異構(gòu)化原料分離塔的一塔兩用改造設(shè)計(jì)

馮永利，于開(kāi)安，李保廷

(1.克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834003;2.獨(dú)山子石化公司 煉油廠，新疆 克拉瑪依833699)

0 引言

異構(gòu)化原料分離塔C－2105原用于某公司30萬(wàn)噸/年輕烴預(yù)分餾裝置，設(shè)計(jì)時(shí)間為2010年9月，投運(yùn)時(shí)間為2011年。主要結(jié)構(gòu)尺寸為φ2600 mm ×19500 mm(切線(xiàn))，塔總高 26448 mm;板式塔，塔板共23層;工作介質(zhì)為C6以上組分，介質(zhì)密度660 kg/m3;筒體、封頭材質(zhì)均為Q245R，厚度均為10 mm;保溫采用復(fù)合硅酸鹽板，厚180 mm;設(shè)計(jì)壽命20 a。塔C－2105改造前的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 塔C－2105改造前設(shè)計(jì)參數(shù)

2014年1月對(duì)塔C－2105進(jìn)行改造，改造后該塔要在原裝置和新建的輕烴回收安穩(wěn)裝置間切換使用，切換頻次約1次/a。改造后，塔C－2105工作介質(zhì)為脫鹽原油，介質(zhì)密度281 kg/m3。塔C－2105改造后的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 塔C－2105改造后設(shè)計(jì)參數(shù)

文中從塔C－2105材質(zhì)入手，分析該塔是否可以進(jìn)行改造，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后確定具體改造內(nèi)容為:

(1)改造塔C－2105的進(jìn)料口，將原DN150的進(jìn)料口擴(kuò)孔為DN250，新增1個(gè)DN80柴油抽出口;

(2)設(shè)計(jì)進(jìn)料口分布器。

1 塔C－2105材質(zhì)分析及強(qiáng)度校核

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造前，首先需要確認(rèn)設(shè)備材質(zhì)是否能夠滿(mǎn)足改造要求［1－7］。若材質(zhì)滿(mǎn)足改造要求，方能進(jìn)行塔的強(qiáng)度校核及相應(yīng)的改造工作。

1.1 分析塔C－2105材質(zhì)是否滿(mǎn)足改造要求

塔C－2105改造后的介質(zhì)為脫鹽原油，其為進(jìn)口原油、春光原油和中質(zhì)原油以3∶1∶1混合后經(jīng)脫鹽脫水等處理的原油。三種原油的部分原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。脫鹽原油中對(duì)塔器腐蝕最為嚴(yán)重的兩種成分是H2S及環(huán)烷酸，且二者的含量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)分別會(huì)出現(xiàn)濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境及環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。但脫鹽原油中二者的含量是無(wú)法直接測(cè)定的，需通過(guò)其他判據(jù)來(lái)確定二者的含量，進(jìn)而判斷該塔材質(zhì)是否能夠滿(mǎn)足改造要求。

表3 三種原油的部分原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

1.1.1 判斷是否存在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境

在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的碳鋼，其使用狀態(tài)應(yīng)為正火或正火+回火、退火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)，因此要判斷塔C－2105改造后是否存在濕H2S應(yīng)力腐蝕。

當(dāng)化工容器接觸的介質(zhì)同時(shí)符合下列各項(xiàng)條件時(shí)，即為濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境［8］:

(1)溫度≤(60+p)℃，其中，p為壓力 (表壓)，MPa;

(2)H2S分壓≥0.00035 MPa，即相當(dāng)于常溫在水中H2S溶解度≥7.7 mg/L;

(3)介質(zhì)中有液相水或者處于水的露點(diǎn)溫度以下;

(4)pH＜7或有氰化物(HCN)存在。

改造前，塔C－2105塔底溫度260℃，塔頂部溫度148℃;改造后，塔C－2105塔底溫度335℃，而塔頂部溫度141℃。溫度均不符合第(1)條要求。由此可見(jiàn)，塔C－2105不存在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境。

1.1.2 判斷是否存在環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境

若存在環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境，則塔器的材質(zhì)應(yīng)至少選用不銹鋼316L材質(zhì)，因此要判斷是否存在環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。

環(huán)烷酸(RCOOH，R為環(huán)烷酸)為原油中各種酸的混合物，分子量在很大范圍內(nèi)變化 (180～350)。一般以原油中的酸值來(lái)判斷環(huán)烷酸的含量，原油酸值＞0.5 mgKOH/g時(shí)，即能引起設(shè)備的腐蝕［9］。

進(jìn)口原油、春光原油和中質(zhì)原油這三種原油中，春光原油的酸值最高，為0.41 mgKOH/g。改造后塔C－2105的進(jìn)料為三種原油的混合物，但某公司未提供混合原油的原油評(píng)價(jià)報(bào)告，因此按最高酸值 0.41 mgKOH/g考慮。其酸值 ＜0.5 mgKOH/g，不會(huì)引起設(shè)備的腐蝕，即不用考慮環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。

綜上，塔C－2105(主體材質(zhì)Q245R)能夠滿(mǎn)足改造要求，可以進(jìn)行改造。

1.2 塔C－2105強(qiáng)度校核

由于塔C－2105具備改造條件，所以可以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)塔C－2105的近期檢測(cè)報(bào)告，應(yīng)用SW6－2011軟件對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。在強(qiáng)度校核過(guò)程中，指定筒體、封頭和裙座所采用鋼板的負(fù)偏差為0;由于改造后脫鹽原油對(duì)塔的腐蝕較改造前要快，因此盡管塔C－2105已使用近3年時(shí)間，剩余使用壽命內(nèi)的腐蝕裕度仍按原值取3.0 mm。

