汽油加氢装置分馏塔管口方位的设计

李振山

摘      要：分馏塔是汽油质量升级系列项目中汽油加氢装置必不可少的关键设备，也是此类装置中最高的塔，多采用板式塔，塔盘较多，内件复杂，管口布置难度大。为做到既符合工艺要求，又满足安全生产，同时兼顾整齐美观，在分馏塔的管口方位设计时就要综合考虑多方面因素，权衡利弊，臻选出最优方案。

关  键  词：分馏塔;塔盘;管道侧;操作侧;溢流堰;降液管;分布管;塔釜;集油箱

中图分类号：TQ 052       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）11-2588-05

Design of the Orientation of Fractionating Towers Nozzles

in Gasoline Hydrogenation Unit

LI Zhen-shan

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116085， China）

Absrtact： Fractionation tower is the essential key equipment of gasoline hydrogenation unit in the gasoline quality upgrading series project， and is also the highest tower in this kind of unit. Plate tower is mostly used， with more trays， complex internals and difficult orifice arrangement. In order to meet the technological requirements and safety in production， as well as the neatness and beauty， many factors should be comprehensively considered in the nozzle orientation design of fractionator， and the advantages and disadvantages should be weighed to select the optimal scheme.

Key words： Fractionating tower; Tray; Pipeline side; Operating side; Overflow weir; Downcomer; Distributing; Tower kettle; Oil collecting tank

汽油加氢装置分馏塔所采用的板式塔是石油化工装置塔类设备中应用最为广泛的类型，其在汽油加氢装置中的主要功能是：原料汽油的加氢反应产物进入分馏塔中部，在分馏塔中分离出轻汽油（C5-C6馏分）和重汽油。为保证分馏效果，分馏塔的塔盘较多，内部构造复杂，对与之相关的管口布置要求也相对较高。在进行分馏塔的管口方位设计时，要满足塔內件的工作原理及结构要求，符合工艺流程，合理规划管道及通道布置，同时兼顾塔内件的吊装及日常的操作、维护，总之需权衡多方面需求，规划出最优的布置方案。

本文结合某120万t/a汽油加氢装置的实际设计案例，对该装置的分馏塔管口方位设计过程进行论述。

1  设备概况

该装置分馏塔采用的板式塔共51层双溢流塔盘，塔体尺寸为Φ3 600 mm/3 200 mm/2 600 mm×

43 000 mm（塔体切线），全塔净高51.3 m，全塔共设42个管口，具体管口明细见表1。

从表1中可以看出，管口主要为物料进出口、仪表口、公用工程口、人孔等，要做到尽量合理的分布这些管口，就应全面考虑工艺要求、设备布置情况、内部构造、管道布置、通道设置等因素。

设备布置方面，本装置分馏塔北侧为与其联合布置的稳定塔，中心对齐，南侧为装置冷换构架，西侧为装置管廊，管廊下布置分馏塔底泵，东侧为检修场地，设备布置满足规范对塔和立式容器布置的要求^[1]，设备具体布置情况见图1。

根据工艺流程及平面布置情况，大体将分馏塔的四个方向布局做出初步判定，即北侧与稳定塔联合布置，南侧与冷换构架联合布置，西侧朝向管廊为管道侧，东侧朝向检修道路为操作侧。

对分馏塔自身及周边情况大体了解后，将根据工艺要求及内部构造、管道、平台、仪表等规划，进行管口方位及与其相关的塔盘方位的详细设计，按照设备图纸设计惯例，塔管口方位0°与平面布置建北重合，角度以逆时针递增。

2  介质进出口方位设计

分馏塔的主要作用是将进塔原料分馏成轻汽油和重汽油，为充分实现这一过程，此分馏塔的塔盘采用双溢流塔盘，其中奇数层塔盘为两侧溢流堰型式，偶数层塔盘为中间溢流堰型式，内件构造较为复杂，物料进出口也达到9个之多，根据工艺要求及配管规划，逐一进行方位设计。

