气相法聚乙烯装置反应出料系统配管设计.pdf

2008,18(3)谢淑芳 气相法聚乙烯装置反应出料系统配管设计 气相法聚乙烯装置反应出料系统配管设计谢淑芳*中国石化集团宁波工程公司兰州分公司 兰州 730060摘要 介绍气相法聚乙烯装置反应出料系统的工艺流程及其特点,通过对主要管道布置的详细对比分析以及其支架的设置与选择,优化配管设计。关键词 聚乙烯装置 产品出料系统 配管设计 目前,世界上聚乙烯(PE)生产方法主要有以下四种:气相法 PE 工艺,高压 PE 工艺,溶剂法 PE工艺和淤浆法 PE工艺。其中,气相流化床法工艺技术占主导地位,其工艺流程简单、灵活、安全、环保、产品范围宽。本文涉及的聚乙烯装置就是采用气相法工艺技术,它包括原料供应与精制、乙烯精制、聚合反应、树脂脱气与排放气回收、树脂添加剂处理、挤压造粒等单元。其中聚合反应单元是装置中的重要组成部分,它又可以细分为:反应回路、催化剂注入和产品出料系统。产品出料系统中涉及到的物料主要有 PE粉料树脂,残留的反应循环气等,这些物料都属于易燃易爆介质,系统管线复杂,配管要求严格,本文探讨产品出料系统配管设计及涉及的相关问题。1 流程简介反应单元产品出料系统由两套两级出料系统组成,每套系统都包括一个产品罐(PC),一个产品吹出罐(PBT),系统流程简图见图 1。当反应器中的料位达到设定高度时,PE粉料及夹杂的气体从反应器中排出,进入两个系统中任何一个 PC,当该 PC装满后,出料 A阀和PC放空返回 G 阀关闭,这时,气体通过 PC平衡管线输送到另外一个 PC中,两个 PC压力接近平衡,平衡管线上的自动阀关闭,粉料从 PC中通过压力降和重力作用进入 PBT。通过 PBT平衡管线将气体输送到另一个 PBT,两个 PBT的压力趋于平衡,PBT 平衡管线上的自动阀关闭,含有粉料树脂的 PBT用回收系统来的辅助图 1 出料系统流程简图载气将树脂从 PBT输送到脱气仓 PPB。一旦输送结束,PBT 出口阀关闭,系统等待下一次出料。当树脂从 PC落到 PBT的过程中,一组出料完成,另一个系统就开始产品出料的循环,正常情况下两个出料系统就这样交替循环出料,在某一系统出现故障时,另一系统也可以单独出料。整个出料系统通过逻辑控制各程控阀的打开和关闭动作来完成。2 配管设计211 物料特性要求该系统 PE粉料树脂采用密相输送,粉料在输送过程中,容易残留于管壁或产生粘结成块,所以除了选择合适的气流速度外,要求管内壁光滑以防挂住物料造成堵塞,所有法兰以及特殊件连接时要求其内径与管子内径相同,避免在管内27*谢淑芳:工程师。1997年毕业于西北工业大学高分子材料与工程专业。一直从事石油化工工艺和配管设计工作。联系电话:[phone];E-mai:l xiesh fsnec1com。CHE M ICAL ENGINEERING DESIGN化工设计 2008,18(3)壁出现凸台。212 管道布置原则 1(1)管道布置设计应符合相关的标准、规范和规定的要求。(2)满足管道及仪表流程图以及工艺包的要求。(3)满足应力计算要求。(4)安全可靠,经济合理,并满足施工、操作、维修等方面的要求。213 主要管线设计21311 PC入口管线PC入口管线即 A管线从反应器水平出料,然后垂直向下直接进入 PC 顶部管口。A 管线的总长度一般应小于 410m,最长不能超过 419m,否则产品出料系统的能力就会降低。通常在管线长度受到限制时,我们可以考虑在管线上安装膨胀节来吸收热膨胀,但是在出料系统中,两个系统交替循环出料,当 A阀突然打开时,因为高速物流的撞击会有一个反作用力施加到 PC上。膨胀节比较脆弱,所以在出料管线上不宜使用膨胀节。通过应力分析,PC 采用导向架加阻尼器的方式安装,PBT采用弹簧吊架的方式安装,这样就可以吸收 A管线的位移。管线上 AA阀是一个异径手动球阀,这一设计是为了消除当阀关闭时在这一空间形成结块的可能性。产品出料手动切断 AA阀和自动阀出料A阀紧密偶合,以减少缝隙,防止 A阀在关闭时出现树脂的积聚。21312 PC放空管线PC放空管线即 G管线的水平段长度一般应小于 310m,最长不能超过 314m。G管线有四种管道布置方式,其对比见表 1。表 1 G管线四种管道布置方式对比表布置方式ABCD管道布置布置特点 理想状态布置,管线最短 采用大曲率半径,但空间受限制 加入/P0 型膨胀弯,管线容易堵塞 插入两个 30b 弯头,管线逐级过渡应力不满足好优好工艺要求符合符合不符合符合综合评价不能使用不宜使用严禁使用满足各方面要求 从表 1对比可以看出,只有方式 D满足各方面要求。值得注意的是,从反应器到 PC的 A管线以及从 PC到反应器的 G管线上的配管要在同一垂直平面上。21313 PBT出口粉料树脂输送管线PBT 出口粉料树脂输送管线即 E管线的长度由设备 PBT和 PPB的布置决定,一般要求输送长度小于 100m。该管线属密相输送管线,粉料树脂通过从回收系统来的辅助载气输送至 PPB。管线属密相输送,弯管曲率半径要求 9倍管径,但是为了降低反应器框架高度,减少投资,从PBT 出来的第一个弯管曲率半径采用 4倍管径,在该弯头后面安装一个特殊的偏心异径管,异径管的入口法兰上焊接有一个单面刀刃,通常可以切割进入输送管线的结块。输送管线上每隔 15 m至少安装一个断开法兰,以便管线堵塞时清理。根据 PBT 和 PPB的布置,E管线的布置有三种方式,其对比见表 2。从表 2分析比较,E 管线宜采用 C布置方式。214 管道支架设计正常情况下出料系统进行交替运行的循环模式,主要包括:(1)启动/停车的热循环。(2)每个产品落料循环中出现的压力循环。(3)由于系统采用不同的管道支架形式而产生的高频振动循环。