催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

许有双 

(福斯特惠勒(河北)工程设计有限公司上海分公司,上海200235

摘要:文章以某催化裂化装置为例,简述反应部分的工艺流程及设备布置,详细分析了反应油气管道设计的主要特点及要求。基于冷热壁结合的反应油气管道类型,对反应油气管道的布置、应力分析、材质的选择等方面进行了详细的分析,以期对类似设备反应油气管道的设计提供一定方法及帮助。

关键词:催化裂化;高低并列式;反应油气管道;管道材质;衬里厚度;应力计算

1引言

催化裂化是石油热加工工艺中较为复杂的工艺过程,是指在一定的温度条件下,依靠催化剂的活性作用,使碳链较长的重质油裂解为碳链较短的轻质油工艺加工过程。催化裂化装置中,重质油通过一系列换热被加热至240左右,在进料喷嘴雾化作用下,被雾化成细小的液滴后喷入反应器。在反应器中,细小的重质油液滴与自再生器来的催化剂颗粒逆流接触、充分混合,经过升温、气化、吸附、裂化反应、脱附等一系列过程后形成小分子化合物。裂化反应后的高温油气与催化剂一起进入沉降器,通过沉降器及顶部的旋风分离器实现油气和催化剂颗粒的气固分离,再通过管道输送至分馏塔下部,该管道即为本文重点研究的反应油气管道。

首先,反应油气管道是连接催化裂化装置中反应区和分馏区的桥梁。其次,该管道中的反应油气正常工况下的操作温度为510,同时含有催化剂颗粒,管道内壁极易结焦,且管道直径较大,因此是装置中较为重要的管道,此管道的设计对催化裂化装置的平面布置有着重要的影响。本文以100t/a采用高低并列式布置的催化裂化装置为例,从管道布置、材质选择等方面详细分析反应油气管道的设计,对该管道所必需进行的应力分析采用目前国际通用的CAESARII软件进行。

反应油气管道设计分析

2.1反应器和再生器布置形式

常见的两器(指反应器和再生器)布置形式通常分为两种:同轴式与并列式。其中并列式又分为两种:等高式与高低式。随着装置的大型化,目前大多采用高低并列式布置方式。本文中的催化裂化装置采用的是高低并列式布置,其特点有:两器系统催化剂循环量依靠滑阀控制,可调范围大,操作灵敏,安全可靠;核心反应过程在提升管内完成、秒级的反应时间能有效减少二次反应的发生[1]

2.2反应油气管道布置特点

经旋风分离器分离后的油气经反应油气管道直接进入分馏塔下部。一方面反应油气正常操作温度高达510,长的停留时间容易导致反应油气在管道内结焦,另一方面如果反应油气管道过长,介质温度下降明显,分馏塔入口会有液相产生,从而导致该处结焦严重,因此两器与分馏塔应采取就近布置的原则,尽可能缩短反应油气管道的长度和高温油气在管道内的停留时间。同时应当充分考虑停工后该管道的清焦及检维修空间的要求,经应力计算后,最终确定沉降器、分馏塔以及管道支吊架的位置。

2.3反应油气管道结构

现有装置的高温反应油气管道主要分为冷壁式结构、热壁式结构及冷热壁结合式结构。一般出于对管道衬里施工难度的考虑,小于等于DN400的管道宜选用热壁式结构,大于DN400的管道宜选用冷壁式结构或者冷热壁结合式结构。

冷壁式管道为金属外壳+内部施工隔热/耐磨混凝土层结构的管道。冷壁式管道的优点为:管道内部的衬里隔绝了介质与金属壁的接触,使得金属管壁的温度大幅度降低,远低于管道内部介质的温度,管道的设计温度降低,不但减少管道的膨胀量,也降低了材料的性能要求,可选用碳钢。缺点为:金属管直径大幅度增加,混凝土衬里重量大,致使整个管系重量大大增加,柔性变差,结焦后不易清理。热壁式管道指金属管道,热壁式管道的优点为:热壁管的直径较冷壁管小很多,管道柔性增强,较易实现管道对膨胀量的自然补偿,可大大降低反应油气管道对分馏塔管口的水平推力,同时方便停工清焦。缺点为:热壁式管道壁温与操作介质温度相近,对材料性能要求升高,需选用耐热性能较好的的材质(如15CrMoR或以上),施工完成后需进行热处理。冷壁式管道和热壁式管道的组合形成新型的冷热壁结合式管道。相对于全冷壁式管道和全热壁式管道来说,冷热壁结合式管道同时具备两种形式管道的优点,在确保安全运行的前提下,可实现装置的布置紧凑、投资降低,装置经济性明显提升。冷热壁结合式反应油气管道已在多套催化裂化装置中得到实际应用,效果良好。综上,本文所研究的装置也采用了冷壁式+热壁式组合的冷热壁结合式反应油气管道,通过异径管将反应油气管道分为冷壁和热壁两段,即异径管上游的管道设计为冷壁式管道,异径管下游的管道设计为热壁式管道。

