乙腈法丁二烯抽提裝置塔器的設(shè)計(jì)

◎高峰

丁二烯抽提裝置為中國(guó)石化海南煉化100 萬(wàn)噸/年乙烯項(xiàng)目的主要配套生產(chǎn)裝置之一，采用的是乙腈法丁二烯抽提工藝技術(shù)，原料來(lái)自于上游乙烯裝置副產(chǎn)混合C4，以乙腈為溶劑，采用兩級(jí)萃取精餾加兩級(jí)普通精餾，連續(xù)生產(chǎn)聚合級(jí)1，3-丁二烯產(chǎn)品和抽余液副產(chǎn)品。產(chǎn)品1，3-丁二烯送至產(chǎn)品罐區(qū)，副產(chǎn)品抽余液去罐區(qū)或作為下游MTBE/丁烯-1 裝置的原料。根據(jù)工藝流程，裝置內(nèi)共設(shè)置塔器12 臺(tái)，其中第一/第二萃取精餾塔、汽提塔、抽余液水洗塔、丁二烯水洗塔、脫重塔等關(guān)鍵塔器具有操作介質(zhì)中1，3-丁二烯含量較高、塔體高徑比大的特點(diǎn)，本文主要針對(duì)上述特點(diǎn)，對(duì)丁二烯抽提裝置關(guān)鍵塔器的設(shè)計(jì)提出了一些淺薄觀點(diǎn)和建議。

一、介質(zhì)特性

操作介質(zhì)的特性不但直接關(guān)系到壓力容器類別的劃分，也直接決定了設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，因此，正確判斷介質(zhì)特性是壓力容器設(shè)計(jì)極為重要的環(huán)節(jié)，過(guò)于輕率會(huì)給生產(chǎn)安全帶來(lái)極大的安全隱患，過(guò)于嚴(yán)苛則會(huì)給工程設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)等環(huán)節(jié)造成不必要的浪費(fèi)。

（一）1，3-丁二烯的自聚性

1，3-丁二烯劃為易爆介質(zhì)，但其爆炸隱患往往不是來(lái)源于其本身的易爆屬性，而在于1，3-丁二烯具有的共軛雙鍵，化學(xué)性質(zhì)活潑，易通過(guò)自由基鏈反生成過(guò)氧化物，該過(guò)氧化物易自聚形成橡膠狀聚合物，在設(shè)備結(jié)構(gòu)死區(qū)、儀表接口、塔盤等部位聚集生長(zhǎng)，造成儀表測(cè)量失靈、塔盤堵塞及塔盤壓差增大等現(xiàn)象，甚至脹破設(shè)備、閥門或管道，且該聚合物極不穩(wěn)定，在遇明火、碰撞、過(guò)熱、摩擦等情況下存在爆炸危險(xiǎn)。有文獻(xiàn)表明，氧和過(guò)氧化物“活性中心”是誘發(fā)1，3-丁二烯聚合的最主要因素，除此之外，光、鐵銹及雜質(zhì)、過(guò)高的溫度等也可促進(jìn)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，工程設(shè)計(jì)時(shí)通常采取以下措施限制其聚合：

1.嚴(yán)格控制系統(tǒng)中的氧含量并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取措施限制外界的氧氣滲入到系統(tǒng)內(nèi)部，如法蘭（包括人孔法蘭）連接的密封墊片選用密封所需預(yù)緊力較大的柔性石墨-不銹鋼齒形復(fù)合墊片。此外，由于外界氧可通過(guò)石棉墊片內(nèi)部孔隙擴(kuò)散到系統(tǒng)內(nèi)，PTFE 材質(zhì)可誘發(fā)1，3-丁二烯聚合，因此對(duì)于1，3-丁二烯濃度較高的設(shè)備在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，密封墊片通常禁用石棉墊片和PTFE 墊片；

2. 選擇合適的注入方案注入TBC 阻聚劑對(duì)游離基進(jìn)行捕捉，使“活性中心”喪失活性，進(jìn)而阻斷過(guò)氧化物的聚合；

3. 在不影響萃取效果的前提下盡可能的降低設(shè)備的操作溫度；

4.設(shè)備內(nèi)表面及內(nèi)構(gòu)件應(yīng)徹底除銹，并去除油污、雜質(zhì)，內(nèi)構(gòu)件表面應(yīng)保證光滑無(wú)毛刺，焊縫須打磨圓滑，所有接管內(nèi)緣應(yīng)倒圓角處理；

