CO变换工序设备及管道布置特点研究

袁锦瑞

(中国五环工程有限公司，湖北　武汉　430223)



CO变换工序设备及管道布置特点研究

袁锦瑞

(中国五环工程有限公司，湖北武汉430223)

以河南某煤制醋酸项目的CO变换装置为例，对CO变换工序的工艺流程及工序特点做了简要介绍，并在详细了解工艺流程特点及现场制约的基础上，对装置的设备布置做了合理设计；根据设备布置特点及工艺要求，对工序内的重要管道、公用物料站的布置进行了分析，并就如何合理的设置管架这一问题进行阐发，探讨了设计时的注意事项。

CO变换；设备布置；管道布置；管架设计

CO变换是以煤为原料制备化工产品流程中的重要工序流程，其功能是调节粗煤气组份中的碳氢比例[1]。当前煤化工在我国经济发展中占有较大比例，诸多煤制甲醇、煤制乙二醇、煤制醋酸等工厂先后在国内各地投产并获利，为促进经济的快速发展作出了贡献。

CO变换装置内高温高压管道较多，对设备、管道布置要求严格；在CO变换装置内，科学合理的设备、管道布置不仅是实现工艺过程的关键，也是确保系统运转平稳、生产操作安全的重要保障。根据不同的工艺流程及现场条件限制，CO变换可采取的设备、管道布置也多种多样；本文根据河南某煤制醋酸项目的CO变换工序，简要探讨CO变换的设备及管道布置特点；

1　CO变换工艺特点及简介

1.1CO变换工艺流程简介

本项目采用耐硫宽温变换工艺，工序主要由四个部分组成，分别为粗煤气提纯、变换工段，余热回收工段及催化剂激活工段；其中，粗煤气提纯、变换工段为CO变换工序的核心，包括原料气分离器、变换炉等核心设备；余热回收工段的主要作用是回收变换系统产生的热量，用以加热原料气、锅炉水及产生中压及低压蒸汽以回收热能；催化剂激活工段的功能是在开工阶段利用高温氮气及二硫化碳对变换炉的催化剂进行激活，主要设备包括CS2储槽、开工加热器及氮气鼓风机等。

CO变换工序的简要流程为：从气化工序产生的粗煤气经净化加压后进入变换工序；粗煤气在工序中首先进行过滤分离去除灰份及水份，然后进入低压废热锅炉回收热量；降温后的粗煤气进入1#、2#煤气分离器继续除液，然后进入第一变换炉发生反应。反应后的变换气经预热器降温后进入淬冷过滤器进一步降温除水，然后进入第二变换炉继续发生反应。反应完毕后变换气进入废热锅炉及除盐水预热器回收热量，变换气降温后进入分离器进行分离除液然后进入下一工序。其工艺流程方框图见图1。

图1　耐硫宽温变换工艺流程方框图

1.2CO变换工艺特点

(1)工序内内高温管道多；高温管道包括主工艺管道(特别是变换炉出口管道温度高达450 ℃)，催化剂升温活化管道及蒸汽管道；

(2)无袋型要求多；主工艺管线(粗煤气管、变换气管)内含有较多的水蒸汽，在经过热量回收设备(废热锅炉、预热器等)后将产生较多的冷凝液，管内冷凝液的产生不仅对管道本身产生腐蚀，严重情况下还会形成水锤,引起管道的震动，造成破坏。所以可能产生冷凝液的管道在配管时一定要遵循“步步低”的要求进行管道布置。

2　CO工序设备布置

2.1装置的防火等级确定

根据《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-2008)[2]，水煤气属于乙类可燃气体，CS2属于甲B类可燃液体，本装置火灾危险等级为甲级。

2.2设备布置要求

CO变换装置设备布置除遵循法规及强制性标准规范及相关标准规范的要求外，还应满足工艺专业的特殊要求，并遵守如下基本原则[3]：

(1) 根据业主要求及现场制约进行布置；

(2) 满足设备的安装、操作、检修要求；

(3) 力求经济合理，注意布置的外观管美；

(4) 满足“露天化、流程化、集中化、定型化”的要求。

2.3设备布置简介

根据工艺流程特点及实际场地制约，设备采取露天地面联合混凝土框架的布置方案。工序内设置3层混凝土框架一个，层高分别为EL0.000、EL7.000及EL12.000，余热回收及过滤装置布置于框架内；反应装置、开工加热装置采用露天布置，其中原料气分离器、过滤器放置于框架东侧，变换炉、煤气预热器、开工加热装置布置于框架西侧。变换工序北侧为装置内管廊，联通其他工区，南侧为厂区道路，方便设备的日常维护及检修。设备布置方案见图2～图4。

图2　EL0.000层面布置

图3　EL7.500层面布置

图4　EL14.000层面布置

如图2～图4所示：煤气分离器、变换气分离器布置于EL0.000平面，方便设备检修及填料更换。脱盐水预热器、高压蒸汽减温减压装置布置于EL7.000平面，方便设备吊装及抽芯检查。废热锅炉、变换气水冷器布置于框架顶层(EL14.000平面)，方便设置安全阀、放空蒸汽消声器等大型管道附件，同时也方便管道的无袋型设置。第一、第二变换塔并排布置在框架与催化剂活化设备之间，串联两个工段；氮气鼓风机、二硫化碳储槽等就近布置在变换塔的西侧，整个布置紧凑美观，空间利用率极大。

3　CO变换管道布置特点

3.1CO变换工序管道特性

(1) 根据《压力管道安全技术监察规范》(TSG D0001-2009)[4]，工序内主工艺管道、催化剂活化管道皆为GC1类管道，由于管内介质温度、压力高，对管到的焊接、安装有较高要求。