2.4反应油气管道材料选择

带龟甲网的隔热+耐磨双层衬里结构是反应油气管道常用的衬里形式。衬里材料的选择、性能要求及施工方法应符合《隔热耐磨衬里技术规范》GB 50474—2008的规定,并且在弯头、法兰等处设置衬里挡圈。可按下面公式计算衬里总厚度[2]催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

 

代入数值计算:

催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

圆整为标准厚度100mm

对冷壁式管道而言,耐磨隔热衬里后反应油气管道金属壁温已低于350℃,因此金属管道可选用碳钢材质。对热壁式管道而言,操作介质的工况较为苛刻。反应油气温度为510℃,且含有一定量的催化剂细粉及少量硫化氢,且流速相对较高,不仅需要考虑腐蚀,还应考虑催化剂颗粒的磨蚀。因此热壁管选材需满足如下基本要求:在高温下有较好的抗拉强度和刚度等机械性能;在高温下有较好的抗腐蚀性及稳定性;焊接性能好及热处理条件容易。经综合比较,15CrMoR以其性能好、价格较低成为热壁式管道较为理想的材质。热壁式管道采用外保温形式,宜选用性能较好的保温材料。保温厚度由保温材料的性能及最大允许散热量决定,按照《石油化工设备和管道绝热工程设计规范》SH/T 3010—2013要求计算[3]。热壁式管道公称直径为DN800,根据规范,按照圆筒计算保温厚度,如下式所示:催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

 

代入数值计算:

催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

对应厚度δ=91mm,取100mm

按照最大散热量校核:

催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

代入数值计算:催化裂化装置高低并列式布置的反应油气管道设计

2.5反应油气管道应力分析

1)本方案为冷热壁结合的“L+π”型管道布置,由于反应油气竖管与沉降器均采用冷壁形式,因此在沉降器裙座标高EL+43000以上的设备和管线的热胀可以相互抵消;沉降器裙座标高EL+43000到分馏塔进料管嘴标高EL+14600的竖管长度为28400mm,竖管向下的热胀约54.5mm。反应油气管道进入水平管段后即变为热壁形式,直线长度12360mm,水平方向热胀约80mm。使用布置方案如图1所示,可吸收垂直与水平管道的热胀量。

热壁式管道设计温度取管内介质最高操作温度520,设计压力0.480MPaG,材质为15CrMoR;冷壁式管道壁温取180℃,管道内部介质设计温度取介质最高操作温度520℃。管道内操作介质反应油气的密度取3.10kg/m3。反应油气管道衬里取当量壁厚与当量许用应力进行应力分析计算,衬里的当量壁厚为14mm,当量许用应力为102.6MPa。沉降器器壁温度取180,分馏塔塔壁温度取365℃,沉降器及分馏塔管口按WRC297进行一次校核,按《石油化工钢制压力容器SH/T3074—2018中相关规定做二次校核[4]

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    反应油气管布置图                       2 CAESAR计算模型图

2)两器与管道布置:反应油气管道出口标高为EL+60564,在标高EL+55200处设置一组承重支架(生根于沉降器器壁);在标高EL+49500处设置一组弹簧承重支架(生根于沉降器器壁);在标高EL+28275处设置一组导向减振支架。分馏塔入口的水平段反应油气管道采用热壁管,以3%的坡度坡向分馏塔。水平段管线适当位置设置导向单板悬吊型弹簧支吊架。

3)通过使用CAESAR软件进行分析沉降器和分馏塔管口的受力,图2为计算模型图,计算结果如表1、表2和表3所示:

