徐 瑞

（華陸工程科技有限責(zé)任公司）

現(xiàn)代社會(huì)， 化學(xué)工業(yè)與人類生活息息相關(guān)。但是很多重要的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的都很緩慢，根本無法滿足高速發(fā)展的社會(huì)要求，于是催化反應(yīng)應(yīng)運(yùn)而生。 催化劑的應(yīng)用大幅縮短了化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，提高了反應(yīng)速率，使得化學(xué)工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。 據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，目前80%～90%的化學(xué)反應(yīng)都是催化反應(yīng)。 由此可以看出，催化反應(yīng)在近代化學(xué)工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位［1］。

一套催化反應(yīng)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，主要依賴于催化劑的活性和循環(huán)使用效率，而催化劑的活性和循環(huán)使用效率不僅受催化劑本身物性的影響，還與輸送催化劑的管線走向、材料選擇及支吊架設(shè)計(jì)等有密不可分的關(guān)系。 催化劑管線的設(shè)計(jì)不合理、管件管材的選型不合適等諸多因素都會(huì)造成催化劑磨損嚴(yán)重、輸送困難，進(jìn)而影響催化裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)［2］。

筆者以某項(xiàng)目催化裝置為例，通過科學(xué)美觀的設(shè)備布置、經(jīng)濟(jì)合理的管材選型及安全可靠的支吊架設(shè)置等，從多方面確保催化劑管線在滿足工藝流程的前提下，實(shí)現(xiàn)催化裝置的長期平穩(wěn)運(yùn)行。

1 工藝流程

催化裝置工藝流程大致是：外部添加的催化劑顆粒，利用氣體輸送的方式裝填進(jìn)入催化劑儲(chǔ)罐備用。 開車前，將儲(chǔ)罐中的催化劑輸送至反應(yīng)器，通過兩級(jí)預(yù)熱系統(tǒng)，用過熱空氣將催化劑預(yù)熱到320℃以上，然后按照比例，與反應(yīng)氣一同進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)釜的溫度維持在400～430℃， 反應(yīng)后的氣體經(jīng)過反應(yīng)釜內(nèi)部的旋風(fēng)分離器，除去99%的夾帶催化劑顆粒；未除去的催化劑，經(jīng)過催化劑過濾器進(jìn)一步除塵，經(jīng)過多次過濾后，氣體中催化劑粉塵含量小于50mg/m3。 所有過濾出的催化劑顆粒經(jīng)過收集進(jìn)入再生裝置， 再生后的催化劑可重復(fù)上述流程，循環(huán)使用。

2 管道和閥門選材

管道的材料選擇主要根據(jù)流經(jīng)管道內(nèi)部的介質(zhì)特性來確定，從上述工藝流程可以看出，對(duì)于該催化劑管道，除了考慮溫度和壓力外，耐腐蝕性和耐磨損性是不可忽略的兩個(gè)重要因素。當(dāng)催化劑顆粒從外界進(jìn)入催化劑罐時(shí)， 溫度和壓力都較低，流速相對(duì)緩慢，且從物質(zhì)類別分析沒有腐蝕性，故在管道選材時(shí)，可采用常用的碳鋼20#鋼，壁厚計(jì)算除了考慮溫壓耦合外，主要考慮催化劑顆粒狀物質(zhì)引起的一定程度的磨損腐蝕，腐蝕余量較常規(guī)的1.5mm 稍大，取2.0mm即可；為了滿足催化劑反應(yīng)活性的要求，該管線通過兩級(jí)預(yù)熱器，在進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，溫度和壓力均明顯提高，設(shè)計(jì)溫度變?yōu)?30℃，壓力升高至0.7MPa，流速成倍增加，與反應(yīng)氣充分融合加快化學(xué)反應(yīng)速度。 由于反應(yīng)氣中攜帶少量的氯氣和HCl 氣體，因此對(duì)于此段的管道選材，不僅要滿足高溫高壓環(huán)境的要求， 還必須考慮HCl 氣體帶來的腐蝕問題。 通過工藝分析，該管線介質(zhì)中不含水蒸氣，故而不會(huì)和HCl 氣體生成鹽酸，在腐蝕余量方面主要考慮高溫和耐磨。 但考慮到高溫環(huán)境下可能會(huì)產(chǎn)生游離的氯離子， 故而不能選擇不銹鋼材料。 綜合以上原因，管道選材考慮采用耐高溫、 耐腐蝕的15CrMoG 材料比較合適，腐蝕余量取3.0mm。 這類鉻鉬合金鋼具有膨脹系數(shù)小、 導(dǎo)熱系數(shù)大和抗高溫氧化性能好的特點(diǎn)。

