催化干气制乙苯装置反应系统管道设计

王 向 存

（中石化洛阳工程有限公司， 河南 洛阳 471003）

在我国，乙苯作为一种工业原料，其消费量逐年递增，且对外依存度高。而催化干气量超过 550万t/a，其中含15%～20%的乙烯，主要作为燃料，造成严重的资源浪费[1]。利用催化干气中的乙烯与苯反应制乙苯工艺，由于其原料来源广泛，加工工序简单，转化率高，产品成本低而倍受关注。以烷基化反应器和烷基转移反应器为主的反应系统是催化干气制乙苯装置的核心，该系统的管道设计直接影响装置的正常运行。本文以广州分公司 8万 t/a催化干气制乙苯装置和长岭分公司12万t/a催化干气制乙苯装置为例，简单介绍反应系统管道设计应注意的问题。

1 工艺过程和反应机理

1.1 工艺过程

催化产生的干气经脱丙烯系统进入烷基化反应器与过量的苯在温度 430 ℃，压力0.8 MPa进行反应，生成乙苯及二乙苯、丙苯、二甲苯、多烷基苯等。二乙苯经二乙苯塔顶脱出进入烷基转移反应器与过量的苯在温度245 ℃，压力3.2 MPa进行反应，反应产物经五塔分离后丙苯、多烷基苯作为副产物出装置[2]。

1.2 烷基化和烷基转移的反应机理[3]

1.2.1 苯烷基化生成乙苯和多乙苯

在烷基化反应器中，沸石催化剂上存在 Lewis酸中心，可以吸附干气中的乙烯分子，生成正碳离子L- CH2CH2＋，再与苯进行加成反应生成乙苯。乙苯可以进一步烷基化生成多乙苯等。

1.2.2 多乙苯烷基转移

在烷基转移反应器中，在沸石催化剂上同样存在 Lewis 酸中心，吸附多乙苯分子生成正碳离子，发生烷基转移反应生成乙苯，并达到稳态浓度。

2 反应构架各层高的确定和构架平台对土建梁的要求

2.1 反应构架各层高确定

构架底层标高的确定主要与反应产物出口高度和弹簧支架高度有关。反应产物出口管道（DN600）换热器管口（约EL+3 500）接弯头相连，管口中心标高需EL+4 500以上；管道上设恒力弹簧，管底与平台高差应满足弹簧支架高度（约600 mm）要求；故底层标高一般取EL+4 000。

顶层平台梁底标高应满足不同工况下反应器轴向热位移要求，防止反应器顶部与梁底相撞。反应器轴向热位移的计算[4]：

式中：∆t ——轴向热位移；

L ——固定点到反应器顶端长度；

et——单位线膨胀量。

中间层标高要满足人孔、卸料口，仪表开口及通道的要求。由于反应器床层层高较低，每个床层内有催化干气入口、冷苯入口、人孔、催化剂卸出口和热电偶口，这些管口布置紧凑，给层高的确定带来一定难度。

与以往不同（6个人孔和5个卸料孔主要布置在构架中间每层平台正上方，距离平台较高，需在人孔下方局部设活动平台，占用空间较大）；长岭和广石化乙苯装置采用人孔和卸料孔主要布置在构架两侧面，侧面平台起到了楼梯通道和操作通道的双重作用，节省了大量的空间。

图1 广乙苯 构-3 EL+15200层北侧管道布置图Fig.1 Framework-3 EL+15200 layer north pipingdrawing of Guanzhou ethylbenzene

图2 广乙苯 构-3 EL+15200层南侧管道布置图Fig.2 Framework-3 EL+15200 layer south pipingdrawing of Guanzhou ethylbenzene

图3 长岭乙苯构-3 EL+11000层管道布置图Fig.3 Framework-3 EL+11000 layer pipingdrawing of Changling ethylbenzene

