劉琪

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

羰基合成反應(yīng)器的布置和配管

劉琪

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以某項(xiàng)目丁辛醇裝置兩臺(tái)羰基合成反應(yīng)器為研究對(duì)象，分別從工藝流程、設(shè)備布置、管道設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行論述，從而在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，實(shí)現(xiàn)合理布置，方便操作，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

羰基合成反應(yīng)器；布置；配管；支架

羰基合成反應(yīng)器是丁辛醇生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，通常是兩個(gè)或兩個(gè)以上設(shè)置，相互關(guān)系為串聯(lián)式。由于該類(lèi)型設(shè)備內(nèi)設(shè)置有帶長(zhǎng)攪拌桿的攪拌器，在做設(shè)備布置時(shí)就必須考慮攪拌桿的吊裝以及攪拌器的檢維修。另外，羰基合成反應(yīng)系統(tǒng)中含催化劑，相關(guān)管道的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜且要求較高。因此，在對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行配管設(shè)計(jì)時(shí)，需全面及綜合考慮各方面因素，不但要滿(mǎn)足工藝要求，也要盡量做到合理布置設(shè)備，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，方便操作人員進(jìn)行維修操作。

1 羰基合成反應(yīng)工藝流程簡(jiǎn)述

1.1 反應(yīng)原理

羰基合成方法是丁辛醇裝置生產(chǎn)流程中最為核心的一個(gè)環(huán)節(jié)，此方法是利用經(jīng)過(guò)提純凈化之后的原料丙烯和合成氣（一氧化碳和氫氣），在催化劑的作用下，生成比丙烯多一個(gè)碳原子的醛的反應(yīng)過(guò)程［1］。

某項(xiàng)目丁辛醇裝置中兩臺(tái)串聯(lián)的羰基合成反應(yīng)器及其相關(guān)設(shè)備主流程如圖1所示。丙烯和催化劑溶液以及循環(huán)催化劑一起進(jìn)入1號(hào)羰基合成反應(yīng)器（R 101），大部分的合成氣通過(guò)氣提塔進(jìn)入1號(hào)羰基合成反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌器進(jìn)行攪拌，其余小部分合成氣則是直接去往2號(hào)羰基合成反應(yīng)器（R 102）。相關(guān)的冷卻器和泵用來(lái)冷卻催化劑溶液。同時(shí)，2號(hào)羰基合成反應(yīng)器內(nèi)的盤(pán)管用來(lái)循環(huán)冷卻后的催化劑。

圖1 兩臺(tái)羰基合成反應(yīng)器流程Fig.1 The process diagram of two OXO reactors

1.2 催化劑的制備和收集

在羰基合成反應(yīng)過(guò)程中，催化劑的制備和收集再生也是起著至關(guān)重要的作用。該項(xiàng)目在催化劑裝卸區(qū)，設(shè)置催化劑料斗和混合槽，使用無(wú)鐵丁醛在混合槽中溶解被倒入的固體催化劑，借助混合槽中攪拌器的作用加快溶解，而后將制備好的催化劑溶液用泵送入羰基合成反應(yīng)器中。在反應(yīng)過(guò)程中，催化劑溶液的活性會(huì)隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)而降低，并且需要回收。

2 羰基合成反應(yīng)器的設(shè)備布置

2.1 設(shè)備支耳及層高設(shè)置

該項(xiàng)目中的兩臺(tái)羰基合成反應(yīng)器（R 101，R 102）均布置在框架內(nèi)，該框架中還有與其相關(guān)的高低壓蒸發(fā)器（E 108，E 111）和穩(wěn)定塔（V 111），如圖2所示。由于兩臺(tái)反應(yīng)器底部出口均有較多的閥組，而且還有要求與底部管口距離最短的大尺寸的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，因此，考慮將這兩臺(tái)反應(yīng)器設(shè)置為耳架形式支撐較為合理，以留出下封頭底部更多的空間來(lái)設(shè)置閥組，在滿(mǎn)足工藝要求的前提下方便操作?？蚣軆?nèi)設(shè)備較多，既要考慮工藝高度要求，又要考慮框架的整齊美觀，因此想要把所有設(shè)備的支撐設(shè)置在同一層高是非常有難度的。 兩臺(tái)反應(yīng)器內(nèi)部都設(shè)置有攪拌器（A 101，A 102），運(yùn)行起來(lái)振動(dòng)較大，所以，把兩臺(tái)反應(yīng)器的支耳設(shè)置在設(shè)備的中上部較為合理，這樣做有利于設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。但最終，由于其它設(shè)備支耳設(shè)置及配管的諸多原因，最終把這兩臺(tái)反應(yīng)器的支撐層高單獨(dú)考慮，使得框架有了錯(cuò)層，通過(guò)設(shè)置斜梯使其互通。