282008,18(3)谢淑芳 气相法聚乙烯装置反应出料系统配管设计 表 2 E管线三种管道布置方式对比表布置方式ABC管道布置布置特点理想状态布置,管线最短,但管道架空敷设,需要支架较多,无法实现水平段有 1617m长,管线容易产生脉动水平段分为两段,每段相对较短,流体输送稳定应力一般好好综合评价无法实现不宜使用满足要求 整个系统不仅要做应力分析,同时还要做疲劳分析。反应器和 PC之间的管道支架以及设备支撑不仅要能承受来自产品卸料流的循环力,还要能承受由于出料管线上树脂塞和由于上游气体高压驱逐突然消失等不正常事件而产生的力,因此管道支架的设计在系统配管设计中尤为重要。21411 设备支撑在设备设计时,PC 和 PBT 必须做疲劳分析,压力从 0到最大操作压力循环,频率为 28次/h,寿命按 30年计算。通过应力分析,PC采用在水平方向限位的方式安装,PBT 采用弹簧吊架的方式安装。每个 PC采用两个阻尼器来缓冲由于 A阀突然打开产生的沿 PC入口管线方向的冲击力,从而限制 PC在该方向上的移动,防止管道疲劳损坏,并保护设备管口。值得注意的是,在做 PC管口方位时必须根据应力计算的位移要求来确定支耳长圆孔的方向。21412 E管线的支撑从 PBT到 PPB为密相输送,管线总长将近100m。间歇式输送的过程中高速输送的粉料会产生力,如果管线支架设置不合理就会产生严重的管线振动。在第一个弯管处设置了阻尼器,在第二个弯管处设置了导向支架,在+715m 处是导向架,在第三个弯管后设置了弹簧加导向架,从管廊到 PPB垂直段,总共有 5个导向架,1个固定架和 1个弹簧加导向架。215 其它需要注意的问题(1)由于出料系统程控阀较多,管线复杂,系统又容易堵塞,在管线设计时,必须考虑阀门的检修空间,必要时设置单独的操作平台。(2)如果 PC中有大的结块时需要拆除 PC上封头,所以 PC上方一定要预留拆除 PC上封头的空间,A管线和 G管线必须安装断开法兰以便拆除 PC上封头。另外,拆除封头用吊车梁在设计时必须考虑吊装空间和吊车移动空间,必要时可设置活动盖板。同样,PBT下方也要预留足够的空间以便拆除 PBT 下封头。3 安全设计311 设备吹扫出料系统是最为危险的区域之一,这是因为循环操作相对要求高频率的维修,且在出料过程中或出料之后,有可能有烃类释放到大气中。出料系统中的烃类不能与空气接触,在打开系统进行维修之前,一定要用氮气吹扫出料系统中的设备、管线和阀门。另外,在系统投入运行之前,一定要用氮气吹扫出料系统,确保引入烃类之前将空气从系统中排除干净,以防止形成可燃混合物而发生爆炸。312 阀门吹扫正常操作中,要持续用来自循环气压缩机下游的循环气体吹扫产品卸料手动截断 AA阀、产品卸料自动阀 A、PC返回放空手动截断 GG阀,以防止管口堵塞。313 安全阀每个 PC和 PBT 都安装有安全阀,防止由于事故而发生的过压,由于正常操作中 PC的顶部会填满树脂,如果安全阀直接安装在 PC顶部,安全阀容易受阻甚至堵塞,所以用于保护 PC的安全阀安装在 G线的顶部并且竖向安装,这样在安全阀入口管口处就不会有树脂聚积。用于保护 PBT的安全阀竖向安装在 PBT 顶部,树脂一般不会堵塞安全阀入口管线,但是,仍然会有树(下转第 21页)292008,18(3)董其伍等 基于 M atlab的换热设备 CAD系统优化与集成 Builder能够快速地将 M 程序文件做成 COM 组件,在 MSVC程序中调用。首先启动 COM Builder按照向导创建对应优化函数的 COM 组件,而后在 MSVC下创建接口并连接,为使最终的程序完全脱离 Matlab,还需利用 COM Builder的打包程序生成相应的可执行文件,在换热设备 CAD系统安装时,同时运行以注册所需的组件 6,7。该方法实现简单,几乎适用于 M atlab的任何函数,有较强的通用性和较高的执行效率,是M atlab推荐的混合编程方法 8。各编程软件在换热设备 CAD系统中的逻辑关系见图 3。图 3 换热设备 CAD系统开发软件逻辑关系图4 结语在众多可行方案中获取一种相对较优的设计方案,一直是工程应用领域追求的目标,本文分析了传统换热设备 CAD设计时的特点,引入了优化设计思路,通过 COM组件技术,将 Matlab的优化功能与 MSVC环境下的 ObjectARX编程技术相结合,实现了诸多编程、设计软件的综合集成,借助于 CAD技术可实现换热设备工艺设计的优化,其工艺设计结果与后续的机械设计、零部件设计共享数据,增加了换热设备 CAD系统的操作弹性,也拓宽了换热设备 CAD系统的优化功能。文中提出的优化设计思路在跨语言平台下的实现方法,同样可为同类设计软件所借鉴。参 考 文 献 1 汪灵枝,申锦标,赵世安 1 基于模拟退火的进化算法性能对比研究 J 1 百色学院学报,2007,20(3):43 47 2 刘亚磊等 1 基于 MATLAB优化工具箱的机械优化设计 J 1 现代机械,2006(6):32 33 3 刘敏珊,钱亚东,董其伍 1 新型换热设备 CAD 系统的研究 J 1CAD/CAM 与制造业信息化,2003(6):49 51 4 董其伍,刘敏珊等 1纵流壳程换热器M 1 北京:化学工业出版社,200717 5 蒲 俊等 1M atlab610数学手册M 1上海:浦东电子出版社,200211 6 MATLAB COM Builder user psGuide M 1TheM athWorksInc,2002 7 MATLAB External I nterface Reference Version 61 TheM ath-W orks Inc,2003 8 黄金明等 1VC+与 M atlab的无缝集成 J 1 现代电子技术,2007,30(14):101 103(收稿日期 2007-11-30)(上接第 29页)脂逐渐积累或聚结在 PBT 安全阀入口管处的可能性,所以要定期进行检查,确保入口管不会出现聚结。