關(guān)鍵詞 | 芳烴聯(lián)合裝置 靜設(shè)備 特點 節(jié)能
導(dǎo)讀：連續(xù)重整和芳烴裝置是煉化企業(yè)的重要生產(chǎn)裝置之一，由于重整可為芳烴裝置提供原料，一般作為聯(lián)合裝置建設(shè)。連續(xù)重整裝置以精制石腦油、加氫裂化重石腦油為原料，生產(chǎn)高辛烷值汽油調(diào)和組分，副產(chǎn)氫氣，一般包括原料預(yù)處理、連續(xù)重整、催化劑再生單元。芳烴裝置以重整生成油或外購混合二甲苯為原料，生產(chǎn)苯、甲苯、對二甲苯和鄰二甲苯等產(chǎn)品。吸附分離工藝技術(shù)的芳烴裝置一般包括芳烴抽提、歧化、吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾及公用工程單元。
芳烴聯(lián)合裝置靜設(shè)備具有臺位數(shù)多、規(guī)格大、材料和結(jié)構(gòu)特殊、內(nèi)構(gòu)件復(fù)雜等特點。下表為某100萬t/a芳烴項目靜設(shè)備統(tǒng)計，主要靜設(shè)備數(shù)量433臺，各工藝包方設(shè)備種類和結(jié)構(gòu)雖有區(qū)別，但大致數(shù)量和功能類似。
隨著裝置大型化和煉化工程技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，為節(jié)省投資、節(jié)能降耗和安穩(wěn)長滿優(yōu)運行，越來越多的靜設(shè)備新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)得到了應(yīng)用。
一、主要靜設(shè)備特點
1.反應(yīng)器類
1.1.1 原料預(yù)處理單元反應(yīng)器
根據(jù)原料組成，設(shè)置預(yù)加氫、脫氯或脫烯烴反應(yīng)器等，其原理是在催化劑和氫氣作用下，脫去原料油中含硫、氮、氯、砷、烯烴等雜質(zhì)，以避免重整催化劑發(fā)生不同程度的中毒而影響其性能和壽命。反應(yīng)器一般為高溫、高壓、臨氫操作的軸向熱壁反應(yīng)器，殼體材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼+鉻鉬鋼的復(fù)合鋼板，內(nèi)裝入口分配器、去垢籃和出口收集器等不銹鋼內(nèi)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)相對簡單。
1.1.2 重整反應(yīng)器和再生器
不同工藝包方雖在催化劑、結(jié)構(gòu)和布置型式上有所差別，但操作基本都是低壓和高溫操作，重整反應(yīng)器還是臨氫環(huán)境，結(jié)構(gòu)上都是熱壁徑向反應(yīng)器，內(nèi)部設(shè)置中心管、扇形筒或外篩網(wǎng)等內(nèi)件，介質(zhì)經(jīng)扇形筒徑向穿過催化劑床層，再經(jīng)中心管集合到出口。
中心管一般由多孔內(nèi)筒和焊接條形篩網(wǎng)外筒組成；扇形筒有布滿長圓孔的扇形筒、焊接條形篩網(wǎng)扇形筒、焊接條形篩網(wǎng)制矩形筒或上下段截面積不同的矩形筒幾種型式；外篩網(wǎng)的功能與扇形筒一樣，但安裝、檢修不如扇形筒方便，也由焊接條形篩網(wǎng)制成。
