乙腈法丁二烯抽提装置塔器的设计

2022-07-15高峰

经济技术协作信息 2022年21期

◎高峰

丁二烯抽提装置为中国石化海南炼化100 万吨/年乙烯项目的主要配套生产装置之一，采用的是乙腈法丁二烯抽提工艺技术，原料来自于上游乙烯装置副产混合C4，以乙腈为溶剂，采用两级萃取精馏加两级普通精馏，连续生产聚合级1，3-丁二烯产品和抽余液副产品。产品1，3-丁二烯送至产品罐区，副产品抽余液去罐区或作为下游MTBE/丁烯-1 装置的原料。根据工艺流程，装置内共设置塔器12 台，其中第一/第二萃取精馏塔、汽提塔、抽余液水洗塔、丁二烯水洗塔、脱重塔等关键塔器具有操作介质中1，3-丁二烯含量较高、塔体高径比大的特点，本文主要针对上述特点，对丁二烯抽提装置关键塔器的设计提出了一些浅薄观点和建议。

一、介质特性

操作介质的特性不但直接关系到压力容器类别的划分，也直接决定了设计、制造、检验等各环节的技术要求，因此，正确判断介质特性是压力容器设计极为重要的环节，过于轻率会给生产安全带来极大的安全隐患，过于严苛则会给工程设计、制造、检验、设备运行及维护等环节造成不必要的浪费。

（一）1，3-丁二烯的自聚性

1，3-丁二烯划为易爆介质，但其爆炸隐患往往不是来源于其本身的易爆属性，而在于1，3-丁二烯具有的共轭双键，化学性质活泼，易通过自由基链反生成过氧化物，该过氧化物易自聚形成橡胶状聚合物，在设备结构死区、仪表接口、塔盘等部位聚集生长，造成仪表测量失灵、塔盘堵塞及塔盘压差增大等现象，甚至胀破设备、阀门或管道，且该聚合物极不稳定，在遇明火、碰撞、过热、摩擦等情况下存在爆炸危险。有文献表明，氧和过氧化物“活性中心”是诱发1，3-丁二烯聚合的最主要因素，除此之外，光、铁锈及杂质、过高的温度等也可促进1，3-丁二烯的聚合。

（二）防聚措施

基于1，3-丁二烯的上述特性，工程设计时通常采取以下措施限制其聚合：

1.严格控制系统中的氧含量并进行实时监测，采取措施限制外界的氧气渗入到系统内部，如法兰（包括人孔法兰）连接的密封垫片选用密封所需预紧力较大的柔性石墨-不锈钢齿形复合垫片。此外，由于外界氧可通过石棉垫片内部孔隙扩散到系统内，PTFE 材质可诱发1，3-丁二烯聚合，因此对于1，3-丁二烯浓度较高的设备在进行工程设计时，密封垫片通常禁用石棉垫片和PTFE 垫片；

2. 选择合适的注入方案注入TBC 阻聚剂对游离基进行捕捉，使“活性中心”丧失活性，进而阻断过氧化物的聚合；

3. 在不影响萃取效果的前提下尽可能的降低设备的操作温度；

4.设备内表面及内构件应彻底除锈，并去除油污、杂质，内构件表面应保证光滑无毛刺，焊缝须打磨圆滑，所有接管内缘应倒圆角处理；

5.尽可能的减少设备的结构死区，如介质不流通的仪表口处，宜采用凸缘法兰结构；

6.开工前设备须采用亚硝酸钠溶液进行全充液钝化，抑制丁二烯在设备表面聚合。

二、高耸塔器抗横风向振动设计

海南炼化100 万吨/年乙烯项目地处沿海强风带，基本风压达834N/m2，且为台风多发地区，而丁二烯抽提装置的塔器大多为具有较大高径比的高耸塔器，因此，为避免发生风振破坏，须考虑高耸塔器的抗横风振设计。

（一）横风向共振的判别

风以一定速度绕流过塔器时会出现“卡曼涡街”现象，即在塔器背后两侧会交替形成漩涡并以一定的频率脱落，当该频率与塔器的自振频率接近或一致时，会诱发塔体共振，通常将塔共振时的风速也称之为临界风速Vi。工程上一般认为当塔顶风速V 满足V1≤V＜V2时，设计时应考虑塔器的一阶振型的振动，当V≥V2时，则应同时考虑一阶和二阶振型的振动。

