SINOALKY烷基化装置反应器管道设计
钱文英,任振甲
(中石化广州工程有限公司,广东省广州市510620)
摘要:硫酸法烷基化技术是目前使用最为普遍的烷基化技术。某SINOALKY硫酸烷基化装置采用“N”型三段静态混合立式反应器,反应效率高,能够充分利用空间,相关反应设备靠近布置,降低了管道布置难度,节约了装置投资,确保了装置长期、安全、平稳运行。结合反应器的特点及工艺要求,酸烃循环反应部分管道布置应做到管道长度短、弯头数量少,并合理预留支架位置。根据装置管道腐蚀特点,涉酸管道的材质以碳钢为主。对于流体流速大于0.9m/s或介质流动不稳定的涉酸管道,采用316不锈钢或Alloy20合金,阀门材质选用Alloy20合金。通过加固酸烃循环泵前平台基础及平台梁柱、合理设置支架,有效解决了管道的振动问题。
关键词:SINOALKY 烷基化装置 反应器 管道设计 材料选择 防振设计
  SINOALKY烷基化技术是低温硫酸法烷基化技术。该技术是由中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院、中石化洛阳工程有限公司等多家单位联合开发的新型烷基化技术,具有中国石化完全自主知识产权,打破了国外公司在硫酸烷基化技术领域的垄断[1]。
1 SINOALKY工艺特点
1.1 工艺流程
SINOALKY反应部分工艺流程示意见图1
图1 反应部分工艺流程示意
Fig.1 Processflowofreactionpart
  混合物分三段进入烷基化反应器,以浓硫酸
作为催化剂在反应器内进行烷基化反应。反应产
物经闪蒸取热罐提取出带有热量的异丁烷,闪蒸
取热罐罐底的浓硫酸经过酸循环泵返回烷基化反
应器;反应产物经过酸烃分离罐进一步分离,分离
出来的循环烃经过烃循环泵返回烷基化反应器。
1.2 烷基化反应器的特点
SINOALKY烷基化装置采用三段管式串联反
应器。由于酸烃密度差大,介质在水平流动方向
容易出现酸烃分离,而在垂直流动方向酸烃分离
现象明显减少。反应器采用“N”型三段立式布
收稿日期:2020-11-23;修改稿收到日期:2020-12-22。
作者简介:钱文英,高级工程师,本科,主要从事石化炼油管
道设计工作。:020-22192509,E mail:qianwy.lpec
@sinopec.com。
置,反应原料分三段分别进料,降低了局部进料的烯烃浓度,避免了过度反应,减少了副反应产物的
生成[1]30。反应部分的主要特点:在酸烃循环泵
的作用下,反应原料与硫酸在反应系统内连续不断地进行大流量的循环,使反应原料与浓硫酸催化剂充分混合、接触,提高了反应转化率。2 反应器的平面布置
烷基化反应器的特点是酸烃循环量大且管道直径大。因此,平面布置时应使酸烃循环部分的管道长度尽量短,不仅可以降低装置投资,还能够减少反应系统的酸藏量和烃藏量,提高开工效率。从停工检修的角度考虑,管道短还可以缩短停工退料的时间,减少废料处理量,降低处理难度。因此,与循环反应器直接相关的设备宜靠近布置。反应器平面布置见图2
图2 反应器平面布置Fig.2 Reactorlayoutplan
3 反应器的管道设计3.1 管道材料的选择
硫酸法烷基化装置采用浓硫酸作为烷基化反
应的催化剂,硫酸是一种具有极强腐蚀性的介质。涉酸管道材料的选用要重点考虑硫酸的腐蚀性。硫酸对金属的腐蚀机理为金属原子在酸性环境下失去电子变成金属离子,见式(
1)。→ MMn++ne
(1)
从式(1)可知,硫酸对金属的腐蚀主要是电化学腐蚀。由于烷基化反应部分不含水,没有电解质的存在,电化学反应不能持续进行。浓硫酸对碳钢的腐蚀反应见式(
2)和式(3)。Fe+H2SO→ 4FeSO4+H2
(2)2FeSO4+2H2SO4(浓→ )Fe2(SO4)3+SO2+2H2
O(3)
从式(2)可知,由于该腐蚀环境没有电解质的存在,腐蚀生成的FeSO4不能电离。从式(3)可知,FeSO4继续与浓硫酸发生反应,生成Fe2(SO4)3,在碳钢表面形成致密的Fe2(SO4)3氧化膜,从而抑制了硫酸对碳钢的持续腐蚀。在一定的温度与流速范围内,生成的氧化膜不会被
破坏,烷基化装置管道材质选用碳钢即可[
2]
。但硫酸对碳钢的腐蚀速率与硫酸的温度、流速以及流动状态等密切相关。温度高,副反应产物增加,所以烷基化反应过程对温度有严格的控制,一般控制在0℃。根据工程实际经验,输送浓硫酸的碳钢管道流速一般控制在0.9m/s以内。高于该流速时,碳钢管道表面形成的氧化膜会被冲刷掉,
