合成氨变换单元的设备布置和管道布置--中国期刊网

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合成氨变换单元的设备布置和管道布置

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2021年1月下作者：高岚鲁晓峰郭亚男

[导读] 本文结合某个70万吨/年合成氨装置变换单元的具体实例，简要介绍了合成氨变换工艺流程，着重介绍本单元设备布置特点和主要管道的设计要点。合成氨变换单元的占地面积（50mX90m）和物料特性等，决定本单元的设备布置特点：根据原料气进装置的位置，按照流程顺序从东到西方向布置设备，并布置两个构架，管廊呈东西走向，布置在设备南侧。

五洲工程设计集团石油化工设计研究院高岚鲁晓峰郭亚男

摘要：本文结合某个70万吨/年合成氨装置变换单元的具体实例，简要介绍了合成氨变换工艺流程，着重介绍本单元设备布置特点和主要管道的设计要点。合成氨变换单元的占地面积（50mX90m）和物料特性等，决定本单元的设备布置特点：根据原料气进装置的位置，按照流程顺序从东到西方向布置设备，并布置两个构架，管廊呈东西走向，布置在设备南侧。合成氨变换单元具有代表性的管道为合成气管道和变换气管道，均为高温高压大直径管线，布置时要充分考虑管道占地空间和阀门的布置，尽量少拐弯又要满足柔性的要求。除此之外，本文还探讨了典型设备冷凝液汽提塔的配管设计。
本文所讨论的合成氨变换单元的设备布置和配管设计，既是煤化工装置中比较普遍的问题，又有自身的特点。无论是设备布置还是配管设计，都需要根据本单元自身的特点，综合考虑各种因素，合理规划，精心设计，以保证整个系统的安全运行。
关键词：合成氨变换，设备布置，管道布置
        中国合成氨是在20世纪30年代开始的，合成氨生产经过多年的发展，现已成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨生产时，各种方法制取的原料气都含有CO，而CO是合成催化剂的毒物，所以必须进行净化处理。通常，先经过CO变换反应，使CO转化为易于清除的CO₂和氨合成所需要的H2。因此，CO变换既是原料气制造的继续，又是净化的过程。变换单元在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。
本文结合某年产70万吨合成氨项目，着重介绍合成氨变换单元的设备布置和管道布置。根据本装置的占地特点，以节约成本、安全生产为原则，设备布置时，既有效利用空间又满足规范要求，在此基础上，高温大直径的管线布置既能做到安全牢固又能满足柔性要求，且尽量做到美观耐用。本文探讨合成氨变换单元的设备布置和管道布置，对于煤化工项目具有重大意义，对于相类似的后续项目的设备布置和配管研究有很大的参考价值。
        一、工艺流程及说明
        1、工艺生产方法
        为满足合成氨生产对原料H2的需要，需设置变换工段，将粗煤气中CO尽量完全的变换为H2。其反应原理如下：
CO + H₂O → CO₂ + H₂+ Q 在催化剂的作用下，自气化送来的水煤气中的一氧化碳与水蒸汽在变换催化剂的作用下，发生变换反应，转化成氢气和二氧化碳。变换单元的主要任务就是将一氧化碳部分转化为氢气，以满足合成氨装置所需要的原料氢，由于粗合成气中的CO含量比较高，为尽可能将气体中CO全部变换为H2，因此采用成熟的两段中温变换串一段低温变换的耐硫变换工艺，并副产3.8MPa过热蒸汽和0.5MPa饱和蒸汽。设置工艺冷凝液汽提塔，利用本工段副产的低压蒸汽进行汽提，以除去冷凝液中的NH3、CO₂、HCN等微量杂质。汽提后的富硫化氢饱和蒸汽送至硫回收处理，避免有害杂质累积。汽提后的工艺冷凝液循环回系统。正常工况下变换反应热用来副产蒸汽并输出中压过热蒸汽及低压饱和蒸汽，变换低温余热用来预热脱盐水，出界区的变换气送下游酸性气脱除装置，变换高温冷凝液经加压送气化，变换低温工艺冷凝液经汽提装置处理后送气化装置或其他装置回用。