首先是2个主进料口I1_1-2，根据工艺要求，I1_1-2位于塔体中段，第22层塔盘（中间溢流型式）上方，在塔体两侧对称进料，进料口内部采用了T型进料分布管，此种分布管方向一般要求与塔盘降液管方向平行^[2]（如图2），也就是管口方向应与22层塔盘降液管方向垂直。同时，考虑到西侧为管道侧，原料管线来自西侧管廊，故对称布置的I1_1-2管口宜在南/北方向（0°/180°），以保证原料主线自西侧管廊一分为二均匀进塔，在定下了I1_1-2管口为南北方向的同时，也确定了塔盘方位，需要重点注意的是，根据工艺包要求，此塔第1～22层塔盘与第23～51层塔盘方向是不同的，即在第22、23层塔盘相邻处，塔盘方向旋转了90°，具体见附图3：塔盘方位图。由图可见，第1～22层塔盘为东西方向，第23～51层塔盘为南北方向。在规划两部分塔体的管口时，应根据相应管口所在的塔盘实际方向进行规划，避免误判。此时规划的管口及塔盘的方位是否合适，仍需结合后续设计进一步确认。

回流进料口I2，为塔顶回流液进口，位于最顶层塔盘即第51层塔盘（两侧溢流型式）上方，同样内部采用了T型进料分布管，分布管与塔盘降液管方向平行，管口与塔盘降液管方向垂直，而由上文可推知，51层塔盘暂定为南北方向，故I2应为东或西方向，结合配管，西侧为管道侧，故I2管口方位应确定为西向（90°）更为合理。

分馏塔重沸器的返回线口径较大（DN500），设计温度较高（270 ℃），采用加热炉作为热源，通过塔的2个DN350重沸器返回口I3_1-2进入塔釜，工艺要求两侧对称进料，进料位置位于塔釜第一层塔盘下方，理论上管口应位于与塔盘方向平行的塔体中心线上^[2]，但根据设备平面布置情况进行的管道规划及应力核算，返回线总管从西侧管廊引进，至塔中心位置后均分为两股进料线，为满足设备管嘴受力及力矩要求^[3]，管道应力分析后的配管需通过南北向管口进入塔釜，经工艺专业及后续的厂家核算，如此布置可以满足返塔要求，据此确定I3_1-2分别位于0°及180°方向。

最小流量口I4同样位于塔釜，与重沸器返回口I3_1-2几乎在同一标高。从图4可见，塔体管道侧此标高位置已被重沸器返回线配管占用，I4口已不宜在西侧（设备管口0°～180°）范围内布置。经过配管规划，最终选择在东南方向，即225°方位上。

塔顶出口O1为DN350气相出口，位于分馏塔顶部中心，管口朝上，不涉及方位问题，只需注意附塔气相出口线的布置，及结合塔安全阀组的配管情况，合理布置管道及平台。

塔底出口O2为DN500液相出口，位于分馏塔底部，管口从裙座内弯出。此管口方位不涉及塔内件，只需满足配管需要即可。按工艺流程此液相出口介质走向为至分馏塔底泵，而分馏塔底泵就近布置在分馏塔西侧管廊下方，初步考虑此管口应布置在西侧（设备管口0°～180°范围内），因塔底出口线温度高，管径大，且与机泵相连 ，此时需配管设计人员根据规划的管口方位进行管道布置，然后进行详细的应力分析，并根据分析结果进一步调整，直到布置满足管道应力及机泵、塔管口的受力要求，最终确定此管口方位在正西方是合理的。

LCN产品抽出口O3位于第47层塔盘上方，按要求管口宜布置在与降液管平行的塔中心线上。通过核查塔盘内件，此层塔盘为抽出轻汽油的组合件-塔盘集油箱结构，管口位于受液盘上方。在设计此管口方位时不仅要符合工艺要求和配管规划，还应结合塔内件的详细构造（图5）。

由图5可见，管口尺寸DN250，受液盘宽度284 mm，管口直径几乎和受液盘宽度相同，这些因素就决定了O3的方位只能在47层塔盘的平行方向正中心，即0°或180°方向上，再通过配管规划，此管口流出的轻汽油流至布置在分馏塔南侧冷换构架上的LCN换热器，至此，很明显的O3口的方位只能在180°方向，即分馏塔的正南侧。

