芳烃装置吸附塔与旋转阀的布置及配管.pdf

第 4 7卷第 3期 2 0 1 0年 6月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T＆P I P I N G Vo 1 ． 47 No ． 3 J u n ． 2 0 1 0 芳烃装置 吸附塔与旋转 阀的布置及配管 余 萌祥 华 陆工程科技有限责任公 司 ， 西安7 1 0 0 5 4 摘要 芳烃装置 中的吸 附分 离工艺 多采用美 国某专利 商的工 艺， 它使用一种 固体 吸附剂和一种液相 解吸剂以及 一 个叫做 旋转阀的流体 分配装置 ， 通过模 拟移 动床 的方 法从混合进料 中以高收 率获得 高纯度对二 甲苯抽 出液。该 装置的管道设计是围绕吸附塔与旋转阀展开的， 由于该工艺对于吸附塔和旋转阀之间相连的 2 4根床层管道要求 等容积配管， 且对床层最大容积有所限制， 因此管道设计难度可想而知。文中将从设备布置和管道布置两个方面 进行分析 ， 梳理设计思路， 最终满足吸附分离装置的管道设计要求。 关键词 吸附塔； 旋转阀； 等容积配管； 床层管道 中图分类号 T Q 0 5 0 ． 2 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 1 0 0 3 - 0 0 4 2 - 0 5 La y o ut o f Ab s o r pt i o n To we r，Ro t a r y Va l v e a nd Pi p i ng i n Hy d r o c a r b o n Pl a n t YU M e ng - we i H u a L u E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a Ab s t r a c t Th e a bs o r p t i o n a nd s e pa r a t i o n pr o c e s s i n h y d r o c a r bo n p l a n t ，i n mo s t c a s e s，i s t he p r o c e s s i n a n Ame r i c a n pa t e n t ．I n t hi s p r o c e s s ，a s o l i d a b s o r p t i o n a g e n t a n d a l i q u i d d ea b s o rpt i o n a g e n t a r e u s e d w i t h a r o t a r y v a l v e w h i c h i s u s e d a s fl u i d d i s t r i b u t i o n d e v i c e，t h e h i g h l y c o n c e n t r a t e d me t h y l b e n z e ne l i q ui d i s o b t a i n e d，t h r o u g h t he me t h o d o f s i mu l a t i n g mo v i n g b e d，f r o m t h e mi x e d i n l e t flu i d wi t h a h i g h r e c e i v i n g r a t e ．T h e p i p i n g d e s i g n i n t h i s p l a n t i s c a r rie d o u t b a s e d o n t h e p o s i t i o n s o f t h e ab s o r p t i o n t o w e r a n d r o t a r y v a l v e ．