图1和2分别为广乙苯构-3 EL+15 200层北侧和南侧管道布置图。图1有两个热偶口、人孔、卸料口和冷苯入口，图2有催化干气入口和下一床层的两个热偶口。由于正常工况下设备向上热涨，平台向上抬碰热偶口；向下降卸料口和催化干气入口与土建梁撞。图3为长岭乙苯构-3 EL+11 000层管道布置图。图3可看到，一对热偶口布置在平台上下，上接口距平台150 mm，下接口距平台350 mm。这主要考虑到装置运行期间设备热涨和平台布梁。

2.2 构架平台对土建梁的一些要求

（1）烷基转移反应器从顶层斜45 ℃装催化剂，这就要求土建梁躲开装料口布置，平台和装料口交叉处做成活动板。建议土建梁与装料口平行布置。

（2）反应器人孔本体上方带有连接孔盖的连接件，平台上设备按正常大小开洞，该连接件与土建梁碰撞；开洞增大易踩空。建议断开人孔处梁，自下层平台立钢管焊在梁断开处作支撑。催化干气入口和冷苯入口外伸长，与平台梁易碰撞，建议采用相同措施。

3 主要管道设计中应注意问题

烷基化反应器管道主要由催化干气入口、冷苯入口、产物出口和循环苯入口管道组成。

从设备管口到管子第一道阀部分，材质应按照设备和管道工况中的最苛刻条件进行选择，当设备条件更为苛刻时，在阀前后划分管道等级分界。对催化干气入口和冷苯入口管道，第一道阀采用20#，盲板和第二道阀采用15CrMo；

催化干气入口管道沿设备外壁布置，建议在竖管上增加一对法兰意方便设备内件检修;

冷苯入口管道考虑应力分析通常在管口处设置向上的∏弯或水平直管段降低管道应力；

产物出口管道管径大，阀门手轮长，水平放置空间不允许，建议竖直安装，在上层平台开洞操作；自加热炉来的循环苯入口管道，与低压氮、高压氮、电加热器升温后的氮、经安全阀去放空、直接去火炬线以及与冷苯跨线多个管线相连，每个管线上均有切断阀；顶层还布置有电加热器，空间非常有限，建议以循环苯入口管道为主，其它管道与主管道平行布置。循环苯管道考虑应力分析，靠近设备处设弯头以增加管道柔性。

烷基转移反应器进口管道采用与循环苯入口管道相同的方法，出口管道在EL+4 000层平台下加∏弯以降低管道应力，催化剂吊装至各催化剂入口，在构架一侧留吊装通道。

4 支吊架的设置

5 结 论

与塔管道支架（支架、管道和塔体同时热涨）设置不同，反应区管道支架放在构架上，管道热涨时，构架无热位移。工艺主管道温度高，沿反应器轴向热位移大，且低压常温小管道也因与工艺主管道相连被抬起，使用应力分析CAESARII 软件进行应力计算，弹簧支架高达百个。

建议布置管道时考虑弹簧支架尽量设置在同一轴线上，管道既美观又方便土建布梁；

小荷载大位移弹簧可要求弹簧厂家做特殊设计；

在构架外的竖管上安装弹簧时，建议采用外悬臂生根在构架梁上，管道上焊支耳，弹簧放悬臂上支撑管道支耳。

催化干气制乙苯装置中，管道设计在符合不同工艺条件的同时，考虑管道的材质、应力分析、支吊架设置和操作检修等，不断优化设计, 使配管安全可靠、经济合理、整齐美观。

［1］朱方明. 催化干气制乙苯技术研究［J］. 科技创新导报, 2011，23：8.

［2］刘震. 催化干气制乙苯工艺的进展［J］. 科技论坛, 2012, 55.

［3］李建伟, 等. 催化干气制乙苯第三代技术的工业应用［J］. 化工进展, 2010, 29（9）：1790-1795.

［4］ 石油化工装置工艺管道安装设计手册，第一篇，设计与计算［M］.3版. 中国石化出版社.