輸入各項(xiàng)所需數(shù)據(jù)，校核改造前、后兩種操作工況下的塔體強(qiáng)度，結(jié)果均為合格。

2 塔C－2105的改造工作

在塔C－2105強(qiáng)度校核合格后，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)改造。

2.1 改造塔C－2105部分開(kāi)口

改造塔C－2105的進(jìn)料口，將原DN150進(jìn)料口擴(kuò)孔為DN250，并新增1個(gè)DN80柴油抽出口，如圖1所示(圖中，開(kāi)口①為新增柴油抽出口，開(kāi)口②為進(jìn)料口)。

圖1 φ2600 mm×19500 mm異構(gòu)化原料分離塔(C－2105)改造總圖

因罐壁保溫厚180 mm，所以新增柴油抽出口及進(jìn)料口的接管外伸長(zhǎng)度定為250 mm，接管采用加強(qiáng)圈加強(qiáng)。進(jìn)料口接管 (圖1中件號(hào)2)與進(jìn)料口分布器(圖1中件號(hào)1)相連接。

2.2 進(jìn)料口分布器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使塔的分離效果更好、減少進(jìn)料對(duì)塔盤(pán)的沖擊作用，塔C－2105需設(shè)置進(jìn)料口分布器。塔設(shè)置進(jìn)料口分布器后，還可以提高塔的生產(chǎn)穩(wěn)定性，減少進(jìn)料對(duì)塔壁的沖擊。

改造前、后進(jìn)料口介質(zhì)的操作參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 改造前與改造后塔C－2105進(jìn)料口介質(zhì)的操作參數(shù)

塔C－2105進(jìn)料口由DN150改造為DN250。改造后進(jìn)料口分布器的結(jié)構(gòu)也需重新設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)的進(jìn)料口分布器的結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中，開(kāi)口②為進(jìn)料口)。進(jìn)料口分布器分布于塔盤(pán)○12與塔盤(pán)○13之間(塔盤(pán)○12為中間降液塔盤(pán)，塔盤(pán)○13為兩側(cè)降液塔盤(pán))。

圖2 進(jìn)料口分布器組合件詳圖

進(jìn)料口分布器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則:要盡可能地使下降的液體降落在降液管底部外側(cè)與塔盤(pán)○12所圍成的間隙部分，即圖2中所示的最佳降液位置，這樣分布器的使用效果最佳。進(jìn)料口的介質(zhì)由主管(開(kāi)口②)進(jìn)入，分支為兩路，在兩支管的各個(gè)小孔處下降到塔盤(pán)上。

接管材料選用無(wú)縫鋼管20#鋼，材料應(yīng)符合GB 9948—2006《石油裂化用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定。進(jìn)料口分布器組合件的安裝水平度允差＜4 mm。以下確定進(jìn)料管內(nèi)流速、開(kāi)孔數(shù)量及水壓試驗(yàn)壓力值。

2.2.1 進(jìn)料管內(nèi)流速v的計(jì)算

操作介質(zhì)為C6以上組分時(shí):

式中 V1——改造前進(jìn)料口介質(zhì)的流量，m3/h

D2——改造后進(jìn)料口接管直徑，mm

操作介質(zhì)為脫鹽原油時(shí):

式中 V2——改造后進(jìn)料口介質(zhì)的流量，m3/h

改造前與改造后進(jìn)料管內(nèi)介質(zhì)流速均小于3 m/s，符合工藝要求。

2.2.2 進(jìn)料分布器開(kāi)孔數(shù)量的確定

進(jìn)料口分布器改造后，在兩支管上均布φ25 mm的孔，開(kāi)孔數(shù)量n為:

2.2.3 進(jìn)料管內(nèi)水壓試驗(yàn)壓力pT的計(jì)算［10］

操作介質(zhì)為C6以上組分時(shí):

式中 p1——改造前塔C－2105設(shè)計(jì)壓力，MPa

［σ］——試驗(yàn)溫度下許用應(yīng)力，MPa

［σ］t——設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，MPa

操作介質(zhì)為脫鹽原油時(shí):

式中 p2——改造后塔C－2105設(shè)計(jì)壓力，MPa

因此，進(jìn)料管內(nèi)水壓試驗(yàn)壓力為0.90 MPa。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)異構(gòu)化原料分離塔C－2105的一塔兩用改造設(shè)計(jì)，可得到以下結(jié)論:

(1)同一塔在兩套不同裝置間切換使用的前提條件是兩種操作介質(zhì)可以采用同一主體材質(zhì)，方可改造。同時(shí)，改造的工程量要小，改造要簡(jiǎn)單易行、投資少。

(2)改造要能夠滿(mǎn)足改造前與改造后兩種操作工況，以不影響工藝操作為宜。

(3)塔C－2105在改造時(shí)必須要有檢測(cè)報(bào)告，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核合格后，才能進(jìn)行具體的改造設(shè)計(jì)工作。

(4)異構(gòu)化原料分離塔的一塔兩用改造，實(shí)現(xiàn)了同一塔能滿(mǎn)足兩種操作工況的功能，大大減少了投資費(fèi)用及能源消耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。

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