5.盡可能的減少設(shè)備的結(jié)構(gòu)死區(qū)，如介質(zhì)不流通的儀表口處，宜采用凸緣法蘭結(jié)構(gòu)；

6.開(kāi)工前設(shè)備須采用亞硝酸鈉溶液進(jìn)行全充液鈍化，抑制丁二烯在設(shè)備表面聚合。

二、高聳塔器抗橫風(fēng)向振動(dòng)設(shè)計(jì)

海南煉化100 萬(wàn)噸/年乙烯項(xiàng)目地處沿海強(qiáng)風(fēng)帶，基本風(fēng)壓達(dá)834N/m2，且為臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，而丁二烯抽提裝置的塔器大多為具有較大高徑比的高聳塔器，因此，為避免發(fā)生風(fēng)振破壞，須考慮高聳塔器的抗橫風(fēng)振設(shè)計(jì)。

（一）橫風(fēng)向共振的判別

風(fēng)以一定速度繞流過(guò)塔器時(shí)會(huì)出現(xiàn)“卡曼渦街”現(xiàn)象，即在塔器背后兩側(cè)會(huì)交替形成漩渦并以一定的頻率脫落，當(dāng)該頻率與塔器的自振頻率接近或一致時(shí)，會(huì)誘發(fā)塔體共振，通常將塔共振時(shí)的風(fēng)速也稱之為臨界風(fēng)速Vi。工程上一般認(rèn)為當(dāng)塔頂風(fēng)速V 滿足V1≤V＜V2時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮塔器的一階振型的振動(dòng)，當(dāng)V≥V2時(shí)，則應(yīng)同時(shí)考慮一階和二階振型的振動(dòng)。

（二）橫風(fēng)向振動(dòng)誘發(fā)的疲勞計(jì)算

在計(jì)算風(fēng)載荷對(duì)塔器的作用時(shí)，順風(fēng)向的振動(dòng)一般按靜力學(xué)考慮，即只要計(jì)算截面處由各載荷引起的總彎曲應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，就認(rèn)為塔體是安全的。而橫風(fēng)向振動(dòng)破壞的失效模式主要是疲勞破壞，即使計(jì)算截面處的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值，也可能會(huì)導(dǎo)致塔體的破壞。目前，由于NB/T 47041-2014《塔式容器》并未涉及振動(dòng)誘發(fā)的疲勞計(jì)算，因此，在按上述判定塔器存在橫風(fēng)向振動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，塔體計(jì)算除須滿足《塔式容器》外，還應(yīng)對(duì)各危險(xiǎn)截面進(jìn)行疲勞校核。因此，共振時(shí)塔體各危險(xiǎn)截面須滿足材料的交變應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)關(guān)系，即S-N 疲勞曲線。疲勞核算可按如下步驟進(jìn)行，且疲勞核算應(yīng)至少包括裸塔、空塔和正常操作三個(gè)工況：

1.共振時(shí)，橫風(fēng)作用于塔體計(jì)算截面處的彎曲應(yīng)力為：

w——計(jì)算截面的抗彎模量，mm3。

計(jì)算截面應(yīng)至少包括裙座與底封頭連接截面、錐形過(guò)渡段大小端、不等壁厚處的殼體環(huán)焊縫截面等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。

2.橫風(fēng)振交變應(yīng)力幅：

式中：Kf——疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)，可按ASME 選取。疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)Kf是計(jì)及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)（應(yīng)力集中）對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)，即已考慮應(yīng)力集中的影響。但對(duì)于存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象或可能存在較大安全隱患的重要部位或焊縫，可將應(yīng)力集中系數(shù)Kc納入式（2）進(jìn)行計(jì)算，即：

3.交變應(yīng)力幅作用下的設(shè)計(jì)許用循環(huán)次數(shù)可根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算：

