催化裂化装置中两器部分管道设计探讨

摘 要:阐述了催化裂化的相关概念,分析了催化裂化装置的主要类型、基本组成,探讨了催化裂化装置中反应器与再生器中管道的特殊要求,提出了催化裂化装置中反应器与再生器中部分管道设计与实现应当把握的原则、方法。

关键词:催化裂化装置管道设计方法

中图分类号:TE966文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0078-02

催化裂化是石油炼制过程之一,是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应,转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。原料采用原油蒸馏(或其他石油炼制过程)所得的重质馏分油;或重质馏分油中混入少量渣油,经溶剂脱沥青后的脱沥青渣油;或全部用常压渣油或减压渣油。在反应过程中由于不挥发的类碳物质沉积在催化剂上,缩合为焦炭,使催化剂活性下降,需要用空气烧去(见催化剂再生),以恢复催化活性,并提供裂化反应所需热量。催化裂化是石油炼厂从重质油生产汽油的主要过程之一。所产汽油辛烷值高(马达法80左右),安定性好,裂化气(一种炼厂气)含丙烯、丁烯、异构烃多。作为催化裂化装置核心的反应器和再生器,需要有诸多输送管道相连接,而输送物质相态较为复杂,对管道的设计标准要求较高。如果相关输送管道系统设计不科学,常常会带来输送阻力加大,发生管道谐振等,影响系统的正常运行,严重的还会导致生产事故。因此,必须要高度重视催化裂化装置中反应器和再生器管道的设计,提高设计的科学性和可靠性。

1 催化裂化装置主要类型

催化裂化装置是将重油轻质化的主要装置之一,颗粒状固体催化剂输送是实现重油催化裂化的重要环节。催化裂化装置有多种类型,按反应器(或沉降器)和再生器布置的相对位置的不同可分为两大类:反应器和再生器分开布置的并列式;反应器和再生器架叠在一起的同轴式。并列式又由于反应器(或沉降器)和再生器位置高低的不同而分为同高并列式和高低并列式两类。同高并列式主要特点是:催化剂由U型管密相输送;反应器和再生器间的催化剂循环主要靠改变U型管两端的催化剂密度来调节;由反应器输送到再生器的催化剂,不通过再生器的分布板,直接由密相提升管送入分布板上的流化床可以减少分布板的磨蚀。高低并列式特点是反应时间短,减少了二次反应;催化剂循环采用滑阀控制,比较灵活。同轴式装置形式特点是:反应器和再生器之间的催化剂输送采用塞阀控制;采用垂直提升管和90°耐磨蚀的弯头;原料用多个喷嘴喷入提升管。

2 催化裂化装置基本组成

催化裂化装置通常由三大部分组成,即反应、再生系统、分馏系统和吸收稳定系统。其中反应、再生系统是全套装置的核心。

(1)反应、再生系统。新鲜原料(减压馏分油)经过一系列换热后与回炼油混合,进入加热炉预热到370℃左右,由原料油喷嘴以雾化状态喷入提升管反应器下部,油浆不经加热直接进入提升管,与来自再生器的高温(约650℃～700℃)催化剂接触并立即汽化,油气与雾化蒸汽及预提升蒸汽一起携带着催化剂以7～8m/s的高线速通过提升管,经快速分离器分离后,大部分催化剂被分出落入沉降器下部,油气携带少量催化剂经两级旋风分离器分出夹带的催化剂后进入分馏系统。积有焦炭的待生催化剂由沉降器进入其下面的汽提段,用过热蒸气进行汽提以脱除吸附在催化剂表面上的少量油气。待生催化剂经待生斜管、待生单动滑阀进入再生器,与来自再生器底部的空气(由主风机提供)接触形成流化床层,进行再生反应,同时放出大量燃烧热,以维持再生器足够高的床层温度(密相段温度约650～680℃)。再生器维持0.15MPa～0.25MPa(表)的顶部压力,床层线速约0.7～1.0m/s。再生后的催化剂经淹流管,再生斜管及再生单动滑阀返回提升管反应器循环使用。烧焦产生的再生烟气,经再生器稀相段进入旋风分离器,经两级旋风分离器分出携带的大部分催化剂,烟气经集气室和双动滑阀排入烟囱。再生烟气温度很高而且含有约5%～10%CO,为了利用其热量,不少装置设有CO锅炉,利用再生烟气产生水蒸汽。对于操作压力较高的装置,常设有烟气能量回收系统,利用再生烟气的热能和压力做功,驱动主风机以节约电能。