T he d e s i g n o f t he p i pi n g i s d i f fic u l t b e c a u s e 2 4 p i p e s b e t we e n t he a bs o r pt i o n t o we r a n d t h e r o t a r y v a l v e i s r e q ui r e d t o b e wi t h e q u a l v o l u me a n d t h e ma x i mu m v o l u me b e t w e e n t w o b e d s i s l i mi t e d ． I n t h i s a r t i c l e ，t h e a n a l y s i s f r o m t w o a s p e c t s ，t h e l a y o u t o f e q u i p me n t a nd l a y o u t o f pi pi n g，wa s c a r r i e d o ut ，s o t h a t t h e d e s i gn me t h o d c a n f u l fi l l t h e r e q ui r e me n t s i n t he s e t wo a s p e c t s ． Ke y wo r d s ab s o r p t i o n t o w e r ； r o t a r y v a l v e；p i p i n g l a y o u t wi t h e q u a l v o l u me；p i p i n g b e t w e e n t w o b e d s 1 工艺原理 吸附分离工艺将 吸附剂装在两个立式吸 附塔 内， 每个吸附塔内有 l 2个床层 ， 两个 吸附塔底部都 有各 自的塔底泵 ， 两个吸附塔塔底循环泵使得两个 吸附塔 内的工艺物料形成闭路循环。两个吸附塔共 有 2 4根床层管道与旋转阀相连 ， 进出吸附塔七股工 艺物料是通过旋转 阀进行的。旋转 阀旋转， 能同时 改变进出吸附塔七股工艺物料的进 出口位置 ， 利用 旋转阀和吸附塔底部 的循环泵 ， 采用 MO X I R E X控 制技术， 使旋 转 阀周 期性 旋转 大约 每隔 0 ． 7 5 1 ． 7 5 mi n 旋转一次 ， 每次旋转 1 5 。 ， 使得进 出吸附 塔 内的工艺物料周期性 向下切换 ， 模拟成吸附塔 内 的吸附剂“ 连续” 向上运动 ， 根据负荷和泵送循环流 量所处的区域状态向循环流量控制器提供合适的流 量设定值 ， 从而模拟成吸附塔 内吸附剂与工艺物料 之间的逆流流动 。然后利用吸附剂对 C A四种异 构体吸附能力的不同， 将连续进入吸附塔 内混合 C A中的 P X优先进行吸附 ， 同时经过精制和解吸 ， 将 混合液分离成两股物料送往精馏单元。 该装置的特点是 采用了模拟移动床原理 ， 利用 旋转阀及吸附塔塔底循环泵 ， 模拟成 吸附塔内吸附 剂与工艺物料之间的逆流流动； 吸附剂选择性强 ， 得 到的 P X产品纯度高 ， 收率高。 收稿日期 2 0 0 9 -0 9 - 0 3 作者简介 余萌瓣 1 9 7 5 一 ， 男 ， 湖北省仙桃市人 ， 工程师。从事多年 压力管道设计 ， 近年来主要从事三维工厂设计研究工作。 2 0 1 0年 6月 余 萌榉 ．芳烃装置吸 附塔 与旋转阀的布置及 配管 4 3 2 设备布置 2 ． 1 特 殊设 备 吸附分离装置的核心设备主要有两种 其一是 吸附塔； 其二就是旋转阀了。由于其工作原理的特 殊性 ， 这两种设备也可称为特殊设备。 2 、 1 ． 1 吸附塔 吸附塔是包含吸附剂和分布器格栅的容器 ， 吸 附工艺中吸附塔有 2 4个床层 ， 每个大约有 1 m高 ， 每两个相邻的床层之间有一个特殊的分布器格栅 ， 这种格栅对上面的床层也起到支承板的作用。除了 床内部的格栅外 ， 每个吸附塔 的顶部和底部也有格 栅 。通过 这些 格 栅液 体 由吸 附室循 环 泵送 入 和 抽出。 2 ． 1 ． 2 旋 转 阀 旋转阀是特殊的分配装置， 它以一定的时间间 隔对床层管道进行切换 ， 使进 出吸附塔 的七股工艺 物料按适当的顺序进入或离开 2 4个床层。它 的主 要部件 包括 定子 盘、 转子 盘 、 密封垫 和拱顶 密封 罩等。 此外， 还需要液压传动系统和莫尼列克斯 M o n i r e x 泵送循环数字控制系统来控制旋转阀的步进 动作 ， 并对七股物料的流量进行控制 。 2 ． 