張明星 中國石化集團(tuán)寧波工程有限公司 寧波 315103

氣相法聚乙烯裝置原料精制單元工程設(shè)計淺析

張明星*中國石化集團(tuán)寧波工程有限公司 寧波 315103

介紹氣相法聚乙烯裝置原料精制單元設(shè)備典型布置方案、再生氮氣加熱器工程設(shè)計要點。

氣相法原料精制單元布置方案再生氮氣加熱器設(shè)計要點

聚乙烯的生產(chǎn)方法主要有氣相法、溶液法、淤漿法和高壓法四種。其中氣相法以其工藝流程簡單、操作條件溫和、操作彈性大、物耗能耗低、產(chǎn)品范圍廣和建設(shè)投資少等優(yōu)點而具有很強的競爭力，尤其是Univation公司的Unipol氣相流化床工藝，在世界氣相法聚乙烯工藝中占有主導(dǎo)地位。

近年來，中石化科技開發(fā)公司開發(fā)的GPE氣相法聚乙烯技術(shù)在國內(nèi)得到成功應(yīng)用。與另外三種方法相比，氣相法催化劑體系對氧氣、水等雜質(zhì)十分敏感，對原料的純度要求苛刻，大多需要精制來保證催化劑活性和反應(yīng)系統(tǒng)的平穩(wěn)操作。因此，從工藝上需比其它方法多設(shè)一個原料精制單元。本文分析討論氣相法聚乙烯工藝中原料精制單元工程設(shè)計要點，期望能對以后的工程設(shè)計有所參考。

1 原料特性

聚乙烯的原料主要有乙烯、1－丁烯或1－己烯、氫氣、氮氣、冷凝誘導(dǎo)劑異戊烷等組成。原料的基本物性見表1。

表1 原料的基本物性

2 典型布置方案的比較

2.1 兩種布置方案

目前，國內(nèi)氣相法聚乙烯工藝精制單元設(shè)備布置大致有兩種典型方案:①設(shè)備特別是需要再生的設(shè)備單獨布置，分別布置于管廊兩邊，卸料口朝向道路;②框架結(jié)構(gòu)形式，所有設(shè)備均布置在同一個框架內(nèi)。

兩種典型布置的模型見圖1(a)、(b)。

圖1 兩種典型布置形式

第一種布置形式的氮氣精制框架布置在裝置主管廊的西側(cè)，裝置主管廊東側(cè)設(shè)置與其垂直走向的小管廊，乙烯精制系統(tǒng)布置在小管廊北側(cè)，小管廊南側(cè)布置氫氣精制系統(tǒng)、共聚單體精制框架、異戊烷精制框架，各干燥器和脫氧器分別設(shè)置聯(lián)合平臺，成排布置在管廊兩側(cè)，人孔口(催化劑卸料口)分別朝外。簡言之，設(shè)備布置在主管廊的兩側(cè)，見圖1(a);第二種布置形式的裝置主管廊東側(cè)為精制單元，在精制單元小管廊兩側(cè)設(shè)置鋼框架，精制單元所有設(shè)備均布置在這兩個框架內(nèi)，兩個框架之間設(shè)置跨越小管廊的連接通道，見圖1(b)。

2.2 技術(shù)經(jīng)濟［2］

2.2.1 裝置緊湊性

(b)布置方式顯得整個精制單元緊湊，整體感較強，美觀大氣;(a)布置方式則宏觀上整體感較差。

2.2.2 占地面積

(a)布置方式比較寬松，各物料精制系統(tǒng)分開布置，其占地面積相對較大，精制單元共占地約2000m2;(b)布置方式精制單元采用框架布置，占地約1100m2。

2.2.3 催化劑裝卸

根據(jù)工藝特點，精制單元部分設(shè)備需要裝卸催化劑，對操作空間有嚴(yán)格的要求。(a)布置方式設(shè)備周圍吊車操作空間較大，從設(shè)備頂部裝填催化劑很容易，設(shè)備人孔方向均一致面向道路，用汽車卸催化劑也很容易，裝卸效率較高;(b)布置方式盡管三邊都有道路，裝填催化劑時如果吊車臂不能伸到催化劑裝填口的正上方，就必須先將催化劑吊放在精制框架的平臺上，然后再進(jìn)行人工填裝，但由于催化劑的重量和密度均很大，既增加精制框架的操作荷載，又增加工作量和裝填時間。

