6 000 t/a SAPO催化剂项目设备布置及管道设计概论

胡爱新

（中国成达工程有限公司，成都）

1 工程概况

某6 000 t/a SAPO 催化剂项目是选用工厂与大学实验室联合研究开发的工艺包，是在工艺包不断完善的过程中开展的工程设计。项目最终安全顺利建成和投产，并创造了优异的经济价值，说明工艺包开发和工程设计是成功的。

该项目是在老厂预留地上新建项目，部分公用工程依托原有工厂公辅设施提供，项目主装置分为SAPO 分子筛和催化剂两部分，设有独立DCS 控制室、污水处理系统、原料和产品库房等，通过新建和部分原厂管廊改造连接各装置单元。

经过催化剂项目工艺流程的分析，以及老厂有限的预留地特点，我们把SAPO 分子筛和催化剂分成两个区域布置。

2 工艺物料特性

SAPO 分子筛装置主要原料有PA 溶液、有机胺、SB1 粉体、SA1/SA2 溶液、去离子水、回用液、回用有机胺等原料。其中SB1 粉体为固体，容易黏结，有机胺是易燃性介质。

催化剂装置原料主要有分子筛浆液、黏结剂A/ B、回用水，惰性基质等，惰性基质为固体，黏结剂反应后介质黏稠，容易结焦。

3 装置设备布置要求

分子筛和催化剂装置是两个生产方式不同的相对独立的单元，装置与装置之间，装置与辅助设施和原有生产管廊之间通过管廊连接，分子筛装置以大型高压晶化釜、过滤机为中心；催化剂装置则以大型喷雾干燥塔和焙烧炉为主。

根据GB 50160—2018《石油化工企业设计防火规范》[1]和GB 50016—2018《建筑设计防火规范》[2]有关条款规定，分子筛装置定义为甲类厂房，催化剂装置定义为丁类厂房。

3.1 SAPO分子筛装置布置要点

（1）分子筛装置分4 层布置，总高度22.9 m，占地面积720 m2，是带有屋顶的半敞开式钢结构厂房，厂房四周设置百叶窗。

选用带屋顶厂房，是为了避免顶层堆放物料区域和加料时受雨水影响而受潮。厂房选用半敞开式，四周用百叶窗封闭，并设置通风系统，是考虑在加料和检修操作过程中有物料粉尘飘散，通风系统和百叶窗有利于空气的流通，净化粉尘污染操作坏境。

厂房选用22.9 m 的高度，是由于该装置区是预留地，面积之小，布置设备之多，含预留设备有80多台。根据工艺流程、操作要求、以及微正负压的特点，设备多，需要垂直和紧凑性布置，厂房高度容易超出24 m 的高度范围。若高度超出24 m 范围，按GB 50016—2018《建筑设计防火规范》[2]2.1.1 条则定义为高层厂房，高层厂房的耐火等级提高到三级，各种安全措施相应提高，建设成本增加30%左右。因此，在考虑节省成本，又能满足布置和操作要求时，用布置在地面上的设备开始垂直叠加到最高层布置设备来推算厂房的高度：收集罐+中间罐+板框压滤机+晶化釜+配料釜+SB1 胶溶罐+各种计量槽+检修空间+配管空间＞24 m 厂房高度。经过多次计算，调整配管的直管段长度，优化管道空间设计，选择合适的检修空间，精算屋面梁和彩板高度，最后把厂房高度调整到小于24 m 范围内，既满足了规范要求，又节省了建设成本。

（2）考虑到顶层是固体粉尘原料加料区，粉尘密集，该楼层四周采用封闭式设置，墙面设计有轴流风机通风，有利于加快空气的流通，减轻室内空气污 染。

（3）根据介质有腐蚀性特点，有腐蚀区域设计成玻璃钢防腐蚀楼面层，集中考虑在操作区和有泄漏点区域，该项目重点考虑的是泵操作区域、加料区域、晶化釜区域。

（4）厂房内设置有防爆式垂直升降机从第1 层楼面直通到顶层，是基于固体原料运输到楼顶加料区域方便和快捷考虑，同时也便于操作人员的通行。

图1 分子筛装置晶化釜布置示意图（局部）Fig.1 Layout of crystallization kettle of molecular sieve device (partial)

