硫酸法烷基化装置仪表选型设计

2020-02-14董爱娜郑水成

仪器仪表用户 2020年2期

董爱娜，郑水成

（中石油华东设计院有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

目前，全球燃料清洁化的总趋势是汽油向低硫、低烯烃、低芳烃、低苯发展。《车用汽油》（GB 17930-2016）已于2016 年12 月23 日发布，汽油标准的提高，炼化企业需相应调整汽油池调和组分，限制催化加氢汽油、芳烃调和比例，降低车用汽油烯烃、芳烃含量。

烷基化工艺可以将异丁烷和C4 烯烃通过反应生成高辛烷值烷基化油，该产品特点有：零芳烃、零笨、零烯烃、低硫、低蒸汽压，RON 和MON 不仅绝对值高而且差距小，同时烷基化油具有良好的稳定性和低毒性，无腐蚀，便于储存和运输，是高辛烷值汽油的理想调和组分。

基于上述，烷基化装置成为炼厂提高汽油产品质量，优化产品结构，提高经济效益的迫切需要。本文将结合烷基化装置的特点及实际应用经验，通过对耐硫酸材料的分析，结合工程经验，介绍温度、压力、流量、液位及阀门等仪表选型原则及安装注意事项。

1 硫酸法烷基化装置特点

图1 硫酸浓度和温度对ALLOY20腐蚀的影响[1]Fig.1 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of aluminium 20[1]

硫酸法烷基化工艺主要有DuPont 公司Stratco 烷基化技术、Exxon Mobil Research and Engineering（EMRE）公司自动制冷技术和Lummus 公司CDAlky 低温烷基化技术，反应原理均是异丁烷和C4 烯烃在98%（wt）浓硫酸催化剂的作用下，反应生产高辛烷值烷基化油，副产正丁烷、异丁烷、丙烷和燃料气。本文以Lummus 公司CDAlky 低温烷基化技术为例，流程主要包括：选择性加氢、烷基化反应、压缩制冷、反应物分馏、酸排放系统等部分。由于采用浓硫酸做催化剂，烷基化反应部分、酸排放系统等部分含硫酸介质的仪表材质均需充分考虑腐蚀性要求。

2 耐硫酸介质材料分析

不同的材料在不同浓度或温度的硫酸中显示出不同的耐蚀性，彼此之间没有相同的规律。因此，耐硫酸材料的选用必须以试验和经验为基础。George.A.Nelson 首先根据大量的实验资料和工厂的使用经验绘制了耐硫酸材料选用图。他把硫酸的浓度-温度状态图（常压沸点以下）划分成10 个区域，各区内腐蚀率≤0.5mm/年的材料用表列出。

本装置含酸介质操作温度低于50℃，做催化剂的浓硫酸浓度在98%（wt）左右，但过程介质含酸浓度不一，结合George.A.Nelson 的材料选用图和材料表，结合不同仪表设备常用材料及以往工程经验，选取以下材质作为含硫酸介质仪表设备材质。

1）ALLOY20/UNS N08020（0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb）：一种铬镍钼铜固溶强化型铁镍基合金，专门发展用于硫酸中的合金。图1 表示ALLOY20 在硫酸中的等腐蚀图，可看出它在50℃以下，在整个硫酸浓度范围内都有较好的耐蚀性[1]。其热加工、冷加工及焊接性能均优良，并且也容易铸造成形。

2）哈氏合金BC：主要成分为镍-钼合金镍铬钼合金，目前广泛使用的有N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)。在氧化和还原两氛围状态中，对大多数腐蚀介质具有优异的耐腐蚀性能。图2、图3 表示哈氏合金B、C 在硫酸中的等腐蚀图，可看出它们在50℃以下，在整个硫酸浓度范围内都有较好的耐蚀性。

图2 硫酸浓度和温度对哈氏合金B腐蚀的影响[1]Fig.2 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy B[1]

图3 硫酸浓度和温度对哈氏合金C腐蚀的影响[1]Fig.3 Effects of sulfuric acid concentration and temperature on corrosion of hastelloy C[1]

3）钽：钽金属材料的耐腐蚀性能可同玻璃相比美[2]。从图4 可看出，在200℃以下，在整个硫酸浓度范围内钽都有较好的耐蚀性。但由于其价格昂贵，一般只用于压力仪表膜片。

3 仪表选型

3.1 温度测量仪表选型

图4 各种合金钢在硫酸中的等腐蚀图Fig.4 Isocorrosion diagram of various alloy steels in sulfuric acid