2设备布置方案 根据工艺要求 ， 两个吸附塔与旋转 阀之间的关 系最为紧密， 也最为重要 ， 因此首先需要确定吸附塔 与转阀的相对位置 。由于有床层管道最 大容积限 制 ， 同时还要满足 2 4根床层管道等容积 的条件 ， 因 此两个吸附塔必须紧密布置在旋转 阀附近。经过实 地考察与设计分析 ， 只有将两个吸附塔 以旋转阀为 中心呈 中心对称布置才能最大限度地满足等容积配 管的要求。此外 ， 考虑将旋转阀的床层管道接 口与 吸附塔中部的床层管道接 口 F 7和 F 1 9 设 定在 同 一 高度 ， 使旋转 阀基本位于吸附塔中部位置 ， 最大限 度地为管道布置提供便利 。 其他设备布置考虑。根据 石油化工企业设计 防火规范 ⋯要求 对于液化烃的塔 区平 台或其他 设备的框架平台， 应设置不少于两个通往地面的梯 子 ， 作为安全疏散通道 。因此在框架南北两侧各布 置一个楼梯 ， 两梯之 间的距离约 为 2 3 m， 因此可 以 满足“ 相邻安全疏散通道之 间的距离不应 大于 5 0 1 13 ” 的要求。塔底循环泵共设置三台 ， 为两开一备组 合， 且进 出口为上进上 出型 ， 考虑为泵组搭建操作平 台， 将泵进 出口阀组置 于该 平 台上 ， 以便操作和维 护 ， 同时可以节省地面的空间 ， 以便对泵组进行检修 和维护 。 3 管道布置 3 ． 1 管道布置要求 3 ． 1 ． 1 床层管道总容积定义 对床层 管道 而言 ， 其 总容积 简称 T F V T o t a l F l u s h e d V o l u m e 由三部分组成 ， 计算公式为 TF V EPV ACI V RVI V 其中 E P V E x t e r n a l P i p i n g V o l u me 指从吸 附塔管 口法兰面至转 阀管 口法兰之间的管道体积。 此体积 由最终 的管道布置决定。 AC I V A d s o r b e n t C h a mb e r I n t e r n a l Vo l u me 指吸附内部一个吸附室的体积， 包括管 口法兰以内 的管道部分。除 1号和 1 3号床层管道 的 A C I V为 0 ． 0 m 之 外 ， 其余 2 2根 床 层 管 道 的 A C I V 都是 0． 21 1 m 。 R V I V R o t a r y V a l v e I n t e rna l V o l u m e 指转 阀内部的体积 ， 包括管 口法兰 以内的管道部分。所 有偶数号床层管道 的 R V I V均为 0 。 0 1 0 4 m ， 而所 有奇数号床层管道的 R V I V均为 0 ． 0 0 8 8 m 。 3 ． 1 ． 2 床层管道容积的要求 1 最大容积要求。根据工艺要求 ， 每根床层 管道的总容积 T F V 不能超过 0 ． 4 5 m 。 2 等容积要求。根据工艺要求 ， 每根床层管道 的总容积 T F V 要近似相等 ， 偏差不得超过 0 ． 5 ％。 3 ． 1 ． 3 床层管道管径的要求 根据工艺商要求 ， 床层管道尽量多使用 1 5 2 ． 4 m m 6 管道进行布置， 容 积无法满足要求 时， 可适 当使用 2 0 3 ． 2 ra m 8 ” 管道进行调节 ， 除旋转阀管 口 法兰 1 2 7 m m 5 ” 外 ， 其余管道均不能使用 1 2 7 m m 5 管道 。 3 ． 1 ． 4 床层管道切断阀安装要求 床层管道上的切断阀均为闸阀。根据工艺商要 求 ， 床层管道上的两切断阀应尽量安装在立管上 ， 这 样做是为了避免介质中的残渣沉积在阀门的密封槽 中， 导致 阀门无法关 断。此外两切断阀间的导淋阀 要水平安装 ， 且阀门尽量靠近主管道 ， 以减少管道总 容积 。 若因无法满足容积要求 ， 而不得不将切 断阀水 4 4 化工设备与管道 第4 7卷第 3期 平安 装 时， 该 阀 门的 阀杆 也 必须水 平 安装 ， 原 因 同上。 3 ． 1 ． 5 满足管道布置规定的一般性要求 。 3 ． 2 吸附塔和旋转阀的管口方位 由于旋转阀的 2 4个床层管道管 口要布置在同 一 平面内， 而且必须按照一定的顺序排列 ， 因此其管 口方位没有任何调整的余地 ， 只能按照供货商 的图 纸进行布置 如图 1 所示 。 