空分装置纯化系统配管的要点

肖 桓 张传武 马燕星

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

空分装置纯化系统配管的要点

肖 桓*张传武 马燕星

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

根据空分装置纯化系统的特点，探讨管道布置设计的一些特殊要求，对纯化系统管道设计进一步完善、优化，为类似设计项目提供一定的参考。

纯化系统 交替循环 设备布置 管道布置

空分装置是现代煤化工厂的重要公用工程装置和原料气生产装置，其安全运行直接关系着煤化工厂的开停和效益。由于空气中的碳氢化合物在冷箱的主冷凝蒸发器液氧侧聚集有产生爆炸的危险，而且水分、二氧化碳在深冷阶段会被冷冻，进而阻塞管路、阀门。因此, 为保证后续设备运行安全、可靠，空气在进冷箱进行深冷分离前，必须先通过纯化系统除去其中的碳氧化合物、水分以及二氧化碳。

空分装置纯化系统正常工作时，分子筛吸附器进出口流量、压力等在切换时能否保持稳定，将很大程度上影响整个空分装置的平稳运行，而分子筛吸附器能否稳定切换又很大程度上取决于其配套的管道系统设计是否合理，因此纯化系统配管在设计时就显得极为重要。本文以某项目42500m3/h空分装置为例，总结空分装置纯化系统中管道布置的特殊要求和注意事项。

1 工艺简介

经空冷塔冷却后的空气一般在 5～20℃温度进分子筛吸附器内被吸附净化，其流程见图1。

图1 分子筛纯化系统流程

水分、乙炔和二氧化碳都是极性或不饱和分子，分子筛对它们都有很强的亲和力，分子筛的共吸附性能使它在吸水的同时还可以吸附其他物质,这种亲和力的顺序：水分> 乙炔> 二氧化碳。由于是共吸附，势必会使分子筛对每种组分的吸附容量减少，因此在与分子筛接触之前，进吸附器的湿空气先经过氧化铝进行脱水处理。由于分子筛吸附器的工作周期必须在出口空气中出现二氧化碳之前结束(即切换)， 因此乙炔不能随空气进空分设备冷箱内，从而保证了主冷箱的安全。

再生是利用吸附剂温度越高、压力越低、吸附容量越小的特性进行的，因为气体温度升高，分子动能增大，吸附剂吸附不住吸附质时，吸附质就逃逸了。因此，再生是在高温、低压环境中进行的。

再生分为8个步骤进行：隔离高压、卸压、加热、冷吹、隔离低压、升压、并行、切换。

再生过程中，其核心设备分子筛吸附器要完成吸附—再生—吸附的反复循环，两台分子筛吸附器交替工作，一台吸附，另一台再生，一个循环周期为4～6h。如此频繁的切换，就要求在设计过程中充分考虑到设备和管道布置的合理性。

2 设备布置要点

首先，整个纯化系统采用露天布置。考虑到纯化系统污氮气排放量大的特点，应根据全年主导风向等条件，确定纯化系统在空分装置的相对位置。在本项目中，主导风向为东北风与东南风，因此将纯化装置布置于整个空分装置的西南侧，压缩机厂房布置于东南角，避免排放的污氮气随风飘散至空分装置压缩机厂房附近进而影响压缩机进气的空气质量。

其次，根据工艺流程，分子筛纯化系统位于预冷系统与分馏系统之间，由于分子筛纯化系统管道直径较大，因此分子筛吸附器布置时，在满足配管及操作空间要求的基础上，应尽量的靠近空冷塔和冷箱，其布置上要求尽量紧凑，以便节约管道长度，降低投资成本。本项目中，在分子筛吸附器与冷箱之间设有管廊，一方面，可以集中布置进出这两个系统的工艺管线和公用工程管线，便于大口径管道的布置，使整个装置的布管整齐美观； 另一方面也可利用管廊支撑冷箱与分子筛、冷箱与水冷塔之间的联系管道。

蒸汽加热器是分子筛再生的热源，因此在布置时应尽量靠近分子筛，这样可以有效的减少热损耗，并且应将分子筛的固定端设在靠近蒸汽加热器一侧，有利于温度补偿。

放空消音器应布置在空旷处并且高于周围建筑物[4]。

布置时还需考虑到分子筛装填及更换所需的通道及操作平台。某项目42500m3/h空分装置纯化系统设备布置见图2。

图2 空分装置纯化系统设备布置

3 管道布置

根据两台分子筛吸附器交替循环工作的特点，其分别对应的管道、阀门应采取对称布置，以便保证分子筛吸附器在切换时整个空分装置运行的稳定性。

分子筛吸附器有2个空气进口(污氮气出口)、2个空气出口(污氮气进口)，通过总管汇总的方式，再分别接入进、出口，见图3，一方面可以使吸附器两个进出口气量分配均匀，避免床层因受压不匀而产生错动，增强了吸附器在工作时的稳定性；另一方面使进分子筛吸附器内部的空气气流与整个分子筛床层均匀的接触，保证最佳的吸附、再生效果。