圖2 羰基合成反應(yīng)器框架立面Fig.2 The elevation view of OXO reactors structure

2.2 設(shè)備的吊裝及檢修

2.2.1 攪拌器的吊裝

前面提到，兩臺(tái)反應(yīng)器內(nèi)部均設(shè)攪拌器，因此，對(duì)于攪拌器是否有足夠的吊裝空間，也是在做設(shè)備布置時(shí)不得不考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)于內(nèi)部裝有攪拌或輸送機(jī)械的反應(yīng)器，應(yīng)在頂部或側(cè)面留出攪拌或輸送機(jī)械的軸和電機(jī)的拆卸、起吊等檢修所需的空間和場(chǎng)地［2］。

首先，該項(xiàng)目中攪拌器是帶長(zhǎng)攪拌桿的，長(zhǎng)度基本和反應(yīng)器內(nèi)部長(zhǎng)度相當(dāng)，圖2中所示反應(yīng)器頂部的抽芯即為攪拌器的抽芯范圍。在做設(shè)備吊裝布置時(shí)，一般有兩種吊裝形式：一種是設(shè)備頂部設(shè)電動(dòng)葫蘆或手動(dòng)葫蘆進(jìn)行吊裝拆卸，這就需要頂部范圍內(nèi)設(shè)置橫梁。另一種則是汽車(chē)吊車(chē)停在反應(yīng)框架旁邊檢修區(qū)直接吊裝，這種大多是針對(duì)吊起的物體較大較重時(shí)使用。該項(xiàng)目中的攪拌桿很長(zhǎng)，因此必須采取第二種情況，采用汽車(chē)吊車(chē)吊裝。所以，在做設(shè)備布置時(shí)，需要確保兩臺(tái)反應(yīng)器所在的框架位于馬路旁邊，即緊靠消防/檢修通道，并且吊裝過(guò)程范圍內(nèi)無(wú)較大物體阻攔，如圖3所示。

反應(yīng)器頂部有較大尺寸的安全閥組，為不影響攪拌器的吊裝，把安全閥平臺(tái)（22.5 m）設(shè)置在遠(yuǎn)離檢修通道的一側(cè)，即靠近裝置的主管廊，這樣做同時(shí)也有利于安全閥出口管道接入管廊中的火炬總管。該框架的樓梯間所至高度即為反應(yīng)器框架頂層高度（19 m），也不會(huì)占用吊裝空間，綜上考慮，此布置較為合理。

圖3 羰基合成反應(yīng)器框架平面布置Fig.3 Layout of OXO reactors structure

2.2.2 攪拌器電機(jī)的檢修

大部分動(dòng)設(shè)備，如泵，都安裝在地面，檢維修非常方便。但是攪拌器這類(lèi)動(dòng)設(shè)備通常都安裝在框架上，常安裝在框架頂層，這就給檢維修帶來(lái)了很多不便，尤其是電機(jī)每日需巡檢和查看以及定期加潤(rùn)滑油，這就需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中給予充分考慮，為日后的現(xiàn)場(chǎng)操作工作帶來(lái)方便。

圖2中可以看到，兩臺(tái)攪拌器均支撐在反應(yīng)器頂部封頭上，高度距離平臺(tái)3 m左右，顯然無(wú)法正常操作。但電機(jī)巡檢又非常頻繁，因此需要為這兩臺(tái)攪拌器設(shè)置固定操作平臺(tái)，如圖4所示。這兩臺(tái)攪拌器距離較近，所以設(shè)置了一個(gè)聯(lián)合平臺(tái)，圍繞電機(jī)四周，同時(shí)借助于安全閥平臺(tái)，使得三層平臺(tái)通過(guò)斜梯互相連通。同時(shí)，攪拌器平臺(tái)低于電機(jī)，在設(shè)置平臺(tái)時(shí)應(yīng)留出攪拌器的安裝開(kāi)孔的范圍，所以，此做法也并不影響攪拌器本身的吊裝。

圖4 攪拌器平臺(tái)布置Fig.4 Layout of agitator platform

3 羰基合成反應(yīng)器的配管設(shè)計(jì)

3.1 反應(yīng)器（R 101）底部進(jìn)泵管道的設(shè)計(jì)