（二）横风向振动诱发的疲劳计算

在计算风载荷对塔器的作用时，顺风向的振动一般按静力学考虑，即只要计算截面处由各载荷引起的总弯曲应力小于材料的许用应力值，就认为塔体是安全的。而横风向振动破坏的失效模式主要是疲劳破坏，即使计算截面处的应力水平远低于材料的许用应力值，也可能会导致塔体的破坏。目前，由于NB/T 47041-2014《塔式容器》并未涉及振动诱发的疲劳计算，因此，在按上述判定塔器存在横风向振动破坏风险时，塔体计算除须满足《塔式容器》外，还应对各危险截面进行疲劳校核。因此，共振时塔体各危险截面须满足材料的交变应力幅与循环次数关系，即S-N 疲劳曲线。疲劳核算可按如下步骤进行，且疲劳核算应至少包括裸塔、空塔和正常操作三个工况：

1.共振时，横风作用于塔体计算截面处的弯曲应力为：

w——计算截面的抗弯模量，mm3。

计算截面应至少包括裙座与底封头连接截面、锥形过渡段大小端、不等壁厚处的壳体环焊缝截面等结构不连续处。

2.横风振交变应力幅：

式中：Kf——疲劳强度减弱系数，可按ASME 选取。疲劳强度减弱系数Kf是计及局部结构不连续（应力集中）对疲劳强度影响的应力强度系数，即已考虑应力集中的影响。但对于存在较大应力集中现象或可能存在较大安全隐患的重要部位或焊缝，可将应力集中系数Kc纳入式（2）进行计算，即：

3.交变应力幅作用下的设计许用循环次数可根据式（4）～（6）计算：

式中：C1～C11疲劳曲线系数；

Cus——转化系数，Cus=6.894757；

EFC——设计温度下材料的弹性模量，GPa；

ET——使用温度下材料的弹性模量，GPa。

原则上，若根据上述步骤计算得到的循环次数N 能满足设计年限内的使用要求，则认为塔体具有较好的抗横风振疲劳性能，可不另行采取抗横风减振措施。但是，工程上为安全起见，循环次数通常按无限次考虑，即：若按式（2）或（3）计算得到的交变应力幅小于材料的疲劳极限，则认为塔体具有较好的抗横风振疲劳性能，否则认为塔体抗横风振疲劳性能较差，须参照上述设置专门的抗横风减振装置，并重新进行疲劳校核，直至校核通过。

（三）抗横风向振动的措施

在工程设计中，通过采取调整塔高、塔径、塔盘数量或填料层的分布、附塔操作平台的位置等方法来改变塔体的阻尼往往难度较大，会导致工艺、管道、仪表、结构等多个设计专业调整或修改自己的设计方案，因此，上述方法通常可行性不高。当按上述判定塔体抗横风振疲劳性能较差又无法采取上述方法时，可以采取以下措施来防范或限制塔体的横风向振动破坏：

1. 在塔顶不少于1/3 高度范围内设置轴向型或螺旋形翅片扰流器，以螺旋形效果为佳。该方法已广泛应用于高耸塔器、烟囱等的抗横风向振动，其原理是将垂直作用于塔体的风载荷转变为轴向、环向的载荷，从而达到扰乱“卡曼涡街”的目的。螺旋形翅片扰流器在成本控制方面具有较大优势，但其制造、安装难度较大，尤其是对于直径较大的塔器，其翅片宽度大，给管道、操作平台及钢直梯等设计、安装造成诸多不便。另外，特别需要注意的是，按NB/T 47041-2014《塔式容器》的计算方法对设置翅片扰流器的塔体进行强度计算时，得到的结果可能是不可靠的，一是由于安装翅片后，塔顶1/3高度范围内的迎风面积会显著增大，二是体型系数K1 会远远大于标准中给定的0.7。这些会导致设置了翅片扰流器的塔体各计算截面处的顺风向弯矩远大于未设置翅片扰流器的，从而进一步导致某些计算截面处的轴向组合拉应力校核不合格。

2.在塔顶区域设置调频质量阻尼器，其原理通过在振动主体上设置一个质量系统来吸收或转移主体的振动能量，从而达到抑制主体振动的目的。阻尼器在高层建筑及高耸钢结构上已有广泛的应用。近年来，为满足不断提升的产能需求，塔器的高度和直径也日益增大，高耸塔器的比例也在急剧增加，风振诱发的高耸塔器破坏的案例也时有发生。为此，国内一些工程公司开始将改进后的机械式调频质量阻尼器应用到石化行业的高耸塔器上，且取得了不错的减振效果。该阻尼系统主要由支架、钢绳、质量环、隔振器及其支座构成（见图1），通过质量环来吸收塔体的振动能量，质量环重量一般不超过塔器本体重量的2%。为防止质量环与塔器发生碰撞，通常在塔体四周设置四组隔振器。此外，该阻尼减振系统还配备了振动监测装置，可实时监测塔顶的振动情况，并记录振动次数和幅值等数据，为设备的安全预警、风险评价等提供数据支持。