式中：C1～C11疲勞曲線系數(shù)；

Cus——轉(zhuǎn)化系數(shù)，Cus=6.894757；

EFC——設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，GPa；

ET——使用溫度下材料的彈性模量，GPa。

原則上，若根據(jù)上述步驟計(jì)算得到的循環(huán)次數(shù)N 能滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)的使用要求，則認(rèn)為塔體具有較好的抗橫風(fēng)振疲勞性能，可不另行采取抗橫風(fēng)減振措施。但是，工程上為安全起見(jiàn)，循環(huán)次數(shù)通常按無(wú)限次考慮，即：若按式（2）或（3）計(jì)算得到的交變應(yīng)力幅小于材料的疲勞極限，則認(rèn)為塔體具有較好的抗橫風(fēng)振疲勞性能，否則認(rèn)為塔體抗橫風(fēng)振疲勞性能較差，須參照上述設(shè)置專門的抗橫風(fēng)減振裝置，并重新進(jìn)行疲勞校核，直至校核通過(guò)。

（三）抗橫風(fēng)向振動(dòng)的措施

在工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)采取調(diào)整塔高、塔徑、塔盤數(shù)量或填料層的分布、附塔操作平臺(tái)的位置等方法來(lái)改變塔體的阻尼往往難度較大，會(huì)導(dǎo)致工藝、管道、儀表、結(jié)構(gòu)等多個(gè)設(shè)計(jì)專業(yè)調(diào)整或修改自己的設(shè)計(jì)方案，因此，上述方法通常可行性不高。當(dāng)按上述判定塔體抗橫風(fēng)振疲勞性能較差又無(wú)法采取上述方法時(shí)，可以采取以下措施來(lái)防范或限制塔體的橫風(fēng)向振動(dòng)破壞：

1. 在塔頂不少于1/3 高度范圍內(nèi)設(shè)置軸向型或螺旋形翅片擾流器，以螺旋形效果為佳。該方法已廣泛應(yīng)用于高聳塔器、煙囪等的抗橫風(fēng)向振動(dòng)，其原理是將垂直作用于塔體的風(fēng)載荷轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向、環(huán)向的載荷，從而達(dá)到擾亂“卡曼渦街”的目的。螺旋形翅片擾流器在成本控制方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但其制造、安裝難度較大，尤其是對(duì)于直徑較大的塔器，其翅片寬度大，給管道、操作平臺(tái)及鋼直梯等設(shè)計(jì)、安裝造成諸多不便。另外，特別需要注意的是，按NB/T 47041-2014《塔式容器》的計(jì)算方法對(duì)設(shè)置翅片擾流器的塔體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，得到的結(jié)果可能是不可靠的，一是由于安裝翅片后，塔頂1/3高度范圍內(nèi)的迎風(fēng)面積會(huì)顯著增大，二是體型系數(shù)K1 會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中給定的0.7。這些會(huì)導(dǎo)致設(shè)置了翅片擾流器的塔體各計(jì)算截面處的順風(fēng)向彎矩遠(yuǎn)大于未設(shè)置翅片擾流器的，從而進(jìn)一步導(dǎo)致某些計(jì)算截面處的軸向組合拉應(yīng)力校核不合格。

2.在塔頂區(qū)域設(shè)置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，其原理通過(guò)在振動(dòng)主體上設(shè)置一個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)來(lái)吸收或轉(zhuǎn)移主體的振動(dòng)能量，從而達(dá)到抑制主體振動(dòng)的目的。阻尼器在高層建筑及高聳鋼結(jié)構(gòu)上已有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，為滿足不斷提升的產(chǎn)能需求，塔器的高度和直徑也日益增大，高聳塔器的比例也在急劇增加，風(fēng)振誘發(fā)的高聳塔器破壞的案例也時(shí)有發(fā)生。為此，國(guó)內(nèi)一些工程公司開(kāi)始將改進(jìn)后的機(jī)械式調(diào)頻質(zhì)量阻尼器應(yīng)用到石化行業(yè)的高聳塔器上，且取得了不錯(cuò)的減振效果。該阻尼系統(tǒng)主要由支架、鋼繩、質(zhì)量環(huán)、隔振器及其支座構(gòu)成（見(jiàn)圖1），通過(guò)質(zhì)量環(huán)來(lái)吸收塔體的振動(dòng)能量，質(zhì)量環(huán)重量一般不超過(guò)塔器本體重量的2%。為防止質(zhì)量環(huán)與塔器發(fā)生碰撞，通常在塔體四周設(shè)置四組隔振器。此外，該阻尼減振系統(tǒng)還配備了振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔頂?shù)恼駝?dòng)情況，并記錄振動(dòng)次數(shù)和幅值等數(shù)據(jù)，為設(shè)備的安全預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 機(jī)械式調(diào)頻質(zhì)量阻尼器示意圖