硫酸对金属的腐蚀将持续进行[3]
。流动状态不
稳定也会对碳钢表面的氧化膜形成冲刷腐蚀。因此,酸循环泵出、入口等流速高的涉酸管道选择耐腐蚀性较好的316不锈钢。在酸烃循环泵出、入口的缩径段以及调节阀组等流速高且流动不稳定的部位,采用耐腐蚀性更好的Alloy20合金。流
体经过弯头、阀门等处易形成湍流,涉酸管道上的阀门宜选用全通径闸阀,阀门材质选用Alloy20合金,选材结果见表1。采用3D长半径弯头也可以缓解硫酸对弯头附近管道的冲刷。另外,涉酸管道避免使用承插焊型式的管件,应采用对焊型式的管件以避免缝隙腐蚀。
表1 泵入口及出口选材
Table1 Materialselectionofpumpinletandoutlet
3.2 管道布置
SINOALKY烷基化装置酸烃循环反应部分管道布置应做到管道长度短、弯头数量少,见图3。由于反应部分管道直径大,阀门重,且与转动设备相连,因此在管道布置时,应提前考虑管道支架的设置。对于冲刷严重的管道,管道弯头选用3D长半径弯头,在规划反应构架层高时,应同时规划3D长半径弯头管道的路由。长半径弯头管道改变走向时,可以采用“平拐”的方式。流体在管道变径段及调节阀组等流动不稳定的地方,容易对下游管件造成冲刷腐蚀,宜在该管段下游设置至少5倍公称直径的直
管段。为了避免硫酸进入下游设备,从闪蒸取热罐引出的异丁烷管道应“步步高”接至闪蒸脱液罐。考虑到硫酸黏度高,涉酸管道的排凝管道直径应不小于DN40。根据工艺流程要求,酸烃循环泵出口管道需设置流量计。为了保证测量精度,流量计前后一般设有直管段,在管道设计时,应采用既不增加管道长度又能兼
顾测量精度的流量计选型方案。
图3 反应器管道布置Fig.3Pipinglayoutofreactor
3.3 管道防振设计
对于硫酸法烷基化装置,硫酸流动不稳定会对管道形成持续冲刷与腐蚀。管道的振动不仅会造成管道材料的疲劳失效,还会导致阀门的泄漏,泄漏的硫酸极可能导致非常严重的事故。
对于烷基化反应部分,与动设备相连的管道为酸烃循环泵进、出口管道。根据SH/T3057—2017《石油化工落地式离心泵基础设计规范》,电机功率大于560kW的离心泵基础极易出现振动现象。由于酸烃循环泵为大功率离心泵(电机额定功率大于1000kW),机组运行时会带动与其
相连的管道一同振动。另外,由于酸、烃介质密度差大,介质会出现分层从而造成流动不稳定,也会引起管道振动。因此,如果管道支架设置不当,在双重振动因素作用下,管道会出现非常严重的振动问题,为管道自身的安全及装置的平稳运行带来隐患。在工程设计阶段,主要从以下几方面来解决管道振动问题。
1)加固泵前管道支撑平台基础,必要时做整体基础。管道附加在平台上的荷载应考虑动力荷载系数。GB50009—2012《建筑结构荷载规范》规定,动力荷载系数根据需要可取1.1~1.4不
等。平台的梁柱连接型式应采用焊接,尽量不使用栓接。在不影响管道布置及操作检修前提下,平台的立柱间设置斜撑,同时加大平台梁排布的密度并设置水平撑。
(2)泵出、入口管道阀门前后均设置支架,分散管道在平台上的生根点。对于酸烃循环泵出、入口管道上的压力表、放空阀等分支管道,在其根部增加支架等加固措施以解决其振动问题。
通过采取上述防振措施,装置开工后持续平稳运行,未出现管道振动问题,说明措施有效。4 结 论
(1)SINOALKY烷基化反应器采用了三维立面“N”型设计方案,提高了反应效率,降低了装置能耗,减少了装置投资,降低了管道布置难度。
(2)低温硫酸法烷基化装置,涉酸管道材质以碳钢为主。对于流速较高以及流态不稳定的管道,根据需要选用316不锈钢或Alloy20合金,必要时管道弯头采用3
D长半径弯头。(3)涉酸管道上的阀门宜选用全通径闸阀,阀门材质选用Alloy20合金。
(4)酸烃循环反应部分管道布置应做到管道长度短、弯头数量少,并合理预留支架位置。
(5)酸烃循环泵进、出口管道振动主要是由介质的不稳定流动及大功率泵的振动造成的。通过加固泵前平台基础及平台梁柱、合理设置支架,有效解决了管道振动问题,确保了装置长期、安全、平稳运行。
参考文献
[1]董明会,宗保宁.SINOALKY硫酸法烷基化工艺技术及其工
业应用[
J].石油炼制与化工,2019,50(5):29 32.