        2、工艺流程介绍
        来自气化的原料气首先经过煤气分离器（V-2801）分离沿途冷却水，然后进入气气换热器（E-2801）与来自第一变换炉出口的变换气换热，后进入脱毒槽（R-2803A/B），经脱毒槽净化后的煤气进入第一变换炉（R-2801）参与变换反应，出一变炉的变换气CO含量3-5%（干基）、先进入中压蒸汽过热器（E-2802）预热系统自产的4.0MPaG 的中压饱和蒸汽，然后进入气气换热器（E-2801）与原料气换热，再经中压废热锅炉（E-2803）副产4.0MPaG 的中压饱和蒸汽，进入第二变换炉（R-2802）继续变换反应，温度270-300℃分别经1#低压废热锅炉（E-2810）副产1.4MPaG 饱和蒸汽、2#低压废热锅炉（E-2804A/B）副产0.5MPaG 饱和蒸汽，然后依次经过脱盐水预热器（E-2805）、变换气水冷器（E-2806），出变换气水冷器的气体经洗氨塔（C-2801），温度降至40℃进入后续工段。系统副产的4.0MPaG 中压过热蒸汽、1.4MPaG 低压饱和蒸汽、0.5MPaG 低压饱和蒸汽送至管网，系统高温冷凝液汇入高温冷凝液收集槽（V-2807），然后经高温冷凝液泵（P-2801A/B）加压送气化。系统低温冷凝液与汽提塔顶尾气经低温冷凝液预热器（E-2807）换热至95℃后，进入冷凝液汽提塔（C-2802）上部，系统来气化高闪气以及高温冷凝液收集槽（V-2807）出来的闪蒸气一起进入汽提塔上部，在低压蒸汽（0.5MPa、159℃）提供热源产生的汽提作用下，含NH3汽提尾气自塔顶分出，经低温冷凝液预热器（E-2807）、汽提塔顶后冷器（E-2811）换热后降温至75℃，进入汽提尾气分液罐（V-2806），罐顶分出的汽提尾气出装置至锅炉，罐底分出的低温冷凝液经汽提尾气冷凝液泵（P-2803A/B）送出装置至磨煤；汽提塔底低温冷凝液经低温冷凝液（P-2802A/B）送出装置至气化。
        二、设备布置
        根据全厂总图，合成氨变换单元布置在上下游（煤气化及净化）装置之间，呈东西方向一字排列，整套装置占地面积约为90（m）×50(m)。原料气管线自单元北靠近东侧的管廊进入装置，因此本单元按照从东到西工艺流程顺序布置设备，共设置两个二层的构架，构架一和构架二，构架一18mX18m，分为两层，层高为10m。构架二共三层，一二层27mX18m，层高10m，三层9mX18m，层高7m。管廊布置在构架一和构架二的南侧，呈东西走向，平行于装置的长边，由于本单元的管径较大，管廊层高为2.5m，共设三层。本项目建在北方寒冷多风沙地区，因此将泵采用室内布置，泵房布置在管廊下方，按照流程顺序使得每组泵距离与其相关设备最近，泵成单排布置，泵体与管廊垂直方向，各个泵的出口中心线对齐，且每组泵之间以及泵与墙壁的间距满足防火间距和操作维修的距离，并留有配管的空间。