3.增加塔體壁厚可減小塔的自振周期，同時(shí)也可以增大計(jì)算截面的抗彎模量，從而降低共振時(shí)橫風(fēng)作用于計(jì)算截面處的彎曲應(yīng)力水平，提高塔體抗橫風(fēng)向振動(dòng)性能，但增加壁厚也會(huì)大大增加塔器尤其是大型塔器的材料、制造、檢驗(yàn)、吊裝等諸多環(huán)節(jié)的成本。

4.其它如采用低密度、高彈性模量的材料來(lái)減小塔體自振周期；小直徑的細(xì)高塔器可以采用整體框架支撐結(jié)構(gòu)；在場(chǎng)地允許的情況下設(shè)置鋼繩牽引等方法，也可為工程設(shè)計(jì)人員解決高聳塔器風(fēng)振問(wèn)題提供一種設(shè)計(jì)思路。

（四）抗橫風(fēng)向振動(dòng)的相關(guān)技術(shù)要求

對(duì)按上述判定存在橫風(fēng)向振動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)的塔器，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，提高焊接接頭的制造及檢驗(yàn)要求，來(lái)達(dá)到降低疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)的目的：

1.錐形過(guò)渡段大小端應(yīng)采用帶折邊結(jié)構(gòu)，且宜由一種厚度組成；

2.殼體（含裙座殼體）的對(duì)接環(huán)焊縫內(nèi)外表面宜打磨余高至與母材齊平，并進(jìn)行100%RT 檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為AB 級(jí)，合格級(jí)別為II 級(jí)；

3. 錐形過(guò)渡段大小端與筒體的對(duì)接接頭及不等壁厚殼體的對(duì)接接頭須進(jìn)行100%RT+100%UT 檢測(cè)，RT 檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為AB 級(jí)，合格級(jí)別為II 級(jí)；UT 檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為B 級(jí)，合格級(jí)別為I 級(jí)。上述焊接接頭表面還須進(jìn)行100%MT（PT）檢測(cè)，I 級(jí)合格；

4.底封頭與裙座的焊接宜采用圖2（a）或2（b）所示結(jié)構(gòu)，對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行100%RT 檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為AB 級(jí)，合格級(jí)別為II 級(jí)，其它型式焊接接頭宜進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為B 級(jí)，合格級(jí)別為I 級(jí)。所有焊接接頭表面還應(yīng)進(jìn)行 100%MT 檢測(cè)，I 級(jí)合格。

圖2 底封頭與裙座的連接

5.其它相關(guān)技術(shù)要求還包括：塔體1/2 高度以上部位不宜設(shè)置聯(lián)合平臺(tái)；塔器安裝就位后，應(yīng)及時(shí)安裝塔內(nèi)件、操作平臺(tái)、附塔管線等，避免裸塔、空塔長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)聳立。

三、結(jié)語(yǔ)

1.通過(guò)對(duì)主要操作介質(zhì)1，3-丁二烯易于自聚特點(diǎn)的探討，提出了設(shè)計(jì)過(guò)程中須注意的事項(xiàng)以及應(yīng)采取的防聚措施；

2.為避免高聳塔器出現(xiàn)橫風(fēng)向振動(dòng)疲勞破壞，提出對(duì)存在橫風(fēng)向共振風(fēng)險(xiǎn)的高聳塔器應(yīng)進(jìn)行疲勞校核，對(duì)抗橫風(fēng)振疲勞性能較差應(yīng)塔器應(yīng)采取專門的抗風(fēng)減振措施。

通過(guò)上述討論，為后續(xù)同類裝置的塔器設(shè)計(jì)提供一些思考和啟發(fā)。