3 人孔的方位设计

人孔，顾名思义是供人员出入的开孔，其作用主要是为人员进出设备内部进行内件安装、检测、检维修、清扫等作业提供方便，但塔的人孔不仅要满足人员出入，还要考虑满足塔内填料、塔盘等内件进出的需要。从人孔的功能可以看出，人孔一般分布在塔体的操作侧^[2]，并需要综合考虑平台通道布置、管道布置、塔内件布置、塔顶吊柱的布置等因素，多个人孔更需要统筹考虑，做到满足功能的同时，尽量整齐美观。

本项目共5个人孔（MH1～5），分别位于塔釜及第14、22、47、51层塔盘上方。其中，MH1人孔位于第51层塔盘（顶层）上方，此层塔盘为双溢流塔盘的两侧溢流形式，塔盘方向为南北方向。人孔的方位需躲开两侧的降液管位置，以确保人员进入塔内时能够充分的踩在塔盘上。按此要求，MH1只能在南北方向的一定范围内进行布置。结合管道设计及通道布置情况，南侧为与相邻构架连接的管道侧，再考虑吊柱的起吊范围和其它管嘴的布置情况，最终确定MH1人孔位于335°方位上。

MH2人孔位于第47层塔盘上方，如前所述，此层塔盘结构比较特殊，内件较复杂，其两侧是降液管，中间是集油箱，人孔方位只能在集油箱和两侧降液管之间的位置，其它要求和注意事项与MH1人孔是相同的，如果MH2与MH1方位相同是比较方便内件吊装及平台规划的，进一步核實塔盘方位及内件结构，可见MH2人孔与MH1方位相同，可以满足要求。MH3人孔位于22层塔盘上方，塔体变径锥段上，如前所述，第22、23塔盘相接处，塔盘方向旋转了90°，此处两层塔盘方位如下图所示，结合内件形式，MH3应躲开22、23层塔盘的降液管位置，只能在南北方向的一定范围内进行布置，而原料入口I1_1-2管口位于正南、正北方向，配管占据了西侧塔身一半的空间，排除以上影响因素，最终MH3定位在315°方位上是合适的。MH4人孔位于第14层塔盘上方，此层塔盘为中间溢流结构，东西方向，且塔盘无特殊结构，人孔方位规划比较简单，可布置范围也比较大，排除掉西侧管道侧，避开中间降液管，结合平台的整体规划，并方便吊装，最终确定在与MH4相同方位，即315°方位上是相对合理的。最后是塔釜上的人孔MH5，此处内部无特殊结构，人孔只需方便人员出入即可，考虑到此人孔附近仪表液位口比较多，规划时结合平台通道需统一考虑，最后确定位于东侧即270°位置是合理的。人孔与通道的相对位置情况见图6。

4  仪表管口的方位设计

随着炼化企业工业自动化水平的日益提高，对仪表联锁的需求也越来越多，为实现对分馏塔内部温度、压力、液位的实时监测及联锁控制，塔体安装相应的仪表是必须的，故而塔体上众多的仪表管口也是必不可少，这些仪表开口应与人孔、梯子一样，布置在塔的操作区^[4]。本项目分馏塔上的仪表管口共24个，分别用于温度、压力、液位的显示及联锁，合理的布置这些管口的方位，是实现仪表测量及自动控制的必要条件。

在布置测温用的热电偶口时，首先要考虑热电偶的测温区域，是液体还是气体，是塔盘上还是降液管上等等，这一般可以在工艺资料中查出，管口布置须满足工艺测量的要求。其次应明确热电偶的功能，是远传还是就地显示，如就地显示，管口方位及通道的规划需考虑方便人员观测，如仅供远传，可以适当放低要求。最后须清楚热电偶的型式尺寸，插入塔体的长度，避免影响热电偶的安装或与塔内件碰撞等问题的出现。本项目分馏塔的3个测温点热电偶口TW_1-3均测量的是塔盘上受液盘内液体的温度，TW₁位于第50层塔盘上方，TW₂位于第42层塔盘上方，TW₃位于第2层塔盘上方，均为偶数层塔盘，中间降液管形式，考虑管口方位时首先应排除上层塔盘降液管所覆盖区域及本层塔盘中间降液管覆盖区域，且应布置在操作侧，尽量布置在平台或通道所能触及区域。确定好大概区域后，再根据热电偶插入深度，确定最合理的布置方位。特别注意的是，对于一些热电偶插入深度要求很长，垂直于设备切线无法满足伸入长度要求的情况下，应该将管口接管方向调整为平行于塔盘降液管方向，使插入的热电偶套管与降液管平行，保证热电偶的插入深度要求。综上，本项目TW₁管口最终确定为偏东南方，即220°方向上;而TW₂口和TW₃口方位均平行于塔盘方向，分别位于偏北方及偏东方。