重整反應(yīng)器殼體一般選用抗氫腐蝕和耐熱的Cr-Mo鋼材料，內(nèi)件為S32168材料；再生器殼體和內(nèi)件一般選用耐高溫的S31608材料。重整反應(yīng)器布置型式有重疊和并列式兩種，考慮到框架總高度和安裝、檢修的難度，2000kt/a以上規(guī)模的大型重整裝置的重整反應(yīng)器多采用兩兩重疊或三兩重疊的布置。并列式布置受裝置規(guī)模大型化的影響較小，可降低框架高度，且相同處理量的條件下，反應(yīng)器總的金屬質(zhì)量可節(jié)約10%~15%。由于內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝工作量大，重整反應(yīng)器和再生器對圓度、直線度和平面度等公差要求較為嚴格，須通過不斷的經(jīng)驗積累和特殊工裝來保證制造質(zhì)量。同時，為避免催化劑磨損，與催化劑接觸的內(nèi)表面及內(nèi)構(gòu)件等須打磨圓滑，中心管和扇形筒的外表面光潔度須滿足工藝包方的要求。
1.1.3 異構(gòu)化和歧化反應(yīng)器
異構(gòu)化反應(yīng)器高溫、臨氫操作，多數(shù)為徑向反應(yīng)器，內(nèi)裝入口分配器、中心管和扇形筒等內(nèi)構(gòu)件，與重整反應(yīng)器類似。歧化反應(yīng)器高溫、高壓、臨氫操作，壓力和溫度均高于異構(gòu)化反應(yīng)器，一般為軸向反應(yīng)器，內(nèi)裝入口分配器和出口收集器等內(nèi)構(gòu)件，與預(yù)加氫反應(yīng)器類似。根據(jù)操作條件，異構(gòu)化和歧化反應(yīng)器殼體材料選用Cr-Mo鋼材料，內(nèi)件材質(zhì)選用S32168。
1.2 塔器類
就各煉化裝置的塔器來說，在數(shù)量和規(guī)格上，芳烴聯(lián)合裝置是塔器數(shù)量最多的裝置之一，且內(nèi)徑在φ6000mm以上的大型塔器數(shù)量較多；塔器材質(zhì)上，除原料預(yù)處理單元考慮濕硫化氫腐蝕環(huán)境，個別塔器或部位采用不銹鋼復(fù)合板外，其余均可選用碳鋼或低合金鋼；內(nèi)件型式除吸附塔為專利格柵外，其它塔器以浮閥塔盤為主。
1.2.1 吸附塔
吸附塔是吸附分離技術(shù)最為核心的設(shè)備，其功能是利用模擬移動床吸附工藝，從C8芳烴的同分異構(gòu)體中分離出對二甲苯產(chǎn)品。各工藝包方均有其專利的吸附劑、格柵和分配器組件，操作條件略有區(qū)別，但吸附塔的結(jié)構(gòu)型式差別不大，材質(zhì)也均可選用普通低合金鋼。
格柵內(nèi)件起到支撐床層吸附劑和介質(zhì)混合的作用，有沿圓周均分的扇形塊和矩形分塊兩種型式，與吸附劑的接觸面由焊接條形篩網(wǎng)制成。格柵塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、制造難度大。為支撐格柵內(nèi)件，一般在吸附塔內(nèi)部設(shè)置中心管，扇形塊格柵邊框作為其自身梁，兩端分別靠殼體和中心管上的支持圈支撐。矩形塊格柵支撐需設(shè)置獨立的支撐主梁和支梁，主梁兩端分別固定焊接于殼體和中心管的梁座上。
由于內(nèi)部需要安裝大量的格柵及配套分布器等內(nèi)件，吸附塔對圓度、直線度、同心度和支撐圈的水平度有非常嚴格的要求。塔器制造商應(yīng)優(yōu)化支撐工裝和制造工藝，防止吸附塔和內(nèi)部中心管在制造、運輸和吊裝過程中發(fā)生變形。隨著吸附劑性能的不斷提高，同樣處理量的條件下，吸附劑裝填量降低，如兩塔改為單塔操作，可降低占地面積、配管難度、儀表數(shù)量和投資，但對塔器本身來說，直徑和每層格柵分塊數(shù)會增加，相應(yīng)地會增大吸附塔和格柵設(shè)計、制造和安裝的難度。