2.2.4 配管

精制單元管道較多，工藝對配管也有不少的特殊要求，在配管中除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮人性化操作，從這點來講，(b)布置方式具有明顯的優(yōu)勢。(a)布置方式設(shè)有許多聯(lián)合平臺，部分平臺上設(shè)置的閥門等占用了通道，且操作空間減少;從設(shè)計角度來講，該方案要考慮聯(lián)合平臺設(shè)置的諸多問題，比如方式、標(biāo)高、角度等，要給下游專業(yè)提平臺條件、管道支撐的護(hù)板條件、偏荷載條件等，費時費工;從現(xiàn)場操作來講，聯(lián)合平臺設(shè)置過多，且平臺多為直爬梯，操作人員上下費時又費力，存在安全隱患，且增加工人的勞動強度;(b)布置方式的框架結(jié)構(gòu)每層平臺空間大，兩邊框架有走道連通，配管空間大，工人操作寬敞，斜梯也較安全，框架還便于管道支撐，盡顯人性化設(shè)計。

2.2.5 設(shè)備吊裝及檢修

設(shè)備布置需要考慮設(shè)備的吊裝及檢修。(a)布置方式緊鄰道路，吊車可以自由出入，吊車吊臂運行空間較大，吊裝、檢修均十分方便;(b)布置方式的框架結(jié)構(gòu)盡管周圍也有空間，但是與相鄰設(shè)備距離較近，吊車活動范圍較窄，因此吊裝及檢修空間稍遜于(a)布置方式。

2.2.6 投資

在滿足相關(guān)規(guī)范和正常操作的前提下，應(yīng)考慮投資的合理和節(jié)約。(a)布置方式采用聯(lián)合平臺，平臺面積小，所用鋼材少，鋼材型號小，所以造價同比較低;(b)布置方式采用框架結(jié)構(gòu)，所用鋼材多，鋼材型號大，因此裝置的固定投資較高。

綜上所述，筆者認(rèn)為精制單元采用(b)布置方式比較合理。雖說短期內(nèi)投資可能會較大，但從長遠(yuǎn)看框架結(jié)構(gòu)更方便操作、安全生產(chǎn)。

3 再生氮氣加熱器

3.1 再生溫度

為了保證催化劑能夠長期使用又節(jié)省投資，幾乎所有的干燥器和脫氧器都要定期使用熱氮氣進(jìn)行再生。熱氮氣來自再生氮氣加熱器，其溫度是能夠調(diào)節(jié)的，可以滿足不同原料精制床層的再生溫度要求;為了保證再生徹底，實際上再生溫度都要比理論值稍高一些。

3.2 電加熱器

目前，國內(nèi)聚乙烯裝置再生氮氣加熱器均選用電加熱器。

(1)由于電加熱器裸露的散熱段有很高的表面溫度，最高可達(dá)400℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了1－丁烯、1－己烯、異戊烷的自燃溫度，出于安全考慮，電加熱器周圍設(shè)置了水噴淋，并設(shè)有可燃?xì)怏w報警聯(lián)鎖，當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w達(dá)爆炸下限時，即可報警，并關(guān)閉電加熱器電源，自動開啟水噴淋給電加熱器降溫，避免氣體閃爆。

(2)水噴淋系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置聯(lián)鎖自動啟動、遠(yuǎn)程手動啟動和現(xiàn)場手動啟動三種方式，并考慮防凍措施。

(3)電加熱器周圍布置的設(shè)備中有1－丁烯(氣相和液相)、1－己烯(氣相和液相)、異戊烷(氣相和液相)，且電加熱器表面溫度均超過了它們的自燃溫度，因此在詳細(xì)設(shè)計階段，將其抬高至上一層平臺布置，避免可燃液體濺落到電加熱器上。

(4)根據(jù)工藝要求，電加熱器的位置應(yīng)盡量靠近需要再生的床層，特別是再生氮氣流量較小的床層。

3.3 配管設(shè)計

(1)根據(jù)設(shè)備布置來看，需要再生的設(shè)備基本布置在氮氣加熱器周圍且有近有遠(yuǎn)，加熱的氮氣從加熱器至再生床層有一定的距離，且管道可能向大氣散熱，導(dǎo)致溫度降低而達(dá)不到再生溫度。目前，有兩種解決方法:一是提高電加熱器的出口溫度，滿足設(shè)備的氮氣溫度達(dá)到再生要求;二是縮小管道口徑，提高氮氣流速，降低管道散失的熱量。前者需要提高電加熱器的功率，能耗較大;后者氮氣流量過小，使得再生時間較長。筆者認(rèn)為，在工程項目初期應(yīng)盡早確定電加熱器的功率和管道口徑，取兩種方案交集的最佳值。