图 1 旋转 阀管 口方位 此时 ， 如何确定吸附塔 的相对应管 口方位就显 得尤为重要了。由于工艺对管道提 出的特殊要求 ， 因此两吸附塔上的床层管道管 口均集 中布置于靠近 旋转阀一侧 ， 以降低管道的总容积 ； 此外这些管 口还 需要按照一定的顺序排列 ， 以便将 2 4根床层管道合 理布置 如图2所示 。 图2 1号吸 附塔管 口方位 F 2～F 1 2管 口为 1号吸附塔的 1 1 个床层管道 接 口， 分别与 21 2号床层管道连接 ， 而 1号床层管 道则与塔顶循环管相连 ， 没有对应的设备管 口。这 1 1 个管口均按照一定顺序布置在靠近旋转 阀一侧 。 2号吸附塔的主要管 口方位与 l 号吸附塔成中心对 称布置。 3 ． 3 管道容积计算模型 要计算 出床层管道 的总容积 T F V ， 必须对管 道上每个部件的容积进行累计。因此 ， 为管道上所 用到的管件建立了一个 当量容积数据库 如表 1所 示 。所 谓 当量 容 积 就是 指 单 位 数 量 下 的管 件 容积 。 表 1当量容积 管件名称 当量容积／ m 6 9 0度弯头 1 个 6 ” 4 5度弯头 1 个 6 5 ” 同心异径管 1 个 8 ” x 6 ” 同心异径管 1 个 5 ” 管道 1 T El 6 ” 管道 l 11 1 8 ” 管道 l m O． o 0 6 6 9 7 1 6 9 0． 0 o3 3 4 8 5 8 5 O． o o 2 1 9 3 6 8 4 O． o o 3 8 7 9 6 5 3 O． O 1 2 6 8 7 6 4 4 0． 0l 8 6 5 0 7 01 0 ． o 3 2 3 9 7 3 6 8 这些数据是通过数学计算 得出的， 管道为 化 工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 中的 I a系 列 ， 管 道 壁 厚 取 S C H 4 0 。各 管 件 的 计 算 公 式 如下 。 9 0度弯头体积 V2 , r r R r Z ／ 4 其中 R为弯头 半径 ， r 为管道内径 4 5度弯头体积 V 9 0度弯头体积／ 2 异径管体积 V ,r r h R 肼 ／ 2 ／ 3 其中 R 为大端内径 ， r 为管道内径 ， h为异径管长度 管道体积 V r r R h 其 中 为管道 内径 ， h 为管道长度 此外 ， 对于法兰， 其内部容积基本等同于等长度 的管道容积 。对于阀门而言 ， 其 内部构造复杂 ， 要通 过普通计算得到其容积是很困难的 ， 但 由于管道上 的阀门个数有限， 而且每根床层管道上的阀门数量 相同， 因此可以考虑将阀门的容积按照等长度 的管 道容积近似计算。这样计算 出来 的总容积偏 差不 大 ， 而且只会 比实际的容积稍大些 ， 这不会影响需要 满足的条件。 有了上述数据 ， 就可计算出床层管道的外部管 道容积 E P V ， 从而进一步得到总容积 T F V 。 3 ． 4 管道布置方案 3 ． 4 ． 1 设计思路 首先 ， 将 2 4根床层管道按照一定顺序布置， 然 后初步计算各管道的总容积 T F V ， 从 中挑选 出一 余萌榉 ．芳烃装置吸附塔与旋转阀的布置及配管 4 5 根容积最大的管道， 并将其管长调整到最短 。然后 积 T F V 相等 偏差在 4 -0 ． 5 ％以内 。 通过添加 2 0 3 ． 2 mm 8 ” 管道将其他 2 3根管道的外 3 ． 4 ． 2 设计方案 部容积 E P V 扩大， 最终实现2 4根床层管道的总容 1 平面布置方案 如图3 所示 。 I _ ／ 0 口。 ～ ， c ； 1 o 、 l I 0 卜 、 ， 一 一 1 O l l - ／ 一 _ 缓 耋 L 三 ．／ 1 、。 _j ‘ _一 a一 2 立面布置方案 如图 4所示 。 2 吸附塔 l 号暖 辩 图 3平面布置方案 } “ 上 、 瓣 l - ＼ 一一 a 0 i 一 B B 图 4立 面 布置 方案 3 设计方案说 明。以 1号吸附塔为例 ， 从其 立面布置图中不难看出 ， 吸附塔管 口 和 F 1 2在竖 直方向上距离旋转阀床层管道接 口最远 ， 因此必须 保证该管道的水平管道距离尽量短。