1.2.2 大型塔器
以某100萬t/a芳烴裝置為例，內(nèi)徑在φ6000mm以上的塔器除吸附塔外，還有抽余液塔、抽出液塔、脫庚烷塔和2臺二甲苯塔，其中抽余液塔內(nèi)徑φ11400mm，二甲苯塔內(nèi)徑φ11800mm。考慮到運輸和吊裝受限，超大規(guī)格的塔器宜根據(jù)現(xiàn)場實際情況分片（或分段）運輸，現(xiàn)場制造（或組對）。設(shè)計和制造應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場焊接、組對、無損檢測和熱處理的要求和方案。同時，對于超大直徑的浮閥塔，塔盤的強度設(shè)計、制造和安裝精度（塔盤的水平度、堰高和底隙要求）是滿足工藝性能的關(guān)鍵，塔盤的支撐形式宜選用桁架梁。
1.3 換熱器類
1.3.1 預(yù)加氫進出料換熱器
預(yù)加氫進出料換熱器一般為多臺U型管式換熱器串聯(lián)，操作壓力高、溫差大，介質(zhì)腐蝕情況復(fù)雜，包括了高溫硫腐蝕、氫腐蝕、濕硫化氫腐蝕和氯離子腐蝕等，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮材料性能和經(jīng)濟性，優(yōu)化各臺換熱器進出口溫度。也有用戶為減少設(shè)備臺數(shù)，降低操作維護難度，選擇了高溫段用1臺纏繞管式、低溫段仍選用1臺U型管式的方案。
1.3.2 重整、異構(gòu)化和歧化進出料換熱器
重整、異構(gòu)化和歧化進出料換熱器冷熱流介質(zhì)進出口溫差大、流量大、熱負荷高，其換熱效果對降低裝置能耗和減少運行成本有著重要的作用。早期多采用立式單管程管殼式換熱器，隨著裝置規(guī)模的不斷擴大，結(jié)構(gòu)更為緊湊、可適用大負荷的焊板式和纏繞管式換熱器逐步取代了立式管殼式換熱器。焊板式和纏繞管式換熱器的主體材質(zhì)均為14Cr1Mo或12Cr2Mo1，板束或管束的材質(zhì)為S32168不銹鋼，換熱器冷端進料處設(shè)置專有的分配組件，保證了氣液混合均勻、分布均勻。
焊板式換熱器早期多為進口產(chǎn)品，價格昂貴。國產(chǎn)化板殼式換熱器的成功開發(fā)應(yīng)用，壓低了進口板式換熱器的價格和交貨期，給國內(nèi)煉化企業(yè)提供了更多的選擇余地。近年來，由于部分裝置板換出現(xiàn)了泄漏問題，以及對換熱器抗沖擊性能要求的提高，不少用戶選擇了抗沖擊性能較好的纏繞管式換熱器，或者在改造中用纏繞管式換熱器代替原有焊板式換熱器。
二、節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用
2.1 重整反應(yīng)器、再生器及內(nèi)件的新結(jié)構(gòu)
催化劑在重整反應(yīng)器、再生器內(nèi)部連續(xù)流動，改善催化劑流動狀態(tài)、減少死區(qū)是反應(yīng)器、再生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方向。如某裝置重整反應(yīng)器底部結(jié)構(gòu)采用錐形封頭代替以往的橢圓或半球形封頭，同樣的裝填體積下，錐形封頭可減小催化劑無效體積，很好地改善催化劑流動狀態(tài)，減少催化劑在封頭內(nèi)的死區(qū)，降低結(jié)焦的風(fēng)險。
