石化装置中配管专业塔器设计探究

赵素娟

(青岛武船麦克德莫特海洋工程有限公司,山东 青岛 266520)

石化装置中塔器设备尤为常见,主要有反应塔、吸收塔、蒸馏塔、萃取塔以及洗涤塔等,

作为重要的传质和传热的设备,塔器在装置中起着核心作用,同时通过顶端、侧端,下端产物确定产品方向。市场上对化工产品的不断精细化,使得石化装置对塔器的内部科技——塔盘设计、催化剂种类设计等要求越来越苛刻,同时塔器在石化装置中的外部要求——塔器平面布置、管道设计等要求也在不断优化中。

1 塔平面布置

在石油化工装置中,尤其在装置的产品分离部分,几乎每套装置都包含数台塔器,塔系统通常包含进料加热器、重沸器、空冷器、回流罐、回流泵、塔底泵等相关设备,按照工艺流程顺序靠近布置的原则就近布置系统内的设备,便于操作管理。图1是某石化10万t/a碳九分离装置中的塔平面布置。

图1 某石化10万t/a碳九分离装置设备布置图

1.1 塔器布置方式

以上设备布置图中的C-1201、C-1202、C-1301、C-1601及其系统中的设备均布置在相应塔附近的构架-4、构架-5、构架-6中。项目中塔是单排布置,中心对齐。另外对于直径较小、本体较高的塔,可双排布置或成三角布置; 而对于直径小于或等于1 m的塔宜布置在构架内或构架的一侧,可用支耳固定,依次提高其稳定性。

1.2 塔与塔、塔与管廊间距

因项目中C-1201、C-1202相关联设备大部分布置在构架-5上,因此C-1201、C-1202沿管廊布置,便于塔与关联设备间的管线布置,C-1201塔底泵P-1204置于管廊下方,C-1202塔底泵P-1205置于构-5地面层,因此塔与管廊之间无泵布置情况,C-1201直径2.6 m,C-1202直径1.8 m,两塔中心线距管廊立柱中心线设计取6.5 m,以此满足规范大于3 m的要求。两塔单排布置,考虑到塔底液位计布置比较密集,加之人孔的布置方位,以及两塔之间的联合平台的布置,所以两塔之间间距设计取6 m,6-1.3-0.9=3.8 m大于2.5 m的设计要求[1]。

1.3 塔的安装高度

塔的安装高度主要由相关的工艺要求决定,当利用内压或流体重力将塔底物料送往其他设备或管道时,塔的安装高度应由其内压和被送往设备或管道的压力、高度和输送管道压力降决定;当用泵输送时,安装高度要考虑泵的必需汽蚀余量(NPSHr);带有非明火加热的重沸器的塔,安装高度应按塔和重沸器之间的操作要求确定。另外,塔的安装高度还应满足塔底管道安装和操作所需要的最小净空,且塔的基础面高出地面不应小于200 mm[2]。再结合具体的工艺流程之后可以将相邻的塔做成联合平台。

图2是某石化10万t/a碳九分离装置中的C-1201(碳九分离塔)、C-1202(单体分离塔)底部的立面图,重沸器管程为工艺介质,壳程为高压蒸汽,设计确定裙座高度需考虑的因素如下:

图2 某石化10万t/a碳九分离装置C-1201、C-1202

(1)塔底泵的必需汽蚀余量(2 m);

(2)泵入口管路压力降(约10 kPa);

(3)重沸器凝结水液面要高于凝结水罐封头的要求;

(4)重沸器进出口管线应力计算要求;

(5)C-1201、C-1202联合平台的需求;

(6)塔底管道标高与管廊侧梁标高一致的角度;

(7)裕量0.5 m。

综合以上因素C-1201、C-1202裙座高度设计取值7 m。

2 塔体开口的布置

塔体上的开口数量与其他设备相比要多很多,在塔体上开口时,应详细了解工艺要求(各个管口的目的性)和塔的内部结构。塔体的开口方位应满足工艺、仪表要求并便于操作及检修,同时也应考虑与塔开口连接的管道布置,且因塔管口较多,应避免管道交叉。在布置塔的设备位置时,就应该考虑到塔体的管道侧和操作侧的方位。当两塔相邻布置时,还需统筹考虑联合平台的设置。我们常见的是单/双溢流塔,因此本文主要针对单/双溢流塔的开口方位进行阐述。