4 结语气相法聚乙烯装置中的反应出料系统管线复杂,潜在的危险性大,在设计过程中,只有深入理解、领会工艺包,使配管符合 PI D的要求,才能优化布置,正确配管,做到操作方便,维修容易,安全可靠。参 考 文 献 1 张德姜等 1 石油化工装置工艺管道安装设计手册(修订本)M 1 北京:中国石化出版社,1997(收稿日期 2008-03-21)下期要目 应全国化工建筑设计技术中心站的要求,5化工设计6 2008年第四期拟为建筑和结构专业论文专辑。212008,18(3)CHEM I CAL ENG I NEERI NG DESIGNABSTRACTSI m proveM anagem ent level forW ater Resource and ScientificallyConsum eWater wit h Experience from AbroadXue Zuyuan(T ianchen Chemical Engineering Corporation of China,T ianjin300400)Introduce thatw ith experiences of consuming water andmanagementofwater resource from abroad such as that water can be multi-used,reused afterwaste water treated and sea water desalted as well as rainwater used for agriculture irrigation to i mprove manage ment level ofwater resources;put for ward suggestions for i mprov ing managementlevel of water resources in China.Key words high organic film chem ically enhanced pri marytreat ment sea water desalination reverse osmosis multistage flash-ing and distillationResearch Progress ofCultivation ofM arine M icroalgae and Photo-bioreactorY iT ingqiang,et al(Che mical Engineering College ofSichuan University,Chengdu610065)Briefly introduce feature and application status at present at homeand abroad;focus on conditions for culture of the m icroa lgae and fea-tures fordifferent photo-bioreactors.Key words m icroa lgae cultivation photo-bioreator progressOpti m ization ofHydrogen Resource for ProcessFlow ofHydrogenated RefineryRenHong l,i et al(EastChinaDesign Institute,ChinaPetroleum Construction Company,Qingdao 266071)Introduce that reasonably utilizing hydrogen resource is critical issuefor selecting overall process flow of fully hydrogenated refinery and tak-ing efficient measures for reducing hydrogen resource can save re-sources and reduce cost;describes opti m ization and classification ofhydrogen utilization in details.Keywords hydrogen source opti m ization eng ineering design distribution of energy levelCAD System Opti m ization and IntegrationBased on M atlab H eatExchangerDong Q i wu,et al(H eat Energy Research Center of Zhengzhou University,Zhengzhou450002)Nor mally computer aid design is adopted for design of heat exchangeequipment,but the opti m ization case can not achieved based on trad-itional design ideology.Propose Matlab opti mization function ofwhichis combined with ObjectARX programm ing underMSVC environmentby using technology of component objectmode,l so as to achieve com-prehensive integration of CAD technology