催化劑管線上閥門的選擇也是需要特別考慮的。 首先，為了適應(yīng)催化劑是顆粒狀流體的特點(diǎn)，應(yīng)選用開關(guān)迅速且摩擦密封的球閥。 球閥在眾多閥門類型中有流體阻力小、 流動(dòng)特性好、開關(guān)迅速和密封可靠的特點(diǎn)［3］。球閥相較于其他類型閥門的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是能夠用于顆粒狀介質(zhì)，原因是球閥的球體在閥座之間的運(yùn)動(dòng)帶有擦拭作用， 可以將顆粒狀介質(zhì)通過擦拭擠出密封面，從而達(dá)到保護(hù)密封面且緊密密封的作用。 其次，應(yīng)用在催化劑管線的球閥還有一個(gè)特別的技術(shù)要求： 由于催化劑價(jià)格昂貴， 甚至以克計(jì)價(jià)，所以在應(yīng)用中要盡量避免不必要的浪費(fèi)。 普通球閥在閥座的角落里會(huì)堆積一部分的介質(zhì)無法流通，這對(duì)于催化劑管線是非常不經(jīng)濟(jì)的，因此應(yīng)用于催化劑管線的球閥應(yīng)在閥座密封處用某種特殊的金屬堆焊結(jié)構(gòu)密封， 以避免催化劑漏入球閥球體與殼體間的空隙里。 為了使球體能夠緊密貼合密封面，球體上部還安裝有碟簧，其作用是給運(yùn)動(dòng)的球體一個(gè)彈簧附加力， 使之緊密貼合密封面， 進(jìn)一步起到密封和防止催化劑浪費(fèi)的作用。

3 催化劑管線的配管原則

管道配管的基本原則是依據(jù)工藝流程圖，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上盡量使管道的走向美觀，閥門操作方便。 由于本催化反應(yīng)裝置的介質(zhì)特殊性和高溫環(huán)境， 在配管時(shí)需進(jìn)行幾點(diǎn)特殊的考慮。

本裝置的催化劑是顆粒狀介質(zhì)，故在設(shè)備布置時(shí)，應(yīng)考慮該管道的路徑盡可能短，彎頭數(shù)量盡可能少。 同時(shí)為了使管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)通暢，水平管段不宜過長且宜設(shè)置一定的坡度。 在配管時(shí)需要特別注意的是，管道一定不得有袋形和死角出現(xiàn)（圖1），避免催化劑的磨損和堆積，長時(shí)間運(yùn)行后影響管道內(nèi)介質(zhì)的通行。

圖1 袋形和死角圖例

為了減少磨損，在拐彎處應(yīng)采用大曲率半徑的彎管，彎管的曲率半徑應(yīng)根據(jù)輸送方式、物料的特性、工藝要求和流動(dòng)方向確定，且應(yīng)滿足PID的要求。 大曲率半徑彎頭可以有效降低因彎頭處碰撞而造成的磨損，保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行。 本催化劑裝置彎頭均采用6D 大曲率半徑彎頭。 除了采用大曲率半徑彎頭在拐彎處減少磨損之外，還可以在分支處采用45°斜接，以達(dá)到減少?zèng)_擊、防止磨損的目的。

根據(jù)工藝要求， 為了保證介質(zhì)充分的流動(dòng)性， 均在水平管段沿彎頭切線處設(shè)置輸送風(fēng)管道，其流向與催化劑管道流向一致，給予介質(zhì)一定的推動(dòng)力。 該送風(fēng)管線的設(shè)置不僅能夠推動(dòng)催化劑流動(dòng)，還能起到松動(dòng)的作用，避免了彎頭處催化劑的沉積。 每條輸送風(fēng)管線上均設(shè)置了閘閥和截止閥， 方便根據(jù)催化劑的流動(dòng)情況切斷和調(diào)節(jié)風(fēng)量。 由于輸送風(fēng)管道與催化劑主管管徑相差較大，因此為方便設(shè)計(jì)和施工，有輸送風(fēng)管道的催化劑主管彎頭處均采用特殊彎頭（圖2）。

圖2 特殊彎頭示意圖

在催化劑管道水平段處可適當(dāng)設(shè)置視鏡，以方便觀察管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)情況，是否存在催化劑沉積。 另外，在較長的管道水平段處還應(yīng)設(shè)置部分檢查口，安裝有閥門，便于檢查和檢修。

4 管線應(yīng)力分析

由于介質(zhì)的特殊性，造成催化劑管線的配管大多為帶有一定坡度的直管且主管和支管之間也采用硬連接，這樣的配管必然造成整個(gè)管系的柔性較差。 根據(jù)工藝流程，該裝置催化劑管線均與反應(yīng)器相連，管線溫度偏高，如果不采取一定的措施增加管道柔性， 降低反應(yīng)器管口受力，裝置的平穩(wěn)安全運(yùn)行是無法保證的。 故在管道應(yīng)力工程師的協(xié)助下，與工藝專業(yè)工程師深入探討了真實(shí)操作工況，給出以下解決方案。