(2)分馏系统。分馏系统的作用是将反应,再生系统的产物进行分离,得到部分产品和半成品。由反应、再生系统来的高温油气进入催化分馏塔下部,经装有挡板的脱过热段脱热后进入分馏段,经分馏后得到富气、粗汽油、轻柴油、重柴油、回炼油和油浆。富气和粗汽油去吸收稳定系统;轻、重柴油经汽提、换热或冷却后出装置,回炼油返回反应—— 再生系统进行回炼。油浆的一部分送反应再生系统回炼,另一部分经换热后循环回分馏塔。为了取走分馏塔的过剩热量以使塔内气、液相负荷分布均匀,在塔的不同位置分别设有4个循环回流:顶循环回流,一中段回流、二中段回流和油浆循环回流。催化裂化分馏塔底部的脱过热段装有约十块人字形挡板。由于进料是460℃以上的带有催化剂粉末的过热油气,因此必须先把油气冷却到饱和状态并洗下夹带的粉尘以便进行分馏和避免堵塞塔盘。因此由塔底抽出的油浆经冷却后返回人字形挡板的上方与由塔底上来的油气逆流接触,一方面使油气冷却至饱和状态,另一方面也洗下油气夹带的粉尘。

(3)吸收、稳定系统。从分馏塔顶油气分离器出来的富气中带有汽油组分,而粗汽油中则溶解有C3、C4甚至C2组分。吸收——稳定系统的作用就是利用吸收和精馏的方法将富气和粗汽油分离成干气(≤C2)、液化气(C3、C4)和蒸汽压合格的稳定汽油。催化裂化装置反应速度、热量很高,且高温、易燃及爆炸危险。为确保安全性、合理性、经济性,工艺对控制策略要求较高。实施中常规单回路较多,复杂回路相对较少;调节元件有气动调节阀、挡板、三通阀、蝶阀、单动、双动滑阀;有分程控制、常规串级回路、切换串级回路、装置自保系统、机组保护系统等。主回路TIC103,两个付回路FIC105(燃料油流量)、FIC106(燃烧干气流量)不同时使用,用切换开关HS4切换。

3催化裂化装置中反应器与再生器中部分管道设计

催化裂化装置中反应器与再生器中各类管道内,物质类型复杂,腐蚀性强,对管道的要求比较高,特别是相关催化剂输送的管道内有气态、固态两种流动状态,对管道内部流通与流动能力提出的更高的要求,因此,在进行相关管道设计时,必须要充分考虑流通阻力的消减,采取切实可行的对策措施,确保催化剂得以充分输送,与相关物质充分混合,催化作用充分发挥。

(1)催化裂化装置中反应器与再生器管道设计基本原则。催化裂化装置中反应器与再生器是催化裂化装置的核心部位,管道的相关设计要充分考虑耐腐蚀性、催化剂的高效输送、催化剂与输送物质的充分混合等因素,把握好管道设计应着重从减少管道输送阻力,加大管道输送能力,提高催化能力上下功夫。一要把握减少管道连接原则。在催化裂化装置中两器部分管道设计中,要首先把握的是尽可能减少管道的连接,减少管道连接的复杂性,尽可能控制管道的总长度,使相关物质能够在最短的时间内完成交换与输送,防止发生拥堵,导致系统发生故障,造成生产事故。二要把握尽量使用直管原则。提高管道内物质的输送速度,最有效的方法是在设计中尽量采用直管,尽量避免管道变向,迫不得以变向时,要在两相邻弯头之间预留一段畅通段,接装直管,减少因弯头两相邻变相变化过快,而增加输送阻力。三要把握管道环节中增加动力、减少阻尼原则。在进行管道设计与施工中,对各个环节要牢牢把握减少管道阻力这一原则,比如管道进行焊接时,要尽可能采用平头对焊方式;尽可能减少管道中阀门的使用;同时,要在管道中适当位置设置相关输送接力设备,提高管道输送的动力。在管道中合适位置加装工业送风点,增加管道输送动力,还要注意设置相关紧急避险装置,防止意外发生。

