刘宝洪

(中海油石化工程有限公司,山东 济南 250011)

随着塑料工业的快速发展,线性低密度聚乙烯(LLDPE)在食品包装、农用棚膜、购物袋等薄膜制品中的应用不断加大[1]。近年来,在消费升级大背景下,LLDPE市场需求增长迅速。气相流化床生产LLDPE工艺具有流程简单、生产灵活、经济、安全等特点,是世界上最成熟的聚乙烯工艺技术之一[2]。聚合反应需要在温和的条件下,在单一流化床反应器中进行。由于反应的吸附剂体系对毒物十分敏感,因此对反应所需的原料的规格要求很高,绝大多数原料要经过原料精制单元处理后才能加入反应器。原料精制单元主要对反应所需要的各种原料进行精制,是保证聚合反应正常进行的首道工序,也是生产正常进行的关键。主要介绍LLDPE装置原料精制单元在设计过程中,如何通过优化设计,使系统能够在生产过程中平稳运行、节能减排,为整个装置创造良好的经济效益。

1 原料精制单元简介

聚合反应需要的各种原料中,H2O、O2和CO等含量超标是造成装置停车的重要原因[3]。装置运行一段时间之后,原料精制床层内的吸附剂需要定期用热氮气(约290 ℃)进行再生。为了实现装置连续生产,设置两台精制床,一台正常运行,另外一台进行吸附剂再生或者备用。再生管线的设计是精制单元的重点与难点之一,再生管线设计的是否合理直接关系到吸附剂的再生质量和装置热氮气的消耗量。为实现再生时复杂的工艺操作要求,设计时有两个主要问题值得研究。一是管道上相互切换的8字盲板、阀门比较多,如何在相互切换时操作方便是装置设备布置和管道布置的重点;二是管道涉及管道等级分界多、介质种类较多、操作工况较多,如何确保安全生产至关重要。

2 原料精制单元设备布置

原料精制单元的设备布置主要分为平面布置和立面布置。设备布置应该优先考虑操作者的健康和安全,其次是满足工艺要求,便于操作维修。

2.1 平面布置

原料精制单元的设备平面布置详见图1。按“工艺流程顺序和同种设备集中布置”的原则,北侧主要是乙烯精制,南侧主要是氮气精制、异戊烷精制和共聚单体精制。(1)每种原料精制设备都有两台,互相为备用关系,因此相邻布置;(2)为了方便与工艺管道及公用工程管道连接,在两排设备中间设计装置内管廊。

图1 原料精制单元的设备布置

2.2 竖面布置

由于吸附剂再生时操作温度较高,在平台设计时要特别注意平台的高度和开孔大小,一定要避免塔设备受热向上及向下热膨胀时设备的封头和外壁与钢梁相碰。同时要注意设备筒体上的设备管口高度,不要与平台太靠近,导致仪表无法安装或者检修。再生管线上8字盲板和调节阀很多,因此需要设置充足的操作空间以满足现场操作及检修要求。

南侧设备的竖面布置见图2。床层再生用的热氮气由再生氮气加热器把氮气加热到所需要的温度。热氮气经过氮气分配管线进入再生精制床层。电加热器尽量放在所有精制设备的中间位置,减少热氮气到再生床层的管线长度,减少过程热量消耗。同时考虑到电加热器吊装及抽芯的距离要求,把电加热器布置在了9 m层,避免与框架钢结构碰撞,同时方便抽芯。

图2 原料精制单元南侧设备的竖面布置

3 原料精制管道布置

原料精制单元管道特点如下:(1)介质种类较多,包含共聚单体、高温氮气、常温氮气、过热蒸汽、氢气、乙烯等介质;(2)涉及管道材料等级和管道等级变化较多,包含7种材料等级及多处管道等级变化[3];(3)管道布置除应便于催化剂的装卸要求外,还应满足催化剂的再生要求;(4)管线运行工况组合较多。设备运行过程中,存在较多一开一备的情况。吸附剂再生过程非常复杂,因此在管道应力分析过程中,根据设备具体运行可能出现的搭配,应力计算工况组合较多。吸附剂再生相关管道设计应考虑的因素及应对措施如下。

