LLDPE原料精制單元設(shè)備布置及配管優(yōu)化

劉寶洪

(中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250011)

隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展,線性低密度聚乙烯(LLDPE)在食品包裝、農(nóng)用棚膜、購物袋等薄膜制品中的應(yīng)用不斷加大[1]。近年來,在消費升級大背景下,LLDPE市場需求增長迅速。氣相流化床生產(chǎn)LLDPE工藝具有流程簡單、生產(chǎn)靈活、經(jīng)濟、安全等特點,是世界上最成熟的聚乙烯工藝技術(shù)之一[2]。聚合反應(yīng)需要在溫和的條件下,在單一流化床反應(yīng)器中進行。由于反應(yīng)的吸附劑體系對毒物十分敏感,因此對反應(yīng)所需的原料的規(guī)格要求很高,絕大多數(shù)原料要經(jīng)過原料精制單元處理后才能加入反應(yīng)器。原料精制單元主要對反應(yīng)所需要的各種原料進行精制,是保證聚合反應(yīng)正常進行的首道工序,也是生產(chǎn)正常進行的關(guān)鍵。主要介紹LLDPE裝置原料精制單元在設(shè)計過程中,如何通過優(yōu)化設(shè)計,使系統(tǒng)能夠在生產(chǎn)過程中平穩(wěn)運行、節(jié)能減排,為整個裝置創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

1 原料精制單元簡介

聚合反應(yīng)需要的各種原料中,H2O、O2和CO等含量超標是造成裝置停車的重要原因[3]。裝置運行一段時間之后,原料精制床層內(nèi)的吸附劑需要定期用熱氮氣(約290 ℃)進行再生。為了實現(xiàn)裝置連續(xù)生產(chǎn),設(shè)置兩臺精制床,一臺正常運行,另外一臺進行吸附劑再生或者備用。再生管線的設(shè)計是精制單元的重點與難點之一,再生管線設(shè)計的是否合理直接關(guān)系到吸附劑的再生質(zhì)量和裝置熱氮氣的消耗量。為實現(xiàn)再生時復(fù)雜的工藝操作要求,設(shè)計時有兩個主要問題值得研究。一是管道上相互切換的8字盲板、閥門比較多,如何在相互切換時操作方便是裝置設(shè)備布置和管道布置的重點;二是管道涉及管道等級分界多、介質(zhì)種類較多、操作工況較多,如何確保安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

2 原料精制單元設(shè)備布置

原料精制單元的設(shè)備布置主要分為平面布置和立面布置。設(shè)備布置應(yīng)該優(yōu)先考慮操作者的健康和安全,其次是滿足工藝要求,便于操作維修。

2.1 平面布置

原料精制單元的設(shè)備平面布置詳見圖1。按“工藝流程順序和同種設(shè)備集中布置”的原則,北側(cè)主要是乙烯精制,南側(cè)主要是氮氣精制、異戊烷精制和共聚單體精制。(1)每種原料精制設(shè)備都有兩臺,互相為備用關(guān)系,因此相鄰布置;(2)為了方便與工藝管道及公用工程管道連接,在兩排設(shè)備中間設(shè)計裝置內(nèi)管廊。

圖1 原料精制單元的設(shè)備布置

2.2 豎面布置

由于吸附劑再生時操作溫度較高,在平臺設(shè)計時要特別注意平臺的高度和開孔大小,一定要避免塔設(shè)備受熱向上及向下熱膨脹時設(shè)備的封頭和外壁與鋼梁相碰。同時要注意設(shè)備筒體上的設(shè)備管口高度,不要與平臺太靠近,導(dǎo)致儀表無法安裝或者檢修。再生管線上8字盲板和調(diào)節(jié)閥很多,因此需要設(shè)置充足的操作空間以滿足現(xiàn)場操作及檢修要求。

南側(cè)設(shè)備的豎面布置見圖2。床層再生用的熱氮氣由再生氮氣加熱器把氮氣加熱到所需要的溫度。熱氮氣經(jīng)過氮氣分配管線進入再生精制床層。電加熱器盡量放在所有精制設(shè)備的中間位置,減少熱氮氣到再生床層的管線長度,減少過程熱量消耗。同時考慮到電加熱器吊裝及抽芯的距離要求,把電加熱器布置在了9 m層,避免與框架鋼結(jié)構(gòu)碰撞,同時方便抽芯。

圖2 原料精制單元南側(cè)設(shè)備的豎面布置

3 原料精制管道布置

原料精制單元管道特點如下:(1)介質(zhì)種類較多,包含共聚單體、高溫氮氣、常溫氮氣、過熱蒸汽、氫氣、乙烯等介質(zhì);(2)涉及管道材料等級和管道等級變化較多,包含7種材料等級及多處管道等級變化[3];(3)管道布置除應(yīng)便于催化劑的裝卸要求外,還應(yīng)滿足催化劑的再生要求;(4)管線運行工況組合較多。設(shè)備運行過程中,存在較多一開一備的情況。吸附劑再生過程非常復(fù)雜,因此在管道應(yīng)力分析過程中,根據(jù)設(shè)備具體運行可能出現(xiàn)的搭配,應(yīng)力計算工況組合較多。吸附劑再生相關(guān)管道設(shè)計應(yīng)考慮的因素及應(yīng)對措施如下。

