設(shè)置了1臺(tái)應(yīng)急噴淋洗眼器。應(yīng)急噴淋洗眼器設(shè)在出、入通道口旁或在緊急情況時(shí)人容易觸摸到的地方。

圖3 新增氧化單元總體平面布置示意圖

新增氧化單元為甲類(lèi)生產(chǎn)裝置，按照設(shè)計(jì)規(guī)范，其與廠區(qū)前期甲類(lèi)裝置氫氣壓縮機(jī)房的間距應(yīng)不小于30m[4]見(jiàn)圖3。反應(yīng)器底部混合器爆炸危險(xiǎn)性較高，按工藝設(shè)計(jì)要求，應(yīng)設(shè)有防護(hù)罩以保證人員及裝置的安全。本工程如果按照前期裝置氧化單元的設(shè)計(jì)方案，反應(yīng)器防護(hù)罩與氫氣壓縮機(jī)房之間的距離小于30m，不符合要求，為此我們將布置、配管方案做了調(diào)整，對(duì)裝置中間管廊進(jìn)行了合理的壓縮，并對(duì)防護(hù)罩設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。這樣重新設(shè)計(jì)后氧化單元與前期氫氣壓縮機(jī)房的間距滿(mǎn)足了規(guī)范的要求，解除了風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 配管設(shè)計(jì)

本提升改造工程設(shè)計(jì)需要應(yīng)力計(jì)算的管線(xiàn)較多，計(jì)算后使用彈簧支架約40余個(gè)，這些管線(xiàn)的運(yùn)行溫度大多都是在200℃～350℃之間，并且管徑較大，這種情況下這些應(yīng)力管線(xiàn)計(jì)算的結(jié)果就不可避免地會(huì)對(duì)裝置布置和配管造成一定影響。氧化反應(yīng)單元熔鹽管線(xiàn)為夾套管線(xiàn)，為便于熔鹽介質(zhì)排空，需要有1%的坡度設(shè)計(jì)，對(duì)施工安裝精度要求較高。對(duì)改造工程來(lái)說(shuō)，管線(xiàn)的支撐，特別是大直徑管線(xiàn)的支撐，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮新增支架的位置。例如：空壓機(jī)至反應(yīng)器的進(jìn)氣管線(xiàn)及反應(yīng)器的出口管線(xiàn)，因需要穿越已有的前期管廊和裝置區(qū)，支撐條件變得十分復(fù)雜。這些都需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝布置專(zhuān)業(yè)與土建專(zhuān)業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況緊密聯(lián)系，精確制定設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)外化工行業(yè)市場(chǎng)的不斷調(diào)整，各工程公司承接的改造工程不斷增多。改造工程因有其獨(dú)特的特點(diǎn)，需要在原有廠區(qū)范圍尋找合適的場(chǎng)地，要充分考慮原有公用工程及物料的輸送便利性，還需要考慮裝置總圖甚至其他相鄰廠區(qū)的裝置建構(gòu)筑物特性，來(lái)綜合考慮裝置布置以滿(mǎn)足化工裝置規(guī)范間距等要求。裝置操作平臺(tái)的設(shè)置需要考慮設(shè)計(jì)足夠的疏散通道，對(duì)空間緊張密集型裝置的改造，操作檢修空間需要與相鄰裝置綜合考慮，條件允許的情況下可以互相借用以達(dá)到對(duì)空間的充分利用。在原有裝置內(nèi)部或近旁設(shè)計(jì)新增裝置時(shí)，既須確保設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)間距要求又須滿(mǎn)足樁基、上部結(jié)構(gòu)、安裝作業(yè)的施工可行性要求。對(duì)新增大管線(xiàn)的支撐設(shè)計(jì)也需要對(duì)原有裝置的框架及管廊十分了解，這樣才能給土建專(zhuān)業(yè)提出可行的支撐設(shè)計(jì)條件。對(duì)于改造工程務(wù)必要參考前期工程的施工圖紙，并準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，這樣才能做到準(zhǔn)確無(wú)誤，并為后續(xù)設(shè)計(jì)施工創(chuàng)造有利的條件。