然后按照吸附 塔管 口距离旋转阀管 口的远近依次布置其余各床层 管道。各管道的竖直管段和水平管段的长度变化如 图 5所示 。 这样就可以实现各管道总容积近似相等， 最后 再利用 2 0 3 ． 2 m m 8 管道来调整部分管道 的容积 ， 将 2 4根床层管道 的总容积偏 差控制在 0 ． 5 ％之 内， 最终实现“ 等容积配管” 的要求 。 拙 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0I 1 1 21 3 l 4 l 5 1 61 7 l 8 l 9 2 O 21 2 2 2 3 2 4 管 线 号 图5 竖直管段和水平管段的长度变化 3 ． 5总容积计算表 2 4根床层管道总容积计算如表 2所示 。 从表 2中可以看 出 1 体积偏差 0 ． 5 ％。 2 总体积 ≤0 ． 4 5 m 。 因此 ， 本文 中所论述的管道解决方案满足了上 文 中所提到的最大容积、 等容积配管 、 床层管道管径 以及床层管道切断阀安装方位等设计要求。 3 ． 6 管道设计成品 根据此方案进行实际配管， 通过应力分析计算， 设置合适的管道支架 ， 调整了部分管道走 向， 最后得 到的设计成品与最初设计方案略有不同。主要是将 第 7和 l 9线单独布置在一层中， 没有遵循其他管道 的布置特点。这是因为按照原方案布置时， 7和 1 9线 的总容积 T F V 过大 超出了最大容积要求 ， 最终只 4 6 化工设备与管道 第 4 7卷第 3期 能采取改变管道走 向的方法来缩减这两根管道的总 顺序进行布置 ， 只是需要在细节方面做更进一步的修 体积。其余2 2 根管道则是按照最初方案， 根据一定 正， 这也证明了我们最初的设计思路是可行的。 表2 2 4根床层管道总容积计算表 说明 表 中 F 6 、 F 1 8的管线是选定 的答积最大的管线。 4结论 在芳烃吸附分离工艺中， 吸附分离装置的技术核 心就在于吸附塔和旋转阀这一工段。而对 2 4根床层 管道的工艺要求就更为复杂 、 精准 ， 再加上旋转阀特 殊的结构， 无形 中为设备布置和管道布置加大了难 度。要满足这些复杂而精准的要求， 除了要有丰富的 管道设计经验保障外， 还需要理论数据 的支持 ， 经过 反复论证和准确的计算 ， 最终找到一套可行的解决方 案。本文中所论述的解决方案可以满足工艺要求， 在 送专利商审核时， 获得一次性通过； 该方案 已经在某 芳烃项 目中得以实施 ， 目前该装置运转良好。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 0 1 6 0 --2 0 0 8 ， 石油化工企业设计 防火规范 [ s ] ． [ 2 ] G B 5 0 3 1 6 --2 0 0 0 2 0 0 8 年版 ， 工业金属管道设计规范[ S ] ． [ 3 ] H G 2 0 5 4 6 --1 9 9 2， 化工装置设备布置设计规定[ s ] ． [ 4 ] H G ／ T 2 0 5 4 9 -- 1 9 9 8 ， 化工装置管道布置设计规定 [ s ] ． [ 5 ]H G 2 0 5 5 3 - -- 9 3， 化 工配 管用无 缝及 焊接 钢管 尺寸选 用系 列 [ S ] ． K SB楼 宇泵巡 回展 2 0 1 0年 3月 1 0 E l 至 4月4日， 凯士比泵 K S B 分别在北京国家会议 中心 ， 辽宁沈阳工业展 览馆 ， 成都世 纪城新国际会展中心参加了第八届 I S H C h i n a 展会， 第1 1 届中国东北国际给排水技术展览会， 第六届中国 成都 国际给排 水水 处理展 览会 。 作为世界上最大的泵阀设备制造商之一 ， 凯士比泵 K S B 通过这次集 中性的巡展 ， 向业内展示了代表 K S B精 良技术的楼宇和水处理产品。其 中 O m e g a 双吸泵更是运用在世界 第一高楼迪拜塔 中， 其优异的品质 得到 了业 内一致的肯定。 u, t - 展 出的产品还有 M o v i t e c立式多级泵， A m a r e x K R T污水泵， 以及 U P A深井多级泵系列， 为整个楼宇 用泵提供完善的整体解决方案 。