1沉降器管口根部A点受力计算结果

工况

FX

/N

FY

/N

FZ

/N

MX /N.M

M

/N.M

MZ

/N.M

DX

/mm

DY

/mm

DZ

/mm

操作工况1

-10555

-42630

-6570

-3924

46617

3105

-0.000

33.603

-0.000

操作工况2

-6717

-38013

-11961

-25213

58507

1616

-0.000

33.603

-0.000

操作工况3

-6787

-37622

-12363

-22853

54661

1387

-0.000

38.268

-0.000

冷态工况

-10610

-43034

-3339

-23852

67558

8100

-0.000

-0.000

-0.000

2分馏塔法兰口B点受力计算结果

工况

FX

/N

FY

/N

FZ

/N

MX /N.M

M

/N.M

MZ

/N.M

DX

/mm

DY

/mm

DZ

/mm

操作工况1

-6706

-5051

-11940

58257

10194

-42417

0.001

18.476

19.696

操作工况2

-7366

-7599

-7796

62163

-6694

-10816

-0.025

-0.118

0.254

操作工况3

-4993

-11989

-10165

104358

23135

-48063

0.023

19.047

20.289

冷态工况

664

7658

3806

-14305

1766

1275

0.004

0.025

0.001

3分馏塔管口根部C点受力计算结果

工况

FX

/N

FY

/N

FZ

/N

MX /N.M

M

/N.M

MZ

/N.M

DX

/mm

DY

/mm

DZ

/mm

操作工况1

-6706

-13241

-11940

71534

1993

-42417

-0.000

18.583

11.190

操作工况2

-7366

-15790

-7796

78557

-15703

-10816

-0.000

-0.000

-0.000

操作工况3

-4993

-20179

-10165

126121

17028

-48063

-0.000

19.236

11.583

冷态工况

664

-532

3806

-16571

2579

1275

-0.000

-0.000

0.000

注:工况1为反应油气管道壁温为180时正常使用工况;工况2为烘衬里短时间使用工况;工况3为反应油气管道壁温为200℃时设计条件工况。

最后按当地的实际情况将地震与风载条件输入CAESAR软件进行偶然工况的分析。经最终计算,A点和C点受力如表1和表3所示,水平段热壁管道利用π形自然补偿后,计算结果既满足设计的特殊要求又满足应力计算校核。B点根据《化工装置管道机械设计技术规定》HG/T20645.519982.3.1节的规定进行法兰泄漏校核[5],经校核计算后,确定法兰不存在泄漏问题。

2.6反应油气管道设计其他事项

反应油气管道承重支架的斜撑不能影响通道,装置运行时处于分馏塔前的热壁段反应油气管道坡度应保持不小于0.5%。考虑到停工后或修补衬里时需要清焦,应在反应油气管道的合理位置设置至少2个以上的人孔,爬梯和检修平台也是必不可少的。

3结语

1)冷热壁结合形式的反应油气管道可利用π型实现自然补偿,最大限度的缩短了管道长度,确保装置安全稳定运行。

2)冷壁段反应油气管道采用碳钢金属管+隔热层+龟甲网耐磨层的结构形式,根据工程经验,管道金属壁壁温亦取120℃时计算衬里厚度。热壁段金属管道选用15CrMoR材质,外保温材料选用硅酸铝制品,外保温厚度的计算应根据最大允许散热量进行校核,以此兼顾安全性及经济性。

3)反应油气管道应设置清焦人孔及配套设施,入分馏塔前的水平管道安装时应以3%坡向分馏塔以减少积液碳化。

反应油气管道设计受装置规模大小,两器布置形式等多种因素影响,本文的分析结果仅适用于类似装置中自沉降器出口到分馏塔入口的反应油气管道的设计。反应油气管道是催化裂化装置中设计难度最大的管道之一,设计的优劣会关系到整个装置能否安全稳定运行,设计时必须认真分析研究,根据不同装置自身的特点确定优化设计方案。

参考文献:

[1]高滨,臧红斌.催化裂化装置两器并列式布置的反应油气管道设计[J].山东化工,201544(10):125-129.

[2]GB 50474—2008隔热耐磨衬里技术规范[S]中国计划出版社,2008.

[3]SH/T 3010—2013石油化工设备和管道绝热工程设计规范[S]中国石化出版社,2013.

[4]SH/T 3074—2018石油化工钢制压力容器[S]中国石化出版社,2018.

[5]HG/T20645.5—1998化工装置管道机械设计技术规定[S]全国化工工程建设标准编辑中心,1990.

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