另外，為減少管道散熱，再生氮氣管系不能采用普通管托，必須采用高效隔熱管托。

(2)由于設(shè)備再生時溫度很高，所以再生氮氣系統(tǒng)管線均需進(jìn)行應(yīng)力計算，并同時考慮正常工況和再生工況，根據(jù)計算結(jié)果合理設(shè)置支吊架。

(3)管道設(shè)計時要考慮再生時的特殊情況，要注意材料的選取。

4 建議

(1)乙烯系統(tǒng)管線配管時要避免出現(xiàn)袋形、盲端，以免積液，尤其是對間歇操作的管線。冬季系統(tǒng)泄壓時，乙烯凝液會閃蒸產(chǎn)生低溫，引起碳鋼管道低溫脆性或因管道收縮而使管道應(yīng)力過大，導(dǎo)致管線破裂和災(zāi)難性乙烯(蒸氣云)泄漏事故。在乙烯系統(tǒng)的配管中，應(yīng)嚴(yán)格按照PID的要求，特別是旁通線或預(yù)載管線(間歇操作的乙烯管線)的設(shè)計，應(yīng)分別坡向兩邊主管道，避免出現(xiàn)袋形和盲端。對實在無法避免的，為防止出現(xiàn)冷凝，應(yīng)在出現(xiàn)袋形、盲端的管線上采取伴熱保溫等措施。在工藝系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、乙烯來源、界區(qū)條件計算出安全邊際，即以系統(tǒng)最高操作壓力為約束條件計算在什么環(huán)境溫度下可能產(chǎn)生乙烯冷凝，另外以極端最低環(huán)境溫度為約束條件確定產(chǎn)生乙烯凝液的操作壓力，以此設(shè)定乙烯防凝安全聯(lián)鎖參數(shù)。

(2)設(shè)備布置如果采用框架形式，一定要注意框架標(biāo)高與內(nèi)部小管廊的標(biāo)高高差要合理，最好是框架配管能從平臺下邊穿過至相關(guān)層管廊。

(3)設(shè)備布置如果采用聯(lián)合平臺形式，一定要考慮兩臺或多臺設(shè)備不同溫度引起的垂直方向的膨脹量差異。提聯(lián)合平臺條件時要注明熱再生工況，盡早考慮設(shè)備聯(lián)合平臺的設(shè)置，便于結(jié)構(gòu)或設(shè)備專業(yè)一并考慮設(shè)計方案。

(4)裝置采用框架布置，共聚單體干燥器中的一個布置在框架邊沿，其余與其緊靠并排布置在框架內(nèi)側(cè)，設(shè)備間距為3m，由于其頂部有DN200的再生氮氣、火炬氣配管，加之較厚的保溫層，所以頂部配管顯得很擁擠，操作空間較小。而國內(nèi)某裝置同樣采用框架布置，共聚單體干燥器全部布置在框架邊沿，設(shè)備間距為4m，此布置對于配管就比較合理，頂部平臺有較大的操作空間。如有新建的類似裝置，建議共聚單體干燥器按照后者布置。

(5)精制單元的氮氣加熱器、共聚單體干燥器、冷凝劑干燥器、原料緩沖罐等需設(shè)水噴淋設(shè)施，建議配管專業(yè)與給排水專業(yè)應(yīng)盡早溝通、協(xié)商各自管道的走向與支撐，以免相互碰撞，確保整體風(fēng)格協(xié)調(diào)一致。

(6)再生設(shè)備的熱電阻溫度計開口角度都是有要求的，提管口方位時一定要注意滿足工藝要求。另外，熱電阻溫度計插入深度約為1/4床層直徑，合理地設(shè)備間距和溫度計管口方位才能保證熱電阻的安裝;對于距離較近的一開一備設(shè)備，如共聚單體干燥器等尤其要注意，以免間距過小或角度不合適影響溫度計安裝。

(7)共聚單體干燥器再生時會產(chǎn)生300℃以上的高溫，出于安全考慮，液位變送器取壓球閥閥座應(yīng)選取硬密封形式。

This paper presents a typical equipment layout scheme of raw material purification unit in gas phase polyethylene plant and the key points of engineering design of nitrogen regeneration heater．

Simple Analysis of Engineering Design of Raw Material Purification Unit in Gas Phase Polyethylene Plant

Zhang Mingxing
(SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo 315103)

polyethylene plantraw material purification unit layout schemenitrogen regeneration heaterkey points of design

*張明星:工程師。2001年畢業(yè)于西北大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。一直從事化工工藝和配管設(shè)計工作。聯(lián)系電話:(0574)87974755，E－mail:zhangmx.snec@sinopec.com。

2012－03－16)