3.1 管道應(yīng)力分析滿足要求

(1)精制床再生時,熱氮氣溫度約為290 ℃,故再生管線溫度特別高。對再生管線配管時,不能只考慮如何盡可能減少管線長度,還需要考慮增加管線的柔性。取共聚單體干燥器舉例說明。兩臺共聚單體干燥器的管道布置如圖3所示。干燥器出口管線首先向南一段距離后,然后轉(zhuǎn)彎向北匯總到總管上,增加了與每臺干燥器有關(guān)的各分支管線的長度。這樣不僅可以增加每個分支管道的柔性,有效地減少在不同操作工況下兩臺設(shè)備進出口管道的相互影響,減少設(shè)備管口受力,保證安全生產(chǎn),還能夠減少彈簧的使用數(shù)量,增加整體管系的穩(wěn)定性[3]。

(2)在對管線進行應(yīng)力計算過程時,不僅要考慮管道自身的熱脹冷縮,還應(yīng)該考慮靜設(shè)備熱脹冷縮時對管道施加的附加位移[4]。設(shè)備和進出口管道一起建模,作為整體進行應(yīng)力計算。經(jīng)過應(yīng)力計算,整個管系的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力必須滿足要求,法蘭泄露和設(shè)備管口強度也得進行應(yīng)力校核。

3.2 管道布置減少液袋和死區(qū)

在吸附劑再生過程中,需要利用氮氣將床層和相關(guān)管道中的可燃介質(zhì)發(fā)生置換以防止可燃介質(zhì)與非凈化風接觸發(fā)生爆炸。管線設(shè)計時,應(yīng)盡量減少死區(qū)和液袋,防止置換后的相關(guān)管線有殘留的可燃介質(zhì),造成安全隱患。

3.3 相鄰床層方便切換

吸附劑再生時,床層切換主要靠相關(guān)閥門來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)兩個設(shè)備床層中的介質(zhì)不相互串流,需要及時切換相應(yīng)的8字盲板。因此切換用的閥組和8字盲板應(yīng)集中布置,方便操作。

4 管道支吊架設(shè)計

(1)管道支吊架對整個管線的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。按照規(guī)定,預(yù)期壽命內(nèi)熱循環(huán)次數(shù)超過7 000的管道,應(yīng)進行管道應(yīng)力計算。在管道應(yīng)力計算時,計算溫度取正常操作溫度,并非總是偏于安全的,不僅應(yīng)考慮正常操作條件下的溫度,還應(yīng)考慮開車、停車、再生及蒸汽吹掃等工況。在選擇再生管線的支架支撐形式時,必須嚴格遵循管道應(yīng)力分析計算結(jié)果。綜合分析各個階段的操作溫度和操作壓力,選取最苛刻的結(jié)果作為支架選擇的依據(jù)。

(2)再生管線如果使用普通的保溫管線的管托,熱氮氣在流動過程中會通過管托浪費很多熱量,例如再生氮氣加熱器離乙烯脫CO2器較遠,熱量散失太多就會導(dǎo)致床層升溫慢或者達不到要求溫度,這樣就會大大增加熱氮氣的使用量。針對這種情況,再生管線的支架設(shè)計過程中,增加了特殊的隔熱支架。隔熱管托與普通管托的具體結(jié)構(gòu)詳見圖4。普通保溫管托管架直接接觸熱的管道,部分熱量會通過管架傳導(dǎo)到立板上。隔熱管托通過設(shè)置隔熱層,杜絕了熱管道和鞍座之間的熱傳導(dǎo)。隔熱層抗壓強度≥12 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.12 W/(m·k)(推薦采用膨脹蛭石),厚度為50 mm。通過特殊隔熱管托的使用,提高了吸附劑的再生質(zhì)量,減少了裝置熱氮氣的消耗量。

圖4 保溫管托和隔熱管托結(jié)構(gòu)形式

(3)承重支架應(yīng)該放置在鋼結(jié)構(gòu)上方,不應(yīng)放在格柵板上;對于荷載較大的承重支架,為了減少摩擦反力,應(yīng)設(shè)置低摩擦系數(shù)滑動組件。低摩擦系數(shù)滑動組件的主要結(jié)構(gòu)是聚四氟乙烯板和拋光的不銹鋼鏡面板相互摩擦,通過試驗得到的摩擦系數(shù)能夠達到0.1。

(4)如果自然補償不能使管道的柔性得到足夠改善,那么就需要增設(shè)彈簧支架[6]。彈簧的選型要嚴格遵守應(yīng)力計算結(jié)果。再生管線上設(shè)置的彈簧支架很多,在彈簧形式選擇時,如果安裝空間允許,采用F類。這種彈簧在鋼平臺上易于安裝,便于現(xiàn)場操作及維修。為了保證管道不會因為位移太大從彈簧支架上脫落,在設(shè)計支架時,一定要考慮彈簧支架所在位置點的水平位移量。如果水平位移量特別大時,建議將支架安裝在偏移的位置,這樣能夠減少在冷態(tài)和熱態(tài)位置時支架垂直作用線的偏差。

5 總結(jié)

LLDPE裝置原料精制單元的設(shè)計,關(guān)鍵在于合理的設(shè)備布置和管線布置。只要掌握正確的設(shè)計理念,深入理解再生管系設(shè)計的各方面要求,通過各種方案的對比,對管道布置進行合理優(yōu)化,就能夠?qū)崿F(xiàn),裝置的平穩(wěn)運行、安全可靠、節(jié)能減耗的目標。希望通過此文,能夠為后續(xù)類似裝置的設(shè)備布置和管道設(shè)計提供借鑒。