6 000 t/a SAPO催化劑項目設(shè)備布置及管道設(shè)計概論

胡愛新

（中國成達(dá)工程有限公司，成都）

1 工程概況

某6 000 t/a SAPO 催化劑項目是選用工廠與大學(xué)實驗室聯(lián)合研究開發(fā)的工藝包，是在工藝包不斷完善的過程中開展的工程設(shè)計。項目最終安全順利建成和投產(chǎn)，并創(chuàng)造了優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)價值，說明工藝包開發(fā)和工程設(shè)計是成功的。

該項目是在老廠預(yù)留地上新建項目，部分公用工程依托原有工廠公輔設(shè)施提供，項目主裝置分為SAPO 分子篩和催化劑兩部分，設(shè)有獨立DCS 控制室、污水處理系統(tǒng)、原料和產(chǎn)品庫房等，通過新建和部分原廠管廊改造連接各裝置單元。

經(jīng)過催化劑項目工藝流程的分析，以及老廠有限的預(yù)留地特點，我們把SAPO 分子篩和催化劑分成兩個區(qū)域布置。

2 工藝物料特性

SAPO 分子篩裝置主要原料有PA 溶液、有機(jī)胺、SB1 粉體、SA1/SA2 溶液、去離子水、回用液、回用有機(jī)胺等原料。其中SB1 粉體為固體，容易黏結(jié)，有機(jī)胺是易燃性介質(zhì)。

催化劑裝置原料主要有分子篩漿液、黏結(jié)劑A/ B、回用水，惰性基質(zhì)等，惰性基質(zhì)為固體，黏結(jié)劑反應(yīng)后介質(zhì)黏稠，容易結(jié)焦。

3 裝置設(shè)備布置要求

分子篩和催化劑裝置是兩個生產(chǎn)方式不同的相對獨立的單元，裝置與裝置之間，裝置與輔助設(shè)施和原有生產(chǎn)管廊之間通過管廊連接，分子篩裝置以大型高壓晶化釜、過濾機(jī)為中心；催化劑裝置則以大型噴霧干燥塔和焙燒爐為主。

根據(jù)GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》[1]和GB 50016—2018《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[2]有關(guān)條款規(guī)定，分子篩裝置定義為甲類廠房，催化劑裝置定義為丁類廠房。

3.1 SAPO分子篩裝置布置要點

（1）分子篩裝置分4 層布置，總高度22.9 m，占地面積720 m2，是帶有屋頂?shù)陌氤ㄩ_式鋼結(jié)構(gòu)廠房，廠房四周設(shè)置百葉窗。

選用帶屋頂廠房，是為了避免頂層堆放物料區(qū)域和加料時受雨水影響而受潮。廠房選用半敞開式，四周用百葉窗封閉，并設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，是考慮在加料和檢修操作過程中有物料粉塵飄散，通風(fēng)系統(tǒng)和百葉窗有利于空氣的流通，凈化粉塵污染操作壞境。

廠房選用22.9 m 的高度，是由于該裝置區(qū)是預(yù)留地，面積之小，布置設(shè)備之多，含預(yù)留設(shè)備有80多臺。根據(jù)工藝流程、操作要求、以及微正負(fù)壓的特點，設(shè)備多，需要垂直和緊湊性布置，廠房高度容易超出24 m 的高度范圍。若高度超出24 m 范圍，按GB 50016—2018《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[2]2.1.1 條則定義為高層廠房，高層廠房的耐火等級提高到三級，各種安全措施相應(yīng)提高，建設(shè)成本增加30%左右。因此，在考慮節(jié)省成本，又能滿足布置和操作要求時，用布置在地面上的設(shè)備開始垂直疊加到最高層布置設(shè)備來推算廠房的高度：收集罐+中間罐+板框壓濾機(jī)+晶化釜+配料釜+SB1 膠溶罐+各種計量槽+檢修空間+配管空間＞24 m 廠房高度。經(jīng)過多次計算，調(diào)整配管的直管段長度，優(yōu)化管道空間設(shè)計，選擇合適的檢修空間，精算屋面梁和彩板高度，最后把廠房高度調(diào)整到小于24 m 范圍內(nèi)，既滿足了規(guī)范要求，又節(jié)省了建設(shè)成本。

（2）考慮到頂層是固體粉塵原料加料區(qū)，粉塵密集，該樓層四周采用封閉式設(shè)置，墻面設(shè)計有軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，有利于加快空氣的流通，減輕室內(nèi)空氣污 染。

（3）根據(jù)介質(zhì)有腐蝕性特點，有腐蝕區(qū)域設(shè)計成玻璃鋼防腐蝕樓面層，集中考慮在操作區(qū)和有泄漏點區(qū)域，該項目重點考慮的是泵操作區(qū)域、加料區(qū)域、晶化釜區(qū)域。

（4）廠房內(nèi)設(shè)置有防爆式垂直升降機(jī)從第1 層樓面直通到頂層，是基于固體原料運輸?shù)綐琼敿恿蠀^(qū)域方便和快捷考慮，同時也便于操作人員的通行。