对于含酸介质，温度仪表（双金属温度计、热电偶、热电阻）应重点注意接液部件材质的选择，温度计套管直接与工艺介质接触，插入深度位于管道直径的1/3 ～1/2 处。受介质冲刷和腐蚀较严重，本项目选用ALLOY 20 作为外套管及法兰材质，垫片作为接液部件，也需考虑硫酸腐蚀，本项目垫片材质采用ALLOY20+PTFE。

3.2 压力测量仪表选型

压力测量仪表，包括压力表、压力和差压变送器。对于含酸介质，首选隔膜式，以减少接液部件。综合介质的腐蚀性、经济性以及常用膜片材料等因素，本项目压力仪表膜片及接液部件材质选用钽合金，法兰不接液，材质选用316L，垫片材质采用ALLOY20+PTFE，配冲洗环，材质为ALLOY20。

3.3 流量测量仪表选型

对于需要精确计量或需同时测量密度的场合，本项目采用质量流量计。从腐蚀性和实用性考虑，对于含酸介质，本项目质量流量计测量管及法兰材质采用哈氏合金B/C。

不需要精确计量场合，对于含酸介质，本项目首选电磁流量计。电磁流量计衬里采用PTFE 或PFA，从根本上解决了酸性介质腐蚀问题，经济合理。需要注意其它接液部件材质，本项目电极材质选用钽，接地环材质选用ALLOY20。

节流装置：节流件材质采用ALLOY20，法兰和取压管材质同管道材质。

3.4 液位测量仪表选型

对于含酸介质，液位就地指示均采用磁浮子液位计。远传首选双法兰液位变送器，测量范围较小时，选用浮筒液位变送器。中和池采用导波雷达液位计，硫酸罐采用高频雷达液位计。

综合腐蚀性、经济性以及液位仪表常用材料等因素，本项目液位仪表材质选择如下：

磁浮子液位计：本体及接液部件、浮子、法兰、排污阀、放空阀及短节等材质均采用316 内衬PTFE 或PFA。

浮筒液位变送器：本体及接液部件、法兰、排污阀、放空阀及短节等材质均采用碳钢内衬PTFE 或PFA，浮子材质采用ALLOY20。

双法兰差压液位变送器：膜片及接液部件材质为钽合金，法兰不接液，材质为316L, 垫片材质采用ALLOY20+PTFE，配冲洗环，材质为ALLOY20。

导波雷达液位计：导波杆材质—316+PTFE；法兰材质—316+PTFE。

高频雷达液位计：天线形式—平板式；材质—316+PEEK；法兰材质—316+PEEK。

3.5 控制阀选型

对于含酸介质调节阀，首选GLOBE 阀。当管道材质为ALLOY20 和316L 时，调节阀阀体及阀盖材质采用A351-CN7M，阀芯、阀座、阀杆材质采用ALLOY20，填料材质采用V 型聚四氟乙烯；当管道材质为20#时，阀体及阀盖材质采用A351-CF8M，阀芯、阀座、阀杆材质采用ALLOY20，填料材质采用V 型聚四氟乙烯。

对于含酸介质切断阀，当管道口径≥DN300 时，采用蝶阀；当管道口径＜DN300 时，采用球阀，材质选择原则同调节阀。

3.6 PH计选型

烷基化装置中，脱气废水、含油污水、酸碱密闭排放等均排至中和池，为保持中和池内污水PH 值达到排放标准，在中和池设2 个PH 计，1 个用于控制注酸或注碱量，1 个用于指示报警；另外，在污水泵出口管线也设置1个PH 计用于联锁。当PH 值超标时，联锁关闭外排管道切断阀，污水返回中和池。在中和池上的PH 计采用投入式支架，探头材质采用PVDF，法兰材质采用316+PVDF；在管道上的PH 计采用流通池式安装，流通池和连接法兰材质采用316L，与工艺管道材质一致，探头材质采用ALLOY20。

4 仪表安装注意事项

以下注意事项针对含酸介质仪表安装。

1）采用ALLOY20 节流装置，本项目均采用径距水平取压，取压短管规格：Ø60.3×3.91，材质：ALLOY20。一次取压阀为DN50 法兰闸阀，材质：ALLOY20。配双法兰差压变送器，膜片及接液部件材质选用钽合金，法兰不接液，材质选用316L, 垫片材质采用ALLOY20+PTFE，配冲洗环，材质为ALLOY20，与冲洗环连接的短节、截止阀、管帽等材质均为ALLOY20。