（5）结合工艺原则、工厂操作和检修要求以及原料属性特点，加料区计量槽布置在厂房顶层，晶化釜、过滤机布置在中间层，下层布置收集罐和机泵；精馏脱胺塔、洗涤塔、大型原料储罐、回用液体储罐、导热油系统布置在厂房外围地面上。

选用垂直式紧凑性布置，是因为管道内介质是固体和液体混合物，在高温和微正负压输送环境下，容易结焦，容易堵塞管道。垂直和紧凑型布置，可以减少管道的弯头和直管段长度，减少管道设计过程中的“液袋”形成，提升介质自身重力流，易于管道在微正压情况的流通，而减少管道堵塞的现象[3]。

（6）考虑到设备检修需要，晶化釜上部空间设置有检修荷载为3 t 的电动葫芦，并留有合适的吊装检修空间。选用3 t 电动葫芦，是按照电机与搅拌器可拆卸时最大荷载考虑的，电机最大荷载2.3 t，搅拌器1.5 t，因此按最大检修件选择荷载后圆整为3 t。该楼层厂房高度选用8.5 m，也是按电机与搅拌器拆卸分离后，选用最长吊件能移出晶化釜平台时，来推算楼层高度的。平台高度（1.5 m）+最大被吊件长度（3.2 m）+楼底梁高+轨道到葫芦挂钩长度（2.0 m）+吊装提升空间（1.8 m）=可选楼层高。

（7）核心设备晶化釜成双排对称布置，每4 台设备为一组，设备挂耳挂在第3 层楼面，上封头盖在第3 层，下封头盖在第2 层，围绕晶化釜周围第3层楼面上设置有1.5 米高联合操作平台，设备上封头管口和阀门在平台上操作，设备下封头管口和阀门在第2 层楼面操作，既方便与设备操作也节省楼层空间。

3.2 催化剂装置布置要点

（1）催化剂装置分3 层布置，总高度20 m，占地面积750 m2，带有屋顶的半敞开式钢结构厂房。

（2）第3 层属于加料区，避免物料飘散，同样采用有通风系统的封闭式厂房。

（3）按工艺流程，加料区计量槽设备布置在顶层，依上而下，中间层依次布置混合釜、成胶釜，第1 层地面设置有中间夹层平台，黏结剂储罐、胶体中间罐、细粉罐支撑在1 楼平台上，对应的设备底部布置相关联的机泵和辅助设备。

（4）大型喷雾干燥塔是核心设备，从焙烧炉到加热器以及布袋除尘器等设备都是围绕喷雾干燥塔展开的。喷雾干燥塔布置在室内是基于设备操作方便和利用楼层支撑节省成本来考虑的。塔直径4.6 m，塔体长15 m，上下为锥体，支撑在第2 层楼面，分别贯穿第2 层和第3 层楼面，周围留有合适的操作平面和检修空间.

4 管道设计要求

由于工艺介质多属于粉体、浆液，并有一定的腐蚀性，高温，微正负压等特点，因此，管道内介质容易堵塞，黏结，在管道设计过程中，容易黏结和粉体介质的设备之间的水平管道，采用最短距离连接，不宜水平和“袋形”设计，减少管道自然补偿，通过应力计算后，采用膨胀节来吸收管道应力。粉体介质和浆料介质垂直管线，利用设备布置高度差，管线垂直设计，工艺介质自流，并采用大半径弯头或大于90°弯头连接，或斜插连接等方式，减少管道堵塞现象。

