抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计

管晓玉

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

在石油化工装置中，再沸器与精馏塔合用是常见的组合工艺，其工艺设备布置及管路设计的优化有利于整个管系和设备的稳定运行。抽提蒸馏塔是芳烃抽提装置中分离芳烃与非芳烃的重要设备，而塔底再沸器为塔提供汽液两相传质所需的热量。本文以某公司0.55Mt/a芳烃抽提装置为例，介绍抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计中遇到的问题及解决方法。

1 工艺原理及流程

某公司0.55 Mt/a芳烃抽提装置中，以环丁砜为抽提溶剂，利用溶剂对原料中各组分相对挥发度影响的不同，通过精馏实现芳烃与非芳烃分离。溶剂和C6馏分在抽提蒸馏塔接触形成气液两相，由于溶剂与芳烃的作用力更强，使非芳烃富集于气相，于塔顶排出，芳烃富集于液相，于塔底排出。富集芳烃的液相进入溶剂回收塔，在塔内进行芳烃与溶剂的分离，回收的溶剂再进入抽提蒸馏塔循环使用[1]。为节省操作费用，使用品位和价格较低的冷剂和热源，在抽提蒸馏塔塔釜处设置中段再沸器，同时减轻了塔底再沸器的热负荷。

2 平面布置

塔与再沸器平面布置设计时应着重考虑以下因素: ①再沸器与塔体之间的距离应满足工艺及管道布置要求; ②应考虑再沸器的吊装及检修的方便性。当再沸器的管道能够满足热膨胀允许的条件时，应将再沸器尽量靠近塔体布置，以使管道最短，达到减少管道阻力的目的[2]。在该装置中，再沸器均采用热虹吸再沸器，依靠塔釜内的液体静压头和再沸器内两相流的密度差产生推动力形成热虹吸式运动。抽提蒸馏塔与再沸器的局部平面布置图如图1所示。

图1 芳烃抽提部分平面布置
Fig.1 Plot plan of Aromatics extraction part

2.1 抽提蒸馏塔中段再沸器平面布置

抽提蒸馏塔中段再沸器(E-604)为卧式再沸器，安装高度不宜过低，因为此塔为抽提蒸馏塔，塔底主要为环丁砜溶剂，与一般烃类塔不同的是环丁砜不容易汽化。安装高度越低，推动力越大，根据其物性平衡态来看，其汽化率过低，不能满足重沸要求。根据现场经验以及工艺计算结果，比较理想的安装高度为抽出口距离重沸器中心线的垂直距离为2～3.5m为宜，如图2所示。为减少管道阻力，E-604返回管道应尽量短，管道专业根据实际设计情况将E-604放置于T-601周边构架EL+14000层上。

图2 中段再沸器安装高度Fig.2 installing height of middle section reboiler

2.2 抽提蒸馏塔再沸器平面布置

抽提蒸馏塔再沸器(E-603) 采用侧面管口的立式再沸器，工艺要求E-603返回管线直管段最短，根据石油化工企业设计防火规范(GB50160-2008)，可直接连接。E-603直径为Φ1400 mm，长约7000 mm，体积相对较大，将其布置在靠近T-601的单独构架上，这样不会受到设备质量及安装条件的限制，并且再沸器的返回管线也具有较好的柔性。

3 管道布置及支架设计

为了满足管道最短，减少管道压降，立式再沸器E-603与塔T-601的返回管线采用管道直连方式，如图3所示。因E-603固定在构架平台上，那么直连管道可以看成是两设备中心的定点配管。热态下，由于塔和再沸器材质和温度不同，会在竖直方向和管线轴向产生较大的热应力，如果不采取有效的消除措施，可能会使连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备的正常运行。而E-604为顶部管口的卧式再沸器，塔与再沸器返回管道中带有弯头，柔性相对于直连管道较好，能够较好的解决热应力问题。

图3 立式再沸器与塔的管道布置Fig.3 piping design of vertical-type reboiler and tower

3.1 竖向热应力的消除措施

由于塔T-601和再沸器E-603材质和温度不同，导致二者在竖直方向上膨胀量不同，因而容器的管口在竖向上将产生较大的热胀反力和弯矩，解决方法是在再沸器E-603四个支耳处设置弹簧支架，用来吸收热膨胀，从而使设备口的力和力矩减小到允许的范围内。另外可将T-601与安装E-603的构架做成同一底板，使塔与构架基础共沉降，减少二者在竖向的位移差，特别对于塔与再沸器温度相同的装置，此种方法可以减少弹簧的使用，增加了装置的稳定性，经济又安全。