图3 分子筛吸附器进出口汇总管

分子筛纯化系统管道的典型布置见图4，其最大优点是管路结构紧凑，管路热变形引起的热应力通过管道的自身变形就可以进行补偿，这在小型空分(工艺管道公称直径<700mm) 的设计中是优先选用的方案。

图4 分子筛纯化系统典型管道布置

随着空分装置规模的不断扩大，分子筛吸附器体积变大，管道的管径也相应增大，按照此方案进行配管，管道自身柔性不足以补偿热变形引起的热应力影响，通过增加大拉杆膨胀节，虽然可以解决此问题，但是大拉杆膨胀节价格高、占用空间大、安装技术要求高，并且存在一定的安全隐患，因此该方案有一定的弊端需进一步改进。基于依靠管道自身柔性进行自然补偿的思路，可以选择将空气出口管线上的阀门落地安装，通过增加弯头、垂直管和管道总长，来提高管道的柔性，这样既可以很好的解决管道应力计算问题，同时阀门落地也便于进行日常检修和维护，而且分子筛顶部也不需要设置很大的管道支撑和阀门巡检的操作平台。

下面以该项目42500m3/h空分装置为例，介绍目前大型空分装置纯化系统部分的管道布置。

3.1 空气进口环线

进口环线由湿空气进口管线、吸附器卸压管线和再生气排放管线组成，具体布置见图5。

图5 空气进口环线管道布置

本项目交变循环工况正常吸附时：温度为15℃，压力为0.49MPa；再生时：温度为160℃，压力为0.01MPa。

在分子筛吸附器空气进口环线配管的时候需注意：

(1)在空气进分子筛吸附器阀门前设置疏水阀，这样空冷塔出来的饱和空气遇冷所形成的凝结水就可以连续排出，并且在分子筛吸附器底部管线上设置排水点，以防止万一操作失误造成带水事故，能够及时采取措施。

(2)管道布置时，不能阻挡分子筛填装及更换时所用的操作通道，考虑到分子筛吸附器填料量大，可能需要车辆靠近的情况，平台南侧梯子入口侧，管道高度设置不能过低。

(3)分子筛再生时需严格监控分子筛吸附器进口处污氮气的出气温度及采样数据，因此温度计及取样点设置需尽量靠近分子筛进口，避免测量误差。

(4)再生污氮气通过分子筛后，需高空排放，直排大气管线顶部需考虑防雨，底部需考虑排水导淋，以免管道内部积水，影响氮气泄放。因为导淋出口不但有水，还会携带少量氮气，因此排放点设置也需考虑氮气泄放安全。

3.2 空气出口环线

出口环线由净化空气出口管线、均压管线、冷吹管线和再生气进口管线组成，具体管道布置见图6。

图6 空气出口环线管道布置

本项目分交变循环工况正常吸附时：温度为21℃，压力为0.48MPa；再生温度：190℃，压力为0.01MPa。

在分子筛吸附器空气出口环线配管的时候需注意：

(1)本项目由西侧道路通往吸附器北侧操作平台的通道需通畅，充分考虑分子筛的装卸及操作场地空间。

(2)冷吹用氮气接入点尽量靠近再生污氮气进口控制阀，以减少加热和吹冷管线共用段，降低热量损耗。

(3)吸附器出口及污氮气进吸附器管线上的切断阀门需反向安装，以保证阀门关闭时的密封性。为保证密封效果，目前空分装置此阀门多为三杆阀。

(4)分子筛再生时需严格监控污氮气进吸附器的温度、压力，因此其压力表、温度计设置需尽量靠近分子筛出口，避免测量误差。

(5)分子筛再生时需严格监控蒸汽加热器出口温度，既要防止再生温度过低，达不到分子筛活化要求，同时又要避免温度过高，造成能耗过大，因此蒸汽加热器出口温度计需尽量靠近蒸汽加热器出口安装。

(6)蒸汽加热器顶部安全阀排放管线、蒸汽及凝液排放管线，需注意排放管管口高度及朝向，尽量避开人行通道，防止烫伤人员。

4 管道支架

空分装置纯化系统管线由于管道直径较大，并且正常运行时处于循环交变的工况之下，因此需要对其进行应力分析。其管架须严格依据应力计算报告一一对应进行设计，避免由于管架原因，而造成局部应力过大，影响管道或设备的使用寿命。

5 结语

合理的纯化系统设备布置与配管设计有利于空分装置的稳定运行。管道及其阀门的对称布置也有助于纯化系统的操作，在设备与管道布置的对称设计时，通过管系自身柔性对管道应力进行补偿较为经济合理。由于操作场地、工艺要求、设备条件(例如：立式分子筛吸附器)等方面的原因，空分装置纯化系统的配管还有其他多种形式，但均应合理的进行设备布置与管道设计。

1 蔡而辅.石油化工管线设计[M].北京：化学工业出版社,2004.

2 HG 20546-2009,化工装置设备布置设计规定[S].

3 HG/T 20549-98,化工装置管道布置设计规定[S].

4 SH 3012-2011,石油化工金属管道布置设计规范[S].

2017-05-23)

*肖 桓：工程师。2006年毕业于天津大学过程装备与控制工程专业。从事化工设备布置与配管设计工作。联系电话：(029)87988978， E-mail：xh2125@chinahualueng.com。