and opti m ization design forheat exchange equipment.Key words MATLAB heat exchange equipment CAD opt-imized designRecirculation Design for ProcessW ater ofPotato Starch ProductionD ing W enjie,et al(M echanical Engineering College of N ingx ia University,Yinchuan750021)Analyze demand forwaste water resource in starch production insouthmountain area ofN ingxia based on requirement of large quantityand high quality of water,and low temperature environment etc.;se-lect four-effect pressure reduction evaporation as core technology forwaste water recirculation process;achieve higher economic target forsteam consumption by using extended and reused computer aid designmeans so as to provide technical reference for solv ing issues of lackingwater,and po llution in the starch production.Key words potato starch waste water po llution recirculationprocess plate evaporator multi-effect evaporationPiping Design for ProductDischarging SystemofGas Phase Polyethylene PlantX ie Shufang(Lanzhou Subsidiary,N ingbo Engineering Company,SI NOPEC,Lanzhou 730060)Introduce process flow and features of product discharging system ofgas phase polyethylene plant,and opti mized piping design based ondetailed comparison and analysis ofma in piping arrangement and es-tablishment and selection of its supports.Key words po lyethylene plant product discharg ing system pip-ing designEffect ofUnstable Flow in Piping System and E li m inatingM easuresLiu Cunyu(Chemical Engineering D epart ment of Zibo Professional College,Zibo255013)Introduce different undesirable effects to piping system,caused byunstable flow of fluid,andmeasures taken to eli minate such effect.Key words unstable flow effect piping system eli m inationReason of Less Strength andM ore Dust ofUrea Pril,land ControlM easures TakenTong X iying(Zhongyuan Large Size Chemical Group Co.,Ltd.,H enan Province,Puyang 457004)Analyze reason of less strength and more dust of urea pril,l and putforward controlmeasures taken.Key words urea prill strength reason analysis controlApplication ofRegu lar Loading Truck ControlSystem in Engineering ProjectLi P ing(H uanqiu GuangyeEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510130)Introduce process and function etc.of regular loading truck contro lsystem for oils,and down loading syste m with safety,clean,and eco-nom ic features,which is gradually applied and promoted in China.Key words regular loading truck control system o ils loading dow loading sytem1