該反應(yīng)器（R 101）底部進(jìn)泵管道介質(zhì)含有催化劑，所以在滿(mǎn)足泵的配管設(shè)計(jì)的一般要求之外，還需滿(mǎn)足專(zhuān)利商對(duì)催化劑收集的要求，即兩臺(tái)泵入口的切斷閥須距離分支處最近，以防止運(yùn)行一臺(tái)泵時(shí)另一臺(tái)泵的切斷閥前聚集太多催化劑，減少催化劑的浪費(fèi)。這樣的要求就無(wú)形中給配管設(shè)計(jì)增加了新的難度，該項(xiàng)目中，從R 101底部進(jìn)泵管道總管為30 in（1 in=2.54 cm），分開(kāi)兩路后進(jìn)泵分別為24 in，管徑很大，溫度很高（設(shè)計(jì)溫度 220 ℃），應(yīng)力也就相對(duì)較大。配管設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）泵進(jìn)口管道的壓力降應(yīng)滿(mǎn)足工藝要求，且不存在“氣袋”［3］；

（2）泵的入口切斷閥通常布置在地面；

（3）根據(jù)工藝要求，AB兩臺(tái)泵的入口切斷閥還需靠近。綜合這三點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的管道應(yīng)該是在地面上鋪設(shè)很長(zhǎng)的兩段分別進(jìn)泵的管道，包括切斷閥及入口過(guò)濾器。但是這樣做既占地方，又擋通道，分支后進(jìn)泵管道太短，還有可能柔性不夠，因此這樣設(shè)計(jì)很不合理?？紤]如果把進(jìn)泵的兩個(gè)24 in的切斷閥放置于反應(yīng)器框架平臺(tái)上，在框架內(nèi)先分成兩路，然后再分別出框架進(jìn)泵，只需把過(guò)濾器放置在地面上，這樣做會(huì)減少很多地面空間的占用，既滿(mǎn)足了工藝要求，同時(shí)也有利于管道的柔性，如圖5所示。

3.2 反應(yīng)器（R 102）催化劑溶液循環(huán)管道的設(shè)計(jì)

在前面的工藝流程描述中提到，反應(yīng)器（R 102）內(nèi)部盤(pán)管的作用是用來(lái)循環(huán)經(jīng)冷卻后的催化劑溶液。專(zhuān)利商對(duì)這兩組進(jìn)出管道均做了對(duì)稱(chēng)布置的要求，希望每根分支管道長(zhǎng)度相等，壓降相同，以達(dá)到所有支路流量均衡的進(jìn)入反應(yīng)器的目的。溶液入口分別在反應(yīng)器的上、中、下部設(shè)了三組管口，每組兩個(gè)。同時(shí)，內(nèi)部盤(pán)管的結(jié)構(gòu)又決定了其中兩組管口朝向側(cè)面，另一組管口朝下布置，如圖6所示。

這樣看來(lái)，總管是分三個(gè)分支進(jìn)入反應(yīng)器的，而且還有一組管口的朝向與其它管口不同，在實(shí)際配管中，一方面，只有偶數(shù)個(gè)分支才能做到對(duì)稱(chēng)布置，奇數(shù)個(gè)分支無(wú)法完全做到對(duì)稱(chēng)布置，另一方面，根據(jù)這三組管口的方位，也無(wú)法做到管道對(duì)稱(chēng)?；谝陨厦?，最終設(shè)計(jì)了一組管徑較大的集合管，再由該集合管開(kāi)三個(gè)分支分別設(shè)置切斷閥，閥后再設(shè)置進(jìn)入管口的小集合管，每組管口數(shù)量為2個(gè)，在進(jìn)入管口時(shí)可做到對(duì)稱(chēng)布置進(jìn)入反應(yīng)器。對(duì)于底部那組分支，在設(shè)計(jì)上做到了管件數(shù)量完全相等且管道走向基本相同，以實(shí)現(xiàn)最大限度滿(mǎn)足壓降平衡的要求。此方案經(jīng)過(guò)專(zhuān)利商的研究，也得到了認(rèn)可，認(rèn)為在無(wú)法實(shí)現(xiàn)奇數(shù)分支進(jìn)行完全對(duì)稱(chēng)的情況下，采用這樣的方案設(shè)計(jì)管道進(jìn)入反應(yīng)器是可行的。

圖5 R101底部進(jìn)泵管道走向示意Fig.5 Pipe routing from R101 to P101 A/B

圖6 R 102催化劑溶液管道走向示意Fig.6 Routing of catalyst solution pipe

3.3 催化劑收集的管道設(shè)計(jì)