        将脱毒槽（R-2803A/B）、第一变换炉（R-2801）、煤气分离器(V-2801)等危险性较大设备布置在单元最东侧，而与之相连的卧式换热器(E-2801，E-2803)布置在相邻的构架一层，（E-2810，E-2809，E-2802）布置在构架一的二层平台上。以上设备在满足检修要求的前提下靠近布置，布置紧凑，同时考虑了装卸催化剂操作管理方便以及大管线的占地空间；第二变换炉（R-2802），变换器第一分水器（V-2803），变换器第二分水器（V-2804）按照流程顺序布置在构架一的西侧地面上，与之相连接的低压废热锅炉（E-2804A/B）布置在构架二的二层，冷凝液收集槽（V-2807）布置在构架二的一层，并考虑与相连的泵汽蚀余量确定该设备的基础高度。洗氨塔（C-2801）和冷凝液汽提塔（C-2802）布置在构架二的西侧，装置的边缘，与之相关的换热设备布置在构架二靠近塔的一侧，并按工艺流程及高度要求分别布置在三层框架内。管廊的南侧，单元西边靠道路位置布置二硫化碳储罐（V-2808），方便装卸运输。因为二硫化碳具有毒性，因此储罐周围设围堰。单元东侧布置氮气鼓风机（K-2801）。（附录三）。
         本单元的设备布置以工艺流程图、主体设备图为基本依据，设备、构筑物之间的防火间距符合现行有关防火规范的要求。设备与设备间距除满足防火防爆规范和石油化工企业工艺装置设备布置通则之外，还兼顾了操作、检修、装卸、吊装场地和通道的需要。
        三、管道布置
        1、粗合成气管道的布置
        粗合成气管线，包括由气化单元进入煤气分离器（V-2801）管线，煤气分离器（V-2801）进入气气换热器（E-2801），进出脱毒槽（R-2803A/B）的管线，及进入第一变换炉（R-2801）的管线。

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此类管线的特点是管径大，温度高，介质带有凝液，介质中含有H2、H2S气体的腐蚀性杂质。在布置时此类管线，需要考虑排凝问题，从气化单元进入界区的管线（PG-28001），带有5‰坡度，坡向布置在地面的煤气冷凝器（V-28001），管线（PG-28003）一端坡向V-28001，另一端坡向气气换热器（E-28001），使得管线内沿途冷凝液都流入设备。气气换热器（E-2801）后的管线布置如果有低点需要设置放净。脱毒槽(R-28003AB)入口在设备顶端，为了防止气体分配不均，进出脱毒槽(R-28003AB)的管线（PG-28004，28006，28007,28008）对称布置，大阀门沿地面水平敷设，便于操作。脱毒槽入口管线（PG-28004，28006）阀门之后管子沿设备敷设，从顶端进入设备，沿设备敷设的管线布置需要与该设备的梯子平台及催化剂装卸口统一考虑，既满足应力计算分析所需要的柔性，又能做到尽量少拐弯，同时又能使得催化剂装卸口朝装置边缘，方便装卸车辆进出和人员的操作要求。脱毒槽出口进入变换炉的管线(PG-28007，28008)地面部分与PG-28004，28006平行敷设，然后沿变换炉敷设从顶端进入变换炉（R-28001），该管线的布置与变换炉的梯子平台和催化剂装卸口统一考虑。该管线上仪表口布置在变换炉入口顶端平台附近，方便操作。另外，其他联通线及辅助管线上的阀门布置在地面上大管道上阀门的正上方，并设置相应的梯子平台，这样既便于操作，节省空间，又可使得小管线尽量少拐弯，并可使管道支架生根于平台的结构上。
        除此之外，由于此类管线管径大，温度高，布置应在满足高差和应力计算所要求柔性的前提下，尽量短，少拐弯。为了减少管道的腐蚀，管道设计时应尽量减少管线、阀门的盲端；要严格根据应力计算结果设置管架，并在管道有竖向位移的位置设置相应的弹簧支吊架，以保证整个管系正常平稳运行。
        2、变换气管道的布置