在長期高溫操作下，由于生產(chǎn)波動或催化劑結(jié)焦，扇形筒、中心管內(nèi)件損壞的案例時有發(fā)生，各工藝包方從材料、強度和穩(wěn)定設(shè)計、結(jié)構(gòu)改進和制造要求等方面不斷進行優(yōu)化。如國外工藝包方推出上下段截面積變化的楔形扇形筒，但其價格昂貴、制造精度要求高，而且現(xiàn)場安裝復(fù)雜，安裝周期長。國內(nèi)工藝包方結(jié)合實際工程案例，通過設(shè)計修正和結(jié)構(gòu)改進以延長內(nèi)構(gòu)件的使用壽命，如設(shè)計時考慮增大篩條和支撐桿間的結(jié)合力，制造時控制焊接條形篩網(wǎng)的分段長度，優(yōu)化制造工藝等。
2.2 多降液管塔盤
多降液管塔盤是一種多流程、多降液管的塔盤，適用于高液相負荷操作。相對傳統(tǒng)的多溢流塔盤，在相同處理量下，可縮小塔徑，同時較小的塔盤間距可降低塔器高度，從而減少金屬材料用量，節(jié)省設(shè)備的成本，降低塔器施工費用，具有更好的經(jīng)濟性。特別是對于芳烴裝置中抽余液塔和二甲苯塔等直徑超大的塔器，操作的可靠性和經(jīng)濟性尤為顯著。以1套1000t/a芳烴裝置為例，分別采用四溢流浮閥塔盤和多降液管塔盤對二甲苯塔進行對比。
目前比較有代表性的多降液管塔盤包括UOP公司的MD和ECMD塔盤、SULZER/SHELL的HiFiPLUS塔盤和中石化自主研發(fā)的DJ塔盤等。
2.3 分壁塔
分壁精餾是通過在塔內(nèi)安裝1塊或多塊一定長度的隔板，采用1套汽化冷凝系統(tǒng)，同時分離得到3種或3種以上產(chǎn)品的精餾技術(shù)。以傳統(tǒng)的三組分為例，分壁精餾技術(shù)的原理如下所示。
芳烴聯(lián)合裝置中適宜采用分壁塔的是苯-甲苯分餾單元，塔頂分餾出苯產(chǎn)品，中部側(cè)向抽出甲苯產(chǎn)品，塔底為C8+產(chǎn)品。2020年4月，在國內(nèi)新開工的重整裝置中得到了成功應(yīng)用。
與傳統(tǒng)兩塔流程相比，分壁塔節(jié)能的主要原因有：可有效避免兩塔分離時中間組分的再混合，降低了分離過程中的能耗，一般可降低20%~40%；減少了1臺精餾塔和相應(yīng)的附屬設(shè)備，設(shè)備的占地空間及總投資均降低，可節(jié)省投資約30%。
2.4 高通量換熱管
高通量換熱管是在換熱管外側(cè)加工成縱向翅片，內(nèi)壁或外側(cè)燒結(jié)1層特殊覆層，可使傳熱表面積大為增加，并提供大量汽化核心，強化管內(nèi)或管外泡核沸騰傳熱，傳熱效率大約是普通換熱管（光表2 不同塔盤技術(shù)的二甲苯塔對比方案1方案2塔盤型式四溢流浮閥塔盤多降液管式塔器規(guī)格/mmΦ9600/Φ11200×107170(T/T)Φ9000/Φ9700×95190(T/T)塔盤層數(shù)155155殼體壁厚/mm74/9470/82塔內(nèi)件質(zhì)量/t1150800塔器殼體質(zhì)量/t33502200塔器總質(zhì)量/t45003000管）的2~4倍，可減小換熱器直徑、管長或設(shè)備臺數(shù)，減小占地、降低能耗、節(jié)省投資。早期高通量換熱管多為進口專利產(chǎn)品，隨著國產(chǎn)高通量換熱器的成功開發(fā)和推廣，在近幾年的新建裝置中逐步替代了進口產(chǎn)品，如某芳烴裝置中抽余液塔重沸器和抽出液塔重沸器采用國產(chǎn)的外溝槽、內(nèi)壁燒結(jié)的高通量換熱管，抽余液和抽出液塔頂蒸汽發(fā)生器、脫庚烷塔底重沸器和成品塔底重沸器選用了國產(chǎn)的外壁燒結(jié)高通量換熱管，運行情況良好。