板式塔一般在塔顶及塔釜上部设置压力测量点，测量气相压力，在布置压力仪表管口方位时应避免开在液相区域，例如塔盘溢流堰内，塔釜液相段等。由于压力取压点需设置根部阀门，所以在布置压力取压点时还应考虑阀门操作及压力数据的读取。本项目塔顶测压点取在了塔顶管线上，未在塔体开压力表专用口，故不涉及管口方位的设计，塔体只在塔釜上部设置了一处取压点，此处不涉及塔盘方位，只需考虑满足人员操作及与其它相邻管口的协调关系，最终确定为正东方向。

液位计口主要为测量塔内液体液位所用，本项目分馏塔共测量两段液位，分别是轻汽油（LCN）产品抽出及塔釜重汽油液位。其中，LG1_1-2为LCN产品现场液位计口，LT1_1-2为LCN产品液位变送至DCS口，LT2_1-2为LCN产品液位变送至SIS口。此3组液位计口位于47层塔盘上方，从上文可知，此层塔盘为塔盘集油箱结构，要测量塔盘上液位，需躲开上层降液管及本层降液管位置，再排除管道侧所在区域，从塔盘方位可以看出，可以布置这些管口的区域很有限，再综合考虑通道、人孔等布置，最终确定的管口方位如图7所示。塔釜上的液位管口LG2_1-8、LT3_1-2、LT4_1-2、LT5_1-2无塔盘的限制，需在塔釜的操作侧综合人孔及平台布置，规划出最合理的方位。此分馏塔釜尺寸较大，液位计量程达到了5 300 mm，根据仪表选型，LG2现场液位计口达到8个，分为4段测量，管口每2个一组，依次错开布置。而LT3-LT5远传液位采用双法兰形式，不受高度限制，每组有两个管口，布置时需要与同标高的LG2众管口及人孔统筹考虑，既要做到互不干扰，又要保证方便根部阀门及仪表的观测及维护，同时布置后的液位仪表不能影响平台通行，经多方面综合规划后，此部分管口方位如图7所示。

主要管口布置完成后，剩余的管口方位需根据规划完成的主要管口及管线的布置情况进行完善。例如放空口V，位于塔顶，其方位需避开塔顶出口管、安全阀组及吊柱，再结合平台设置情况，最终确定。公用工程管口是为检修期间蒸汽吹扫和氮气置换所设置，一般位于塔体下切线上方，需根据管道规划进行管口方位布置，既做到不影响同标高的液位计，又方便人员吹扫置换作业。塔裙座出入口是人员出入裙座所用的开孔，对于直径较大的塔器一般为2个，此开孔与工艺流程无关，只需根据地面管道及其它设施布置情况，保证人员进出方便。

5  结 论

分馏塔完成全部管口方位规划，给设备专业提出设计条件，进行设备图纸的详细设计。同时，随着配管设计的深入、设备设计的进行及塔内件的资料复核，部分管口方位的调整也是不可避免，甚至复杂管口的调整一直贯彻于设备设计及制造的始终，再此过程中，要求设计人不惧麻烦、精益求精，为现场的施工及日后业主的使用打下良好的基础。

参考文獻：

[1]中华人民共和国工业和信息化部.石油化工工艺装置布置设计规范，SH3011-2011[S].

[2]张德姜，王怀义，邱平. 石油化工装置工艺管道安装设计手册第一篇设计与计算[M].第五版.北京：中国石化出版社，2014-04.

[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.石油化工钢制压力容器，SH/T3074-2007[S].

[4]中华人民共和国工业和信息化部.石油化工金属管道布置设计规范，SH3012-2011[S].