4.1 分子筛装置主工艺管道设计要点

（1）配料釜到晶化釜管线设计特点

配料釜出口到晶化釜入口的管线垂直设计，不应有“袋形”，依靠介质重力流体输送，同时要满足阀门在晶化釜操作平台上操作和检修的要求。

（2）晶化釜管线设计

晶化釜是立式设备，上封头管口设置有联合操作平台，用于设备检修和上部管线上的阀门操作。每4 台设备为一组，分2 排布置，总管线依托框架梁柱水平敷设在两边和中间，设备管口出来的管道垂直升高到总管高度汇入总管，支管上阀门靠近总管，既便于操作，又节省了空间，也整齐美观。设备下部总管线依托框架柱敷设在两排设备中间，阀门在下层楼面操作，就地液位计，就地温度计和压力表设计在便于观测位置。

这种管道设计特点，总管利用设备成排和对称布置走设备中间，缩短了支管到总管间距。支管上切断阀靠近总管最小间距设计，在停车后，支管阀门关闭，管内介质能溢流到晶化釜设备，解除了管道内介质集聚管道内的“死端”区，能解决支管内结焦和堵塞情况发生。

（3）泵的入口管线设计

搅拌槽设备到泵的入口管线采取最短距离连接，阀门的配对法兰与管件直接连接，减少直管段过度；这样设计避免泵入口管线过长，减少管道内浆液的沉积，管线底部配置大口径DN 50 导淋阀，用于疏通和排净浆液介质。

（4）放空管线设计

本装置放空管线按工艺流程要求引入安全放空高度排放。放空支管线接入放空总管，由总管引至高于分子筛厂房顶部3.5 m 以上排放，放空管线顶端配置有防雨罩，放空管线设置有阻火气系统。

4.2 催化剂装置主工艺管道设计特点

（1）分级机到焙烧炉管线设计

分级机出口到焙烧炉管线，设计温度400 ℃，工艺介质是催化剂，该管线设计时要考虑高温引起的应力，在微正负压工况下，介质细粉能畅通的输送到焙烧炉内。设计时分级机出口管道采用120°弯头垂直斜接于焙烧炉入口。这种配管特点，两管口连接时弯头最少，距离最短，既满足了管线内工艺介质不堵塞现象，又能通过管道自然补偿吸收了高温管道产生的应力。

（2）加热器管线设计

粉体物料在加热器内被天然气燃烧产生高温，在接入风机送风管线到加热器情况下，粉尘物料在风力的作用下输送入喷雾干燥塔。因此，加热器连接喷雾干燥塔管线口径大（DN 800），温度高（500 ℃），要求距离短。针对这些特点，在设备布置和管道设计时，加热器最小间距靠近喷雾干燥塔。取消水平段管道，水平段选用短半径弯头（1 DN）连接水平段膨胀节（1.8 m）直接接入喷雾干燥塔管口，管道以最短垂直+水平距离连接了两设备管口，这样设计既能满足温度应力的要求，又能满足工艺的需要。

（3）喷雾干燥塔环管线设计

中间胶体罐出来的浆液介质，通过高压泵打入均布在喷雾干燥塔上的6 个管口内进行喷雾造粒，要求进入每个管口的介质流量相近。针对这特点，在设计时该管线围绕喷雾干燥塔设计成环形，环管上6 根DN 50 支管通过金属软管与干燥塔上管口连接，这样设计达到了每个管口介质流量分配均匀，介质进入喷雾干燥塔造粒时成型均匀。

图3 分级机管道示意图Fig.3 Piping diagram of classifier

5 结束语

设计是不断完善和优化的过程，需要深刻理解工艺流程、工厂操作和检维修要求，设计时既满足规范要求，又能达到节省建设成本的目的。本文通过对关键设备布置要点比较分析，选用方案的论述和说明，对厂房高度进行推算，达到合理化布置的要求，以及管道设计过程中的特点说明，设计经验有助于总结和提高，在今后同类产品项目设计中具有借鉴意义，达到优化和提高设计的目的。