(2) 装置内主要物料管线多采用大口径、大壁厚的铬钼合金钢管道，温度膨胀系数较大，对管系柔性有较高要求。

(3) 管系多采用弹簧支架，对管道净距要求较大。

(4) 来自于气化工序的水煤气管道内含较多杂质，故很多管线要求设置坡度，配管时应按照P&ID要求设置坡度。

3.2管道布置原则

(1) 管道布置首先要满足P&ID的要求；并应符合现行法律、法规、标准、规范的要求。

(2) 布置管道时要留有足够的通行空间，要预留阀门、仪表等的操作、检修空间，并不得阻碍逃生通道；

(3) 管道宜集中成排布置于管廊或地面架空层，并应靠近柱子或梁，以便于设置支架；

(4) 在满足应力要求的前提下，应保证管道尽量短，组成件最少，以节约投资；

(5) 管道应尽量做到步步低或步步高，减少气袋、液袋，无法避免时，应增加放空、导淋；

(6) 框架内布置管道时要做到空间层次感分明，首先确定大口径管道及主要工艺管线的走向，然后确定小口径管线及公用物料管线的走向。

(7) 根据实际布置，设置软管站、公用物料站等辅助设施，方便装置的检修及开车；

对于本装置，装置内管道压力大、温度高、保温层较厚，所用管架弹簧支架较多；布置管道时要计算好管道的空间需求，避免出现管架无法安装、保温层打架的情形；对于框架内的管道，应按照P&ID要求进行无袋型布置，管道靠近梁、柱，并充分利用框架内的高度分层、分类的布置管道；对于地面上的管道，除有特殊要求外，最好集中架空敷设，统一设置支架及阀门的操作、检修平台，不宜对操作人员的通行造成阻碍；

4　支架设置

管道支架是装置内管系得以正常运行的保障，如何正确合理的设置管架是每个合格的管道工程是必须掌握的基本知识。管架大体可分为承重性、限制性、减振性三类支架。就变化装置来说，涉及到的主要为承重架及限制性支架，在设置管架时，要注意如下事项：

(1) 管架的生根；在混凝土框架内，管架经常采用的生根方法有：预留管墩(地面)、预埋钢板或型钢(梁、柱及楼板)、采用膨胀螺栓及采用环抱形构件连接支架与结构等。由结构专业按照管道专业提出的条件设置预埋件是最为稳妥可靠的支架生根方式。膨胀螺栓及抱柱式结构可以作为预埋件遗漏后的补充，但也需要结构专业的校核。对于遗漏的大载荷支架，需由结构专业计算后方能设置。

(2) 管道支架位置的确定；管道设计人员在布置管道时应同时考虑支架位置及支架设置的可能性、合理性及经济性。对于非应力管线，管架位置可以根据管道的最大跨度间距[5]及框架内有利的支架生根位置确定。对于应力管线，应严格按照应力计算结果设置支架并保证支架形式符合计算要求。一般来说，经常设置管架的位置包括：允许跨距内的水平及垂直直管段、垂直布置的弯头下方、大型阀门等集中载荷附近、敏感设备管口附近等。管架不宜设置在阀门、膨胀节等管道组成件上，设置管架时也应避免管道上原有焊缝的影响。

(3) 特殊管架的设置；特殊支架是相对标准支架进行定义的，所谓标准支架是指标准HG/T 21629中包括的支架。管道系统内大部分支撑功能可由标准HG/T 21629中选取标准支架进行组合得到。但也有一些功能复杂或依托现有结构无法实现支撑的支架需要管道设计人员进行专门设计，例如，系统内某根水煤气管道直连煤气分离器管口，由于该设备管口应力要求严格，经计算后需在管口附近设置弹簧承重架及导向架；设置支架位置如图5所示；设计人员根据管子走向及现场实际情况，设计如图6管架，很好的满足了支撑要求。

图5　特殊支架位置

图6　特殊支架图

5　结　论

CO变换装置内设备、管道的温度压力较高，工艺要求也较多，对负责设备及管道布置的设计人员有较高要求；本文根据CO变换单元的工艺特点及装置的防火等级，结合项目实际情况，简要探讨了装置内设备及管道布置时应注意的事项，并对装置内管架的设立位置、设置方法进行了总结，可作为相关人员设计CO变换装置时的参考，对其他高温、高压设备及管道的布置也有一定的借鉴作用。

[1]张建宇,吕待清. 一氧化碳变换工艺分析[J].化肥工业,2000,27(5):26-32.

[2]李苏秦,胡晨,董继军. 石油化工企业设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2009:75-76.

[3]宋岢岢.压力管道设计及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2011:160-164.

[4]GB/T20801.1-2006 压力管道规范-工业管道[S].北京:中国国家标准化管理委员会,2007.

[5]周国庆,辛田.化工工艺设计手册(下册)[M].北京:化学工业出版社,2009:149-156.

Study on Equipment and Piping Layout about CO Shift Conversion

YUAN Jin-rui

(China Wuhuan Chemical Engineering Corporation, Hubei Wuhan 430223, China)

According to CO shift conversion of a coal to acetic acid project in Henan, process flow and process character of CO shift unit were introduced. Based on its information and local limit, equipment layout was designed. According to requirements of equipment layout and process, the layout of key pipeline, pipe support and utilities station were discussed.

CO Shift conversion; equipment layout; piping arrangement; support design

TK264.9

B

1001-9677(2016)014-0159-03