2.5 雙管板換熱器
芳烴工藝流程長，分餾塔多，大部分的塔頂?shù)蜏責(zé)嵊捎跍匚惠^低，難以得到有效利用，以往多采用空冷及水冷來進行冷卻，是芳烴裝置能耗較高的原因之一。國產(chǎn)芳烴成套技術(shù)發(fā)明了回收低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽，驅(qū)動透平發(fā)電的工藝專利技術(shù)。低溫?zé)岬睦眯枰褂霉軞な綋Q熱器進行熱交換，而芳烴裝置中的催化劑和吸附劑對水含量有嚴格的限制，無論是采用發(fā)生低壓蒸汽還是熱水回收，如選用一般的單管板式管殼式換熱器，一旦因管板和換熱管之間的連接出現(xiàn)失效而造成管殼程竄漏，泄漏的水分可能會降低異構(gòu)化催化劑和吸附劑的性能，這將對芳烴裝置造成極大的危害。因此，芳烴裝置中低溫?zé)岬睦么嬖谳^大風(fēng)險，而雙管板換熱器因其在內(nèi)外管板之間設(shè)置了隔離腔，可有效解決管板與換熱管接頭連接失效時，管殼程介質(zhì)會發(fā)生竄漏的問題。雙管板換熱器的成功應(yīng)用，為芳烴聯(lián)合裝置的低溫?zé)峄厥绽锰峁┝丝赡芎捅Ｕ希行Ы档土搜b置能耗，提高了經(jīng)濟效益。
2.6 高效復(fù)合型管式空冷器
高效復(fù)合型管式空冷器由預(yù)冷翅片管、冷凝盤管、噴淋、水箱、水泵及風(fēng)機等構(gòu)成。工藝介質(zhì)先進入上部空冷段，經(jīng)翅片管內(nèi)降溫后進入下部冷卻段，冷卻段為光管，軸流風(fēng)機位于設(shè)備頂部，空氣由下往上流動，與噴淋水形成逆流。
高效復(fù)合型管式空冷器具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊及占地面積小等優(yōu)點。以某廠320萬t/a連續(xù)重整裝置重整反應(yīng)產(chǎn)物空冷器為例，采用高效復(fù)合管式空冷器12片即可代替48片普通空冷器，可節(jié)省占地面積75%，總投資可節(jié)省30%。
2.7 其他
除上述外，為達到更好的節(jié)能降耗環(huán)保要求及降低運行中法蘭密封面泄漏的風(fēng)險，越來越多的新產(chǎn)品和技術(shù)得到了應(yīng)用和推廣。如采用金屬燒結(jié)網(wǎng)濾芯代替玻璃纖維制濾芯，在滿足同樣的過濾精度下，可實現(xiàn)濾芯的重復(fù)利用和材料回收。如在重整反應(yīng)器油氣進出口法蘭和設(shè)備法蘭等易發(fā)生泄漏的場合采用耐高溫材料墊片、防松螺母等緊固件，同時應(yīng)用液壓拉伸器或力矩扳手，按照合理的上緊力（矩）和程序進行緊固，可有效地降低泄漏風(fēng)險。
結(jié) 語
在保證本質(zhì)安全的前提下，靜設(shè)備節(jié)能和綜合效益提高的途徑主要有：
1）新結(jié)構(gòu)、新產(chǎn)品和新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，以減少設(shè)備臺數(shù)、減小規(guī)格、降低質(zhì)量或降低環(huán)境污染等；
2）優(yōu)化設(shè)備整體或局部結(jié)構(gòu)，提高操作穩(wěn)定性或降低泄漏風(fēng)險等；
3）配合工藝進行流程和設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，使設(shè)計參數(shù)和計算模擬更吻合實際運行，避免過度設(shè)計。