3.1 管道应力分析满足要求

(1)精制床再生时,热氮气温度约为290 ℃,故再生管线温度特别高。对再生管线配管时,不能只考虑如何尽可能减少管线长度,还需要考虑增加管线的柔性。取共聚单体干燥器举例说明。两台共聚单体干燥器的管道布置如图3所示。干燥器出口管线首先向南一段距离后,然后转弯向北汇总到总管上,增加了与每台干燥器有关的各分支管线的长度。这样不仅可以增加每个分支管道的柔性,有效地减少在不同操作工况下两台设备进出口管道的相互影响,减少设备管口受力,保证安全生产,还能够减少弹簧的使用数量,增加整体管系的稳定性[3]。

(2)在对管线进行应力计算过程时,不仅要考虑管道自身的热胀冷缩,还应该考虑静设备热胀冷缩时对管道施加的附加位移[4]。设备和进出口管道一起建模,作为整体进行应力计算。经过应力计算,整个管系的一次应力和二次应力必须满足要求,法兰泄露和设备管口强度也得进行应力校核。

3.2 管道布置减少液袋和死区

在吸附剂再生过程中,需要利用氮气将床层和相关管道中的可燃介质发生置换以防止可燃介质与非净化风接触发生爆炸。管线设计时,应尽量减少死区和液袋,防止置换后的相关管线有残留的可燃介质,造成安全隐患。

3.3 相邻床层方便切换

吸附剂再生时,床层切换主要靠相关阀门来实现。为了实现两个设备床层中的介质不相互串流,需要及时切换相应的8字盲板。因此切换用的阀组和8字盲板应集中布置,方便操作。

4 管道支吊架设计

(1)管道支吊架对整个管线的安全生产至关重要。按照规定,预期寿命内热循环次数超过7 000的管道,应进行管道应力计算。在管道应力计算时,计算温度取正常操作温度,并非总是偏于安全的,不仅应考虑正常操作条件下的温度,还应考虑开车、停车、再生及蒸汽吹扫等工况。在选择再生管线的支架支撑形式时,必须严格遵循管道应力分析计算结果。综合分析各个阶段的操作温度和操作压力,选取最苛刻的结果作为支架选择的依据。

(2)再生管线如果使用普通的保温管线的管托,热氮气在流动过程中会通过管托浪费很多热量,例如再生氮气加热器离乙烯脱CO2器较远,热量散失太多就会导致床层升温慢或者达不到要求温度,这样就会大大增加热氮气的使用量。针对这种情况,再生管线的支架设计过程中,增加了特殊的隔热支架。隔热管托与普通管托的具体结构详见图4。普通保温管托管架直接接触热的管道,部分热量会通过管架传导到立板上。隔热管托通过设置隔热层,杜绝了热管道和鞍座之间的热传导。隔热层抗压强度≥12 MPa,导热系数≤0.12 W/(m·k)(推荐采用膨胀蛭石),厚度为50 mm。通过特殊隔热管托的使用,提高了吸附剂的再生质量,减少了装置热氮气的消耗量。

图4 保温管托和隔热管托结构形式

(3)承重支架应该放置在钢结构上方,不应放在格栅板上;对于荷载较大的承重支架,为了减少摩擦反力,应设置低摩擦系数滑动组件。低摩擦系数滑动组件的主要结构是聚四氟乙烯板和抛光的不锈钢镜面板相互摩擦,通过试验得到的摩擦系数能够达到0.1。

(4)如果自然补偿不能使管道的柔性得到足够改善,那么就需要增设弹簧支架[6]。弹簧的选型要严格遵守应力计算结果。再生管线上设置的弹簧支架很多,在弹簧形式选择时,如果安装空间允许,采用F类。这种弹簧在钢平台上易于安装,便于现场操作及维修。为了保证管道不会因为位移太大从弹簧支架上脱落,在设计支架时,一定要考虑弹簧支架所在位置点的水平位移量。如果水平位移量特别大时,建议将支架安装在偏移的位置,这样能够减少在冷态和热态位置时支架垂直作用线的偏差。

5 总结

LLDPE装置原料精制单元的设计,关键在于合理的设备布置和管线布置。只要掌握正确的设计理念,深入理解再生管系设计的各方面要求,通过各种方案的对比,对管道布置进行合理优化,就能够实现,装置的平稳运行、安全可靠、节能减耗的目标。希望通过此文,能够为后续类似装置的设备布置和管道设计提供借鉴。