[2]姜万军,潘晓斐,杨冬伟.硫酸烷基化装置的管道材料设计[J].石油化工腐蚀与防护,2017,34(3):33 36.
[3]欧阳健,郑明光,张绍良,等.DUPONT工艺硫酸烷基化装置的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护,2012,29(6):31 35.
(编辑 王艳星)
DesignofreactorpipelineinSINOALKYalkylationunit
QianWenying,RenZhenjia
(SINOPECGuangzhouEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510620)
Abstract:Sulfuricacidalkylationtechnologyisthemostwidelyusedalkylationtechnology.ASINO ALKYsulfuricacidalkylationunitadopts“N”typethree stagestaticmixingverticalreactor,whichhashighreactionefficiencyandcanmakefulluseofspace.Therelevantreactionequipmentisarrangedclosetoeachother,whichcanreducethedifficultyofpipelinelayout,savetheinvestmentoftheunit,andensurethelong term,safeandstableoperationoftheunit.Combinedwiththecharacteristicsandprocessrequirementsofre actor,thepipelinelayoutofacidhydrocarboncirculationreactionpartshouldbeshortwithfewelbows,andthesupportpositionshouldbereservedreasonably.Accordingtothecorrosioncharacteristi
csofthepipeline,thematerialoftheacidbearingpipelineismainlycarbonsteel.316stainlesssteelorAlloy20shallbeusedforacidbearingpipelinewithfluidflowrategreaterthan0.9m/sorunstablemediumflow,andAlloy20shallbeusedasvalvematerial.Bystrengtheningthefoundationandbeamcolumnofthefrontplatformoftheacidhy drocarboncirculatingpumpandreasonablysettingthesupport,thevibrationproblemofthepipelineiseffec tivelysolved.
Keywords:SINOALKY,alkylationunit,reactor,pipingdesign,materialselection,antivibrationdesign
(上接第43页)
Analysisofspaceutilizationanddevelopmentof
upgradingtechnologyofhydrogenationreactor
YangXiuna,PengDeqiang,JinPing,GuanMinghua
(SINOPECDalianResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals,Dalian,Liaoning116045)
Abstract:Bystudyingthemainfactorsaffectingthespaceutilizationofhydrogenationreactor,fromtheperspectiveofmaximizingthespaceutilizationofhydrogenationreactor,thetechnologiesofimprovingthespaceutilizationofhydrogenationreactoraredeveloped,includingthereactorinternalspackagedtechnologyand/ortheoptimizationoftheteethsphericalcatalysttechnology.Onthebasisofensuringtheoverallefficien cyandoperationcycleofhydrogenationreaction,thespaceutilizationrateofhydrogenationreactorisincreasedby10%~23%.Thenewinternalspackagedtechnologycansolvetheengineeringamplificationproblemsofunevenmaterialdistrreactor technology
ibutionandlocalhotspots,andmakethespaceutilizationrateofthereactorincreaseby5.3%~14.5%comparedwiththetraditionaltechnology.Theoptimumtechnologyofteethsphericalcatalystcanincreasethespaceutilizationrateofthereactorby4.7%~8.5%,increasetheprocessingcapacityofcrudeoil,andbringsignificanteconomicbenefits.
Keywords:hydrogenationreactor,spaceutilization,scaletray,distributingtray,coldhydrogendisk,teethsphericalcatalyst

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