圖3 催化劑進(jìn)料管線

催化劑進(jìn)料管線（圖3）和卸料管線（圖4）的應(yīng)力分析。 催化劑的進(jìn)料管線和卸料管線最高溫度可達(dá)430℃，本裝置是連續(xù)反應(yīng)裝置，但催化劑的裝卸是個(gè)間歇過程，催化劑的進(jìn)料管線和卸料管線僅在開停車時(shí)使用，因此可在催化劑卸料管線閥門后、進(jìn)料管線閥門前設(shè)置金屬軟管，反應(yīng)裝置運(yùn)行時(shí)將金屬軟管拆卸掉， 用盲板封閉，使得進(jìn)卸料管線與反應(yīng)器脫開，避免管線溫度過高引起應(yīng)力問題；當(dāng)裝置停車或者檢修時(shí)，待反應(yīng)器溫度降至室溫后，再連接金屬軟管，進(jìn)行催化劑的裝卸，避開了管線的應(yīng)力傷害。

圖4 催化劑卸料管線

催化劑過濾器下料管線（圖5）的應(yīng)力分析。由于反應(yīng)原料均為氣體，因此反應(yīng)器出口管線攜帶大量的催化劑，經(jīng)過反應(yīng)器內(nèi)的旋風(fēng)分離器理論上可以除去99%的夾帶催化劑顆粒，但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)還有大量的催化劑進(jìn)入催化劑過濾器，需要經(jīng)過進(jìn)一步過濾后重新返回反應(yīng)器，這是一個(gè)連續(xù)過程，無法通過上述方法解決管線應(yīng)力問題。 該管線操作溫度330℃，操作壓力0.6MPa，為避免高溫下催化劑在運(yùn)輸過程中的沉積和磨損，該管線從催化劑過濾器底部45°斜坡向反應(yīng)器管口、管線的走向已定，而且為硬連接，所以無法通過改變管線走向來增加管道柔性從而克服管道應(yīng)力。

圖5 催化劑過濾器下料管線

經(jīng)過計(jì)算，在反應(yīng)器管口和管線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后處各增加一個(gè)單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)吸收變形量，可以保證管口的受力不超過許用應(yīng)力。

對(duì)于上述兩個(gè)問題的處理可以看出：管道應(yīng)力問題在催化劑管線上是突出存在的，但解決方案應(yīng)是根據(jù)不同情況綜合考慮的。 在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重與其他專業(yè)工程師的配合，以達(dá)到事半功倍的效果。

5 管架的設(shè)置

催化劑的管架設(shè)置與其他管道支架設(shè)置原則基本一致， 需要特別關(guān)注的是其操作特點(diǎn)，具有一定的特殊性和高溫支架的設(shè)置。 針對(duì)這兩點(diǎn)，對(duì)于該催化劑裝置，筆者進(jìn)行了以下處理。

由于催化劑的進(jìn)料和卸料管線是間歇使用的（僅在裝置停車時(shí)使用），因此所有管架均采用剛性支撐，且應(yīng)滿足以下要求：

a.管架應(yīng)滿足管道允許最大跨距和最大導(dǎo)向間距；

b.管架應(yīng)設(shè)置在集中載荷大的位置，設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近；

c.應(yīng)按照支承點(diǎn)所承受的載荷大小和方向、管道的位移情況及管道的材料等條件選擇合適的支吊架；

d.催化劑管線需要經(jīng)常檢修，因此管架的形式和安裝位置應(yīng)便于管道的拆卸檢修，有利于施工，不妨礙操作和通行，且避免采用焊接結(jié)構(gòu)。

催化劑過濾器下料管線（圖5）溫度較高，剛性支撐無法滿足要求，根據(jù)應(yīng)力分析報(bào)告，管線上均采用彈簧支吊架，由于斜管處的東西位移較大，計(jì)算為向東125mm，因此在斜管處采用彈簧吊架，且需考慮偏裝。 根據(jù)GB 50316—2000 的規(guī)定［4］，一般彈性吊架鉸接點(diǎn)間的吊桿最小長度不應(yīng)小于吊點(diǎn)處水平位移的15 倍， 這時(shí)吊桿偏斜角度在4°以內(nèi)。 若吊桿垂直角度大于4°，則根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可將吊點(diǎn)偏置水平位移1/2 安裝。

彈簧支架生根點(diǎn)距管道垂直距離為1 200mm， 若正常安裝， 則根據(jù)水平位移計(jì)算可知，吊桿的偏斜角度為5.9°，超過了4°，因此本彈簧支架需向西偏裝62mm， 偏裝后計(jì)算吊桿偏斜角度為 3°，符合 GB 50316—2000 的規(guī)定。

6 結(jié)束語

催化劑管線比較特殊， 傳輸介質(zhì)為固體顆粒，工藝要求也比較苛刻，而且往往很多重要反應(yīng)的催化劑都為貴金屬，造價(jià)很高，設(shè)計(jì)不合理容易導(dǎo)致管線阻塞，催化劑磨損，影響反應(yīng)效率，降低工程產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本。 因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)要提前規(guī)劃管道走向， 考慮管道柔性和支吊架，并結(jié)合管道走向修改設(shè)備布置，按照催化劑管道設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格施工，確保催化劑管道的正常運(yùn)行，為催化裝置的高效運(yùn)行提供保障。