        变换气管线由第一变换炉出口，途经中压蒸汽过热器（E-2802），低压蒸汽发生器（E-2803），第二变换炉(R-2802)，变换器第一水分器（V-2803），中压蒸汽发生器（E-2804AB）,变换器第二水分器（V-2804）脱盐水预热器（E-2805），变换气水冷器（E-2806），洗氨塔（C-2801），最后经管廊出界区去低温甲醇洗单元。此类管线与粗合成气管线温度，压力相差不多，且为大直径管线。管道布置时，既要满足应力计算所要求的柔性，又要尽量少拐弯，避免死角。为避免出现积液，管子尽量无袋形，步步高或者步步低进入设备。由变换器第一水分器（V-2803）进入中压蒸汽发生器（E-2804A/B）的管子（PG-28018，PG-28019）步步高进入设备，为了避免偏流，管道由两台设备中间呈对称分布分别进入两台设备。这类管道上的阀门都较大，最好布置在构架的平台上或者地面上容易操作的地方，并且阀门两侧易于借助结构的梁和柱子做支吊架或弹簧架。
        3、冷凝液汽提塔的管道布置
        冷凝液汽提塔的管道包括塔顶酸气管道；塔侧面凝液入口管线及回流管线，蒸汽及高闪气入口管线；塔底进入凝液泵的管道；塔的周围分为配管区和操作区，东侧为配管区，朝向构架二侧，方便塔上下来的管道就近布置。西侧为操作区，布置人孔，仪表和梯子、平台。人孔朝东，朝向装置外侧，便于操作和检修。依据此原则设计平台梯子和仪表。以上管线的管口方位要与管道的位置和人孔，仪表，吊柱、平台及梯子统一布置，设备管口方位不能与塔内件相撞。
        塔顶酸气管道(AG-28001)是由塔顶出来进入低温冷凝液预热器的管线，该管道至低温凝液冷凝器（E-2807）应“步步低”布置，不应出现“液袋”。该管道靠近塔顶出口最高处的水平段布置放空管（AV-28004）。为避免管口受力和力矩过大，根据应力计算结果，该管道在塔的上部封头附近设称重支架，在沿塔的其他适当位置依次设立导向支架。本塔入口管线（PC-28001）从塔的侧面进入塔，步步高布置，为使阀门关闭后无积液，该管道上的阀门直接与塔入口管口相连。入口附近第一个管架为承重架，在沿塔的其他适当位置设置导向支架。来自界区的高闪气管线（FS-28001）经管廊步步高布置进入塔（C-28002）中段，在塔入口附近设置承重支架，合适位置设置导向支架。该管线上的界区阀与界区其他管线的阀门集中布置在界区管廊上，统一布置梯子平台，便于操作和维检修。变换净化凝液线（PC1-28001）由冷凝液汽提塔进入低温冷凝液泵（P-28001A/B）,为避免泵口受力过大，此管线对于泵口的作用力和力矩应符合制造厂的要求，即不超过泵口的许用应力范围。因此，布置泵入口管线时，应通过加设弯头来增加管系的柔性，从而减少管道对于泵入口的推力。同时，塔的布置在满足安装高度的情况下，为了避免泵入口管系阻力过大，提高泵的有效汽蚀余量，泵入口管线应尽量短，少拐弯。为了避免入口管线内产生气体积聚，气体进入泵，损坏离心泵的叶轮，泵的入口管线步步低布置，并且泵入口处采用顶平偏心异径管。严格按照应力计算结果设置支架，且管架的设置应满足泵检修时的支撑的要求，以此保证管系的稳定运行。
        结论
        本文结合具体项目介绍了合成氨变换单元的设备布置及主要管线和典型塔的配管设计。设计过程中，根据该项目的装置特点，严格遵循工艺要求，并结合物料特性，达到装置运行安全可靠，整齐美观的目的。本单元设备布置及配管设计时主要考虑的设计要点：
        （1）根据该单元的占地特点，设备布置时，按照流程顺序，设置两个构架。
        （2）由于本单元的管道温度较高，管径较大，因此在设备布置时，要充分考虑配管空间，适当加大设备的间距，并考虑支吊架的形式和位置。
        （3）为保证装置稳定运行，尽量消除安全隐患，配管设计时，要严格按照应力计算结果合理设计管道的走向支吊架。
参考文献
[1]张德姜，赵勇主编。石油化工工艺管道设计与安装. 北京：中国石化出版社，2007:232
[2]宋岢岢主编.压力管道设计及工程实例.北京：化学工业出版社，2007.7