3.2 轴向热应力的消除措施

对于直连管道，由常温(20℃)受热后将沿轴向膨胀，产生的轴向应力，由应力应变关系式为：

σ=Etε=EtαtΔt

式中，Et为材料的弹性模量，MPa；

ε为轴向线应变，m/m；

αt为线膨胀系数，由20℃至 ℃的每m升温1℃的平均线膨胀量，m/m·℃；

Δt为管系的温升，℃。

再沸器E-603管程出口管道属性见表1。

表1 再沸器管程出口管道属性Table 1 Pipe attribute of tube side outlet

由于E-603与T-601管口之间的工艺管线直连，一旦升温，管线在轴线方向的热膨胀如果受到限制，两设备管口在此方向的作用力和管子的内应力都将很大。为了消除管口轴线方向上的热应力，将E-603支耳处的螺栓孔开成沿管线轴线方向的长圆形孔，允许再沸器在管线轴线方向有一定的位移。结合消除竖直方向应力方法—在支耳处使用弹簧支架，因此可采用取消支耳处得螺栓孔来消除轴向应力，避免再沸器管道轴向变形受阻。如果再沸器是采用刚性撑，此时设备管口所受管线轴线方向的力主要是由摩擦力引起，可以靠降低摩擦系数 来减小摩擦力。比较常用的方法是在支耳与弹簧支架间增加一层聚四氟乙烯板, 将 从钢对钢的0.3降为钢对聚四氟乙烯的0.1[3]。

为防止两设备管口法兰泄露，还需要采用当量压力法[4]对法兰进行泄漏校核，法兰所受弯矩和轴向拉力所产生的当量压力按下式计算:

式中，Peq为力和力矩产生的当量压力，MPa; M为法兰连接处承受的弯矩，N·m; F为法兰连接处承受的轴向拉力，N; D为垫片的计算直径，mm。

法兰泄漏校核( 总当量压力不大于法兰在工作温度下的许用压力) 为：P=P1+Peq≤Pf

式中:P1为管道设计压力;Pf为法兰按温压曲线对应的压力。

当P>Pf时，管嘴处的作用力和力矩不能满足法兰泄漏校核要求，需要提高设备管嘴的压力等级。

3.3 配管专业设计要点

对于卧式再沸器E-604，在满足返回管线尽量短的工艺条件下，应避开构架柱子及斜撑，并找到合适的支架生根点，满足支撑要求。而立式再沸器E-603因放在构架平台上，需要对平台上部结构提出开洞要求，若存在膨胀节，开洞应考虑膨胀节大小。同时支耳大小以及管口方位也由配管专业提出，支耳大小应考虑弹簧支架不应与设备保温外壁相碰，管口方位应满足工艺要求并便于操作和检修，在现场施工安装时需要先吊装设备再铺设平台。

4 结束语

结合某厂芳烃抽提装置，介绍了在布置抽提蒸馏塔与中段再沸器、塔底再沸器的平面位置时，应按照工艺要求并在工艺校核后，确定再沸器的安装高度。管道设计时在满足管道尽量短的同时，解决设计过程中遇到的应力问题及解决方法，同时提出了设计中的注意事项，为同类设备的设计工作提供参考。

[1]李俊奎，张振泰，于新文，等. 环丁砜抽提蒸馏工艺在庆阳石化公司的应用[J].石油与天然气化工，2013，42(6) : 610-613.

[2]夏必霞，陶长剑. 再沸器与精馏塔的工艺设备布置及管路设计[J]. 化肥设计，2011，49(3) : 27-29.

[3]周小兵. 塔与再沸器的配管及应力分析[J]. 化肥设计，2009，47(1) : 32-34.

[4]张 旭. 压力管道设计中法兰校核方法探讨[J].石油和化工设备，2010，13(8) : 5-9.

(本文文献格式：管晓玉.抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计[J].山东化工,2018,47(7):124-125,127.)