圖1 分子篩裝置晶化釜布置示意圖（局部）Fig.1 Layout of crystallization kettle of molecular sieve device (partial)

（5）結(jié)合工藝原則、工廠操作和檢修要求以及原料屬性特點，加料區(qū)計量槽布置在廠房頂層，晶化釜、過濾機(jī)布置在中間層，下層布置收集罐和機(jī)泵；精餾脫胺塔、洗滌塔、大型原料儲罐、回用液體儲罐、導(dǎo)熱油系統(tǒng)布置在廠房外圍地面上。

選用垂直式緊湊性布置，是因為管道內(nèi)介質(zhì)是固體和液體混合物，在高溫和微正負(fù)壓輸送環(huán)境下，容易結(jié)焦，容易堵塞管道。垂直和緊湊型布置，可以減少管道的彎頭和直管段長度，減少管道設(shè)計過程中的“液袋”形成，提升介質(zhì)自身重力流，易于管道在微正壓情況的流通，而減少管道堵塞的現(xiàn)象[3]。

（6）考慮到設(shè)備檢修需要，晶化釜上部空間設(shè)置有檢修荷載為3 t 的電動葫蘆，并留有合適的吊裝檢修空間。選用3 t 電動葫蘆，是按照電機(jī)與攪拌器可拆卸時最大荷載考慮的，電機(jī)最大荷載2.3 t，攪拌器1.5 t，因此按最大檢修件選擇荷載后圓整為3 t。該樓層廠房高度選用8.5 m，也是按電機(jī)與攪拌器拆卸分離后，選用最長吊件能移出晶化釜平臺時，來推算樓層高度的。平臺高度（1.5 m）+最大被吊件長度（3.2 m）+樓底梁高+軌道到葫蘆掛鉤長度（2.0 m）+吊裝提升空間（1.8 m）=可選樓層高。

（7）核心設(shè)備晶化釜成雙排對稱布置，每4 臺設(shè)備為一組，設(shè)備掛耳掛在第3 層樓面，上封頭蓋在第3 層，下封頭蓋在第2 層，圍繞晶化釜周圍第3層樓面上設(shè)置有1.5 米高聯(lián)合操作平臺，設(shè)備上封頭管口和閥門在平臺上操作，設(shè)備下封頭管口和閥門在第2 層樓面操作，既方便與設(shè)備操作也節(jié)省樓層空間。

3.2 催化劑裝置布置要點

（1）催化劑裝置分3 層布置，總高度20 m，占地面積750 m2，帶有屋頂?shù)陌氤ㄩ_式鋼結(jié)構(gòu)廠房。

（2）第3 層屬于加料區(qū)，避免物料飄散，同樣采用有通風(fēng)系統(tǒng)的封閉式廠房。

（3）按工藝流程，加料區(qū)計量槽設(shè)備布置在頂層，依上而下，中間層依次布置混合釜、成膠釜，第1 層地面設(shè)置有中間夾層平臺，黏結(jié)劑儲罐、膠體中間罐、細(xì)粉罐支撐在1 樓平臺上，對應(yīng)的設(shè)備底部布置相關(guān)聯(lián)的機(jī)泵和輔助設(shè)備。

（4）大型噴霧干燥塔是核心設(shè)備，從焙燒爐到加熱器以及布袋除塵器等設(shè)備都是圍繞噴霧干燥塔展開的。噴霧干燥塔布置在室內(nèi)是基于設(shè)備操作方便和利用樓層支撐節(jié)省成本來考慮的。塔直徑4.6 m，塔體長15 m，上下為錐體，支撐在第2 層樓面，分別貫穿第2 層和第3 層樓面，周圍留有合適的操作平面和檢修空間.

4 管道設(shè)計要求

由于工藝介質(zhì)多屬于粉體、漿液，并有一定的腐蝕性，高溫，微正負(fù)壓等特點，因此，管道內(nèi)介質(zhì)容易堵塞，黏結(jié)，在管道設(shè)計過程中，容易黏結(jié)和粉體介質(zhì)的設(shè)備之間的水平管道，采用最短距離連接，不宜水平和“袋形”設(shè)計，減少管道自然補(bǔ)償，通過應(yīng)力計算后，采用膨脹節(jié)來吸收管道應(yīng)力。粉體介質(zhì)和漿料介質(zhì)垂直管線，利用設(shè)備布置高度差，管線垂直設(shè)計，工藝介質(zhì)自流，并采用大半徑彎頭或大于90°彎頭連接，或斜插連接等方式，減少管道堵塞現(xiàn)象。