(2)管系主要元件的选择。由于催化裂化装置的独特性,催化裂化装置中反应器与再生器两部分催化剂输送管道设计要优先选用石油化工行业标准系列。同时,在该同一管道系统中,其它元件的选用也应当同属于统一的等业标准系列,提高系统的可靠性。管道元件材质的选择的一个重要原则就是要根据催化裂化装置工作温度要求,按《石油化工管道设计器材选用通则》(SH3059)中善于管道材质使用温度的标准进行确定。管道中弯头、三通等管件的选择要与管道材质等强度,采用“短板”理论来确定以上管件的管壁厚度,保证管件最薄处壁厚与相应管道壁厚一致,管件材质与相应管道材质一致。管道中阀门材质应当与相应管道材质匹配,考虑到催化剂固体颗粒的磨损、阀门处催化剂易堵塞及主管道内介质双向流的因素。近年来,金属硬密封偏心半球阀开始广泛应用在催化剂输送管道上,该类型阀门具有开关响应时间短、流通面积大、阻尼小、密封面的直接磨损较少、开关过程中能去除阀座密封面催化剂积垢等优点,但由于该类型的阀门对偏心半球(阀瓣)和阀座密封面设计和制造精度有特殊要求,部分制造厂商由于精度要求达不到,或者是技术不过关,导致该类型阀门在长期处于高温状态时产生抱死现象。

(3)管道应力分析。管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道因热胀冷缩,管道支撑或端点附加位移造成应力问题。管道应力分析分为静力分析和动力分析。静力分析包括:①压力荷载或持续荷载作用下的一次应力计算,防止塑性变形破坏;②管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的二次应力计算,防止疲劳破坏;③管道对设备作用力的计算,防止作用力太大,保证设备正常运行;④管道支吊架的受力计算,为支吊架设计提供依据;动力分析包括:1)管道自振频率分析,防止管道系统共振;2)管道强迫震动响应分析,控制管道震动及应力。两器部分管道的应力分析根据《石油化工管道柔性设计规范》(SH/T3041)的规定,结合工艺参数,利用美国公司COADE开发的Caesar Ⅱ进行管道应力分析。①设置计算模型的节点:Caesar Ⅱ采用有限元法进行计算,将管道通过节点划分为若干个单元来建立管道计算模型,节点一般为管道端点、约束点、管径改变点、材料改变点、计算参数(温度、压力)改变点等。②考虑各种工况:管道应力分析时需要充分考虑多种工况组合,准确确定工况数量。③数据输入:管道应力分析需要输入的数据包括基本参数、管道单元结构参数以及边界条件。根据确定的工况条件,利用应力分析软件可获得相应的管道应力分析结果。Caesar Ⅱ输出结果后,根据规范自动进行应力校核,通常需要对计算模型进行修改得到满意结果。Caesar Ⅱ未将风荷载、地震荷载等因素考虑进去,一般将控制计算模型中各点最高应力值控制在许用应力值的80%左右。

(4)管道支架设计。管道支架设计要充分考虑支架的支撑作用,必须严格按照管道应力分析结果,科学进行分析,合理确定管道支架的使用。管道支架尽量使用刚性支架,减少设备运行过程中产生位移,在支承点的下方以支撑方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷载,起到支撑管道的作用。在催化剂输送管道支架上设置垫板,通常选用碳钢作为垫板材料。

参考文献

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