乙烯裂解炉及其管道设计

2014-11-14高巍

当代化工 2014年2期

高巍

（惠生工程（中国）有限公司，北京 100102）

乙烯是最基本的化工原料之一，对我国经济发展起到重要的支撑作用[1]。自1988年至1993年间，世界乙烯年产量由5 450万t增加到7 100万t，2001年乙烯生产能力为10 059.9万t，2008年乙烯生产能已达到12 670万t。截止2010年，我国的乙烯生产企业已有24家，生产装置27套，合计产能为1 496万t/a[2]。预计到2015年，我国的乙烯产能将达到2 700万t/a。目前，世界上乙烯装置的经济规模为90～100万t/a，最大规模为约130万t/a，乙烯装置正向着大型化、规模化的方向发展。笔者结合以往工程设计的实践经验，简要介绍了几种乙烯裂解炉的型式与特点，并就乙烯装置裂解炉区管道及其管架设计谈了自己的思路方法，对裂解炉区重要管系的设计进行了分析和说明。

1 乙烯裂解炉的型式与特点

国际上著名的乙烯专利技术公司包括：Lummus公司、S&W公司、TPL/KTI公司、Lind公司、KBR公司等，其生产技术都是成熟可靠的，但在技术细节上是有差别的[3]。

1.1 SRT型裂解炉

SRT型炉由鲁姆斯公司开发，该公司的烯烃装置设计经验已有50多年的历史[4]。如今SRT型炉已发展到SRT-Ⅵ型。炉管构型由SRT-Ⅰ、SRT-Ⅱ、SRT-Ⅲ、SRT-Ⅳ型的多程管发展为SRT-Ⅴ、SRT-Ⅵ的二程炉管。SRT型裂解炉通常为一个对流段配置一个辐射段。对流段布置在辐射段上部的一侧，对流段顶部设置引风机和烟囱。辐射段顶部设置急冷锅炉。通常采用一级急冷。

若裂解轻质原料，采用一次注汽，稀释蒸汽不经过过热；若裂解重质原料，采用二次注汽，第二次注汽所用稀释蒸汽需经过过热。

1.2 USC型裂解炉

USC型炉由斯特-韦伯斯特公司开发。炉管构型有M型、W型和U型。通常液体进料采用U型，气体进料采用M型。

对于年产量为30～60 kt的USC型裂解炉，通常由一个辐射段和一个对流段构成。对流段布置在辐射段上部的一侧。对于年产量为60～100 kt的USC型裂解炉，通常采用两个辐射段共用一个对流段的布置方案。辐射段顶部设置USX型急冷锅炉，裂解气汇总后进入一台二级急冷锅炉。近期，已采用双程套管式急冷锅炉（SLE），将两级急冷锅炉合并为一级U型SLE急冷锅炉或线性SLE急冷锅炉。若裂解轻质原料，则采用一次注汽，稀释蒸汽需经过过热；若裂解重质原料，采用二次注汽，且两次注汽所用稀释蒸汽都需经过过热。

1.3 Pyrocrack型裂解炉

此型炉由林德公司开发，炉管构型有pyrocrack 4-2、pyrocrack 2-2及 pyrocrack 1-1。通常，Pyrocrack型炉由一个对流段和两个辐射段组成，根据不同的炉管构型采用一级或二级急冷方式。

若为气体进料，常采用 pyrocrack 4-2型或pyrocrack 2-2型炉管。若为液体进料，常采用pyrocrack 1-1型炉管，并采用一级急冷或二级急冷方式；若裂解重质原料且采用二次注汽，则两次注汽所用的稀释蒸汽都需经过过热。

1.4 SC型裂解炉

SC型炉由凯洛格、埃克森、布朗路特公司共同开发。SC型裂解炉通常由一个辐射段和一个对流段组成。炉管构型有SC-1、SC-2、SC-4型。SC-1炉管为单程小口径直管，原料由裂解炉底部进入辐射段炉管。对于SC-2型和SC-4型炉管，原料由裂解炉顶部进入辐射段炉管。

若为气体进料，采用三级急冷方式。第三级急冷锅炉用于预热裂解原料；若为轻质液体进料，则采用二级急冷方式；若裂解重质原料，常采用一级急冷方式。近期对裂解各种原料，均采用线性急冷锅炉。

1.5 CBL炉

CBL炉由中国石化工程建设公司、北京化工研究院和兰州化工机械研究院共同开发。通常由一个辐射段和一个对流段组成。炉型由CBL-Ⅰ已发展到CBL-Ⅴ型[5]，原料可适用于乙烷、石脑油、轻质柴油以及加氢尾油等[6]。其早期采用二级急冷、二级注汽技术。

急冷锅炉通常布置在辐射段的顶部，也可布置在辐射段上方侧面。根据裂解原料轻重的程度，选用一级急冷或二级急冷的方式，注汽采用一次注汽或二次注汽的方式。

2 乙烯裂解炉的外形

乙烯裂解炉从结构上可分为单辐射室、双辐射室结构，其外形如图1、2所示。

3 乙烯裂解炉的管道设计

3.1 管道布置的原则

（1）乙烯裂解炉的管道布置应符合SH3012等相关规定。

（2）对进出物料的管道应统筹规划，做到安全可靠、整齐美观。

图1 单辐射室结构Fig.1 Single radiat section

图2 双辐射室结构Fig.2 Double radiat section

（3）对于贵金属管道，在保证管道柔性及管道对乙烯裂解炉管口、急冷锅炉管口的作用力和力矩不超出许用值的情况下，应尽量减少管道长度。

（4）管道布置不应妨碍急冷锅炉的安装和检修。全可靠、整齐美观。

（5）对乙烯裂解炉框架上的管道布置，应考虑管道的支承和柔性，宜利用管道的自然形状达到自行补偿。

3.2 管道设计的特点

裂解炉区的管道以高温、高压管道为主，这部分管道是裂解炉区乃至整个乙烯装置的重要管系。在工程设计中，该管系的设计不仅关系到裂解炉区相关设备及其他管道布置的优化，更直接影响着乙烯装置安全、稳定、长期地运行。