4.1 分子篩裝置主工藝管道設(shè)計要點

（1）配料釜到晶化釜管線設(shè)計特點

配料釜出口到晶化釜入口的管線垂直設(shè)計，不應(yīng)有“袋形”，依靠介質(zhì)重力流體輸送，同時要滿足閥門在晶化釜操作平臺上操作和檢修的要求。

（2）晶化釜管線設(shè)計

晶化釜是立式設(shè)備，上封頭管口設(shè)置有聯(lián)合操作平臺，用于設(shè)備檢修和上部管線上的閥門操作。每4 臺設(shè)備為一組，分2 排布置，總管線依托框架梁柱水平敷設(shè)在兩邊和中間，設(shè)備管口出來的管道垂直升高到總管高度匯入總管，支管上閥門靠近總管，既便于操作，又節(jié)省了空間，也整齊美觀。設(shè)備下部總管線依托框架柱敷設(shè)在兩排設(shè)備中間，閥門在下層樓面操作，就地液位計，就地溫度計和壓力表設(shè)計在便于觀測位置。

這種管道設(shè)計特點，總管利用設(shè)備成排和對稱布置走設(shè)備中間，縮短了支管到總管間距。支管上切斷閥靠近總管最小間距設(shè)計，在停車后，支管閥門關(guān)閉，管內(nèi)介質(zhì)能溢流到晶化釜設(shè)備，解除了管道內(nèi)介質(zhì)集聚管道內(nèi)的“死端”區(qū)，能解決支管內(nèi)結(jié)焦和堵塞情況發(fā)生。

（3）泵的入口管線設(shè)計

攪拌槽設(shè)備到泵的入口管線采取最短距離連接，閥門的配對法蘭與管件直接連接，減少直管段過度；這樣設(shè)計避免泵入口管線過長，減少管道內(nèi)漿液的沉積，管線底部配置大口徑DN 50 導(dǎo)淋閥，用于疏通和排凈漿液介質(zhì)。

（4）放空管線設(shè)計

本裝置放空管線按工藝流程要求引入安全放空高度排放。放空支管線接入放空總管，由總管引至高于分子篩廠房頂部3.5 m 以上排放，放空管線頂端配置有防雨罩，放空管線設(shè)置有阻火氣系統(tǒng)。

4.2 催化劑裝置主工藝管道設(shè)計特點

（1）分級機(jī)到焙燒爐管線設(shè)計

分級機(jī)出口到焙燒爐管線，設(shè)計溫度400 ℃，工藝介質(zhì)是催化劑，該管線設(shè)計時要考慮高溫引起的應(yīng)力，在微正負(fù)壓工況下，介質(zhì)細(xì)粉能暢通的輸送到焙燒爐內(nèi)。設(shè)計時分級機(jī)出口管道采用120°彎頭垂直斜接于焙燒爐入口。這種配管特點，兩管口連接時彎頭最少，距離最短，既滿足了管線內(nèi)工藝介質(zhì)不堵塞現(xiàn)象，又能通過管道自然補(bǔ)償吸收了高溫管道產(chǎn)生的應(yīng)力。

（2）加熱器管線設(shè)計

粉體物料在加熱器內(nèi)被天然氣燃燒產(chǎn)生高溫，在接入風(fēng)機(jī)送風(fēng)管線到加熱器情況下，粉塵物料在風(fēng)力的作用下輸送入噴霧干燥塔。因此，加熱器連接噴霧干燥塔管線口徑大（DN 800），溫度高（500 ℃），要求距離短。針對這些特點，在設(shè)備布置和管道設(shè)計時，加熱器最小間距靠近噴霧干燥塔。取消水平段管道，水平段選用短半徑彎頭（1 DN）連接水平段膨脹節(jié)（1.8 m）直接接入噴霧干燥塔管口，管道以最短垂直+水平距離連接了兩設(shè)備管口，這樣設(shè)計既能滿足溫度應(yīng)力的要求，又能滿足工藝的需要。

（3）噴霧干燥塔環(huán)管線設(shè)計

中間膠體罐出來的漿液介質(zhì)，通過高壓泵打入均布在噴霧干燥塔上的6 個管口內(nèi)進(jìn)行噴霧造粒，要求進(jìn)入每個管口的介質(zhì)流量相近。針對這特點，在設(shè)計時該管線圍繞噴霧干燥塔設(shè)計成環(huán)形，環(huán)管上6 根DN 50 支管通過金屬軟管與干燥塔上管口連接，這樣設(shè)計達(dá)到了每個管口介質(zhì)流量分配均勻，介質(zhì)進(jìn)入噴霧干燥塔造粒時成型均勻。

圖3 分級機(jī)管道示意圖Fig.3 Piping diagram of classifier

5 結(jié)束語

設(shè)計是不斷完善和優(yōu)化的過程，需要深刻理解工藝流程、工廠操作和檢維修要求，設(shè)計時既滿足規(guī)范要求，又能達(dá)到節(jié)省建設(shè)成本的目的。本文通過對關(guān)鍵設(shè)備布置要點比較分析，選用方案的論述和說明，對廠房高度進(jìn)行推算，達(dá)到合理化布置的要求，以及管道設(shè)計過程中的特點說明，設(shè)計經(jīng)驗有助于總結(jié)和提高，在今后同類產(chǎn)品項目設(shè)計中具有借鑒意義，達(dá)到優(yōu)化和提高設(shè)計的目的。