為了對(duì)反應(yīng)器管道系統(tǒng)中的催化劑進(jìn)行收集，在所有含催化劑的管道低點(diǎn)處都設(shè)置了放凈管接入催化劑總管，因此，這根總管就不得不設(shè)置于地面標(biāo)高之下，即管溝敷設(shè)。使管系中的催化劑都能自流入該總管。同時(shí)，在總管的末端設(shè)置氮?dú)夂投∪┻M(jìn)行吹掃，把這些收集起來(lái)的催化劑吹掃入位于中間罐區(qū)的催化劑儲(chǔ)罐，以達(dá)到催化劑的再生利用。

4 反應(yīng)器管道支吊架的設(shè)置

由于兩臺(tái)羰基合成反應(yīng)器的支撐形式均為支耳支撐，因此，在設(shè)置管道支吊架時(shí)，需要特別注意反應(yīng)器的熱脹所導(dǎo)致的問(wèn)題。熱脹分為兩種情況：①反應(yīng)器耳架以上部分的熱脹是向上的，因此，這部分的管道如果把支架置于距離反應(yīng)器本身太近的話(huà)，就有可能會(huì)使該支架脫空，起不到支撐作用。尤其是頂部安全閥的入口管道，不能在管口出來(lái)附近就立刻設(shè)置支架，最好隔一段距離，管道有了這段柔性補(bǔ)償后，再做支架，這樣就起到了能實(shí)際支撐的作用；②反應(yīng)器耳架以下部分的熱脹是向下的，因此，對(duì)于底部出來(lái)的管道的支架設(shè)置要格外小心，如果這部分管道在管口出來(lái)的附近就設(shè)置承重支架，一定會(huì)被反應(yīng)器的熱脹壓下來(lái)，從而使管道和支架損壞，后果非常嚴(yán)重。

例如，R 102反應(yīng)器底部?jī)蓚€(gè)出口的管道，如圖7所示，均為6 in，管徑不大，但是要求距離管口最近處安裝的兩個(gè)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)非常大而且很重，如果管口出來(lái)第一個(gè)彎頭處不做支架，而是把第一個(gè)承重支架做到閥后彎頭處的話(huà)，那么閥前單靠設(shè)備管口承載氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥一半的重量是不夠的，長(zhǎng)久以來(lái)也容易造成管口和管道損壞。因此，在底部管口出來(lái)的第一個(gè)彎頭處設(shè)置彈簧支架，這是非常必要的，既能起到承重的作用，又能吸收設(shè)備熱脹時(shí)對(duì)于管道產(chǎn)生的向下的位移，同時(shí)，閥后彎頭處仍需設(shè)置承重支架，以保證管道和閥門(mén)的穩(wěn)定。

圖7 R 102底部管道支架設(shè)置示意Fig.7 Piping support at the bottom of R 102

同理，反應(yīng)器中部支撐在附近平臺(tái)上的其它管道也應(yīng)該按照以上兩種情況考慮支架的合理設(shè)置。除此之外，如果支架是附在反應(yīng)器本身支撐的，那么該支架就會(huì)隨設(shè)備本體的熱脹而產(chǎn)生位移，因此，在一般情況下不存在支架脫空或管道被損壞的可能性。

5 結(jié)論

綜上所述，在進(jìn)行羰基合成反應(yīng)器的設(shè)備布置和配管設(shè)計(jì)過(guò)程中，各設(shè)計(jì)要點(diǎn)需考慮全面。該類(lèi)型設(shè)備有其自身特點(diǎn)，工藝、操作和檢修的部分相當(dāng)重要，管道設(shè)計(jì)也有一定難度。因此，在充分理解了工藝原理的前提下，結(jié)合設(shè)備布置和管道設(shè)計(jì)規(guī)范，以及專(zhuān)利商的特殊要求，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行多方面綜合研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備及配管布置的安全、合理。

［1］薛宏慶.丁辛醇裝置羰基合成工藝技術(shù)的分析［J］.煉油技術(shù)與工程，2006.

［2］SH 3011—2011石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SH 3012—2011石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Piping Layout and Arrangement of Hydroxyl Reactor

Liu Qi
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

With two Hydroxyl reactors used in OXO plant as investigation objectives，it was stated from three aspects of process，equipment arrangement and piping design to meet the requirements of proper equipment layout，convenient operation and optimum design.

hydroxyl reactor； arrangement； pipeline layout； support

TQ 22

A

2095-817X（2016）04-0021-004

2016-05-09

劉琪（1982—），女，工程師，主要從事石化項(xiàng)目的設(shè)備布置和配管設(shè)計(jì)工作。