裂解炉区重要的高温高压管系包括横跨管、上升及下降管、裂解气管道及烧焦气管道、超高压蒸汽管道等。裂解炉的横跨管是指裂解炉中连接对流段炉管与辐射段炉管之间的高温管线，通常设计温度约700 ℃[7]。上升管是指急冷锅炉与汽包之间输送汽水混合物的管道，下降管是指汽包与急冷锅炉之间输送锅炉给水的管道，其设计温度约350 ℃，设计压力约13 MPa。超高压蒸汽管道的设计温度约540 ℃，设计压力约13 MPa。因此，裂解炉是乙烯装置中高温及高压管道比较集中的单元，管道设计的特点就是温度高、压力高，从而对应力分析及其管架设计也有着较高的要求。

3.3 裂解气管道的设计

3.3.1 裂解气管道概述及其布置

裂解气是原料在裂解炉辐射段炉管内高温条件下，大量吸热，发生碳链断裂或脱氢反应生成的，是富含乙烯、丙烯等烃类的裂解产物[8]。裂解气管道是指裂解炉急冷锅炉出口至汽油分馏塔之间的管系，其设计温度因所裂解的原料类型和设备运行周期的不同而有所差异。一般情况下，裂解炉成排布置在主通道旁，炉前区管廊与裂解炉平行布置。裂解气总管通常分为两支对称布置在炉前区管廊平台上，而每台裂解炉支管顺流向方向斜插入集合管内。这样布置，既减小了裂解气集合管端头的压降，也便于每台炉支管的布置及裂解气大阀的安装操作。由于裂解气管道内的介质带有粘性物质及焦粒，为了保证物料流动稳定，防止裂解气发生逆流和焦粒沉积在管道上，裂解气管道从急冷器出口至汽油分馏塔之间，应顺流向在水平段设有0.005～0.02的垂直向下的坡度。

根据工艺流程的不同，裂解气总管的急冷型式可分为前急冷和后急冷两种类型。前急冷是指急冷器设置在急冷锅炉出口，通常采用立式结构，由于急冷器布置在单台裂解炉上，急冷器后的管道设计温度较低，虽然管道热位移较小，但因为管内介质物流状态不稳定（为两相流），所以需要解决管道振动方面的问题。后急冷是指每根裂解气总管上各有一个急冷器，且集中布置在汽油分馏塔前，这样就使得整个裂解气管道的设计温度较高，需要考虑应力方面的问题。

3.3.2 裂解气管道的管架设计

裂解气管道的工艺比较复杂，在应力计算时通常分为裂解气管系和清焦管系，并最终将两管系进行整体核算。因为裂解炉运行后期的操作温度较高，所以在裂解气系统管道进行柔性分析时，应以运行后期的操作温度作为计算温度，根据裂解气管道规格书的要求分工况进行柔性分析。为了保证裂解气大阀及清焦阀在多种工况下法兰端面处所受力和力矩符合制造厂的要求，宜在靠近阀门处设置管架，并在管道设计及施工过程中尽量做到阀门法兰处的冷态下无应力配管。

由于整个管系单位重量大，为了减小相关设备管口受力和因摩擦而产生的作用力，在管架设计时宜采用吊架和低摩擦支架（摩擦系数为0.1）。一般情况下，为了避免应力集中现象的出现，在裂解气管道上常采用鞍座型低摩擦架，这样不仅有利于管壁处的应力分布均匀，还能防止管道旋转，减少可能产生的弯曲应力和力矩。

3.3.3 需要注意的问题

在裂解气管道设计中，对于采用非线性急冷锅炉且管口为顶出时，应在管道上安装一对拆卸法兰。若采用喷嘴式急冷器，急冷器后的直管段长度和材料分界应符合工艺要求；若采用溢流式急冷器，则宜在急冷器与管道连接处做材料分界；急冷器与测温点间的距离应符合工艺的要求。

裂解气管道上的取样宜从水平管道顶部引出，其根部阀宜靠近裂解气管道设置。清焦管道从裂解气管道上的引出方式应符合工艺要求，宜从底部切线方向引出。而且，清焦阀宜靠近裂解气管道的引出点设置，引出点与裂解气阀门间应为最小间距。

除此之外，裂解气大阀和清焦阀都是宜结焦的地方，而且由于在长期的生产操作过程中裂解气大阀会存在不同程度的内漏现象，为了保证阀门的稳定运行以及整个装置的安全，防止裂解气在停炉时发生倒窜引起爆鸣，所以需要在任何时候都必须通防焦蒸汽。阀体上用于注入防焦蒸汽的限流孔板、止回阀和切断阀宜布置在阀体的上方。对于裂解气大阀，防焦蒸汽应设置在流向的下游侧；对于清焦阀，防焦蒸汽应设置在流向的上游侧。而且，蒸汽可以防止粘性物质及颗粒物渗入阀件内，破坏密封和划伤阀板，还能够在开启阀门时提高阀板活动座环的密封推力。