2.1 塔顶管口布置

塔顶管口方位并没有特殊要求,主要考虑空间及连接管线,例如,安全阀口,因安全阀体较大,加之通常安全阀一开一备加跨线,所占空间较大,因此需主要考虑空间因素。

2.2 塔人孔/手孔的布置要求

人孔的主要作用是装配、检查和检修内件,因此塔人孔的方位首先应置于操作侧,其次设置人孔方位必须考虑塔内部构造,例如塔盘方位,因为人孔即人员进出塔内部的通道,必须考虑其可操作性及安全性,人孔应置于塔盘上方,不得设在降液管/槽的上方,另外一座塔上的人孔宜布置在同一垂直线上,既操作方便,又美观。单/双溢流塔的人孔方位见下图3～4。

图3 双溢流塔人孔

图4 单溢流塔人孔

2.3 回流口与进料口的布置

回流口/进料口通常布置在塔板上方的管道侧,管口方位与塔板溢流方式密切相关,主要分为管口有无分配管两种情况,最佳进料/回流管口方位是与降液板垂直方向布置在非降液槽侧管口(远离降液槽的方向),如下图5～6。

图5 单溢流塔无分配管

图6 单溢流塔有分配管

双溢流塔可参考单溢流塔进料/回流口与降液槽相对位置而确定。在此不再赘述。

2.4 重沸器返回口要求

重沸器返回口应设在塔中心上,并与降液槽平行布置,另外,重沸器管口接管通常是应力管道,因此在考虑方位时除考虑塔内部结构外,应力计算因素也是重点。

2.5 仪表口要求

仪表接口方位首先应考虑的是操作、检修的因素,因此仪表管口应布置在操作侧,在此仅讲述液位计及温度计的管口规划。

液位计:液位计应安装在液面波动较小的位置,不宜布置在进料和重沸器返回管口正对面的60°范围内,温度计:规划压力表/温度计开口时,首先要明确仪表要测量的是气体还是液体?如果需要测量液体温度,则开口应在降液板上0.1 m以内,如果需要测量气相温度,则应高于塔盘上0.1 m,特别需要注意的是,因为温度计需要伸入管嘴一定的长度,如果降液槽的宽度过窄,则温度计管口需要平行于降液板的方位布置。以防温度计插不进去,通常塔内保留温度计的空间最小为0.6 m。

当位置较高的远传仪表不方便放在平台上时,可将其布置在直爬梯附近,便于观测。

2.6 塔底出料口管道方位布置

塔底出料口管道方位主要考虑因素是管道的柔性,通常根据操作条件以增加弯头来调整柔性。此管口的高度在塔安装高度时已考虑。当重沸器为立式时,因为重沸器的安装高度等因素,塔底出料口的管口高度应与工艺专业共同商定。

3 塔平台设置

平台即方便操作、检修、检查、调节和观察的通道,因此,人孔、阀门、仪表管口所在处必须设置平台,需要注意的一些细节有:

(1)平台标高通常要高于管嘴净空0.15 m,当管口为液位计管口时,需确认液位计是否有排凝,当有排凝时需要预留至少0.45 m的净空。

(2)人孔中心线距离平台的面的高度一般是0.6～1 m。最佳高度为0.8 m,手孔可抬高至1～1.5 m。

(3)当塔顶部有冷却器时,则封头下方有设备壳体法兰,此时对应层的平台需要设置360°设备平台。

(4)当相邻塔平台标高接近时,可取一致标高布置成联合平台。

(5)塔上下两层平台净空不应小于2.2 m,当两平台高差大于10 m时,应中间添加休息平台。

(6)最下层平台标高应不小于2.2 m。

(7)平台的宽度应根据人孔、仪表、阀门及阀组的布置、检修等实际情况确定,有时部分平台需要局部加宽,例如安全阀放置的平台、高压液位计(通常一次阀为双高压阀)所在平台等都需要局部加宽。

(8)附近有框架平台的情况需要增加走桥。

4 塔管道布置及支架设置

塔的管道通常分为塔顶管道、塔侧管道、塔底管道。从空间考虑,通常布置塔管道时要从上到下规划,主要考虑大直径管道和应力计算管道,后考虑塔底和小直径管道;从美观上考虑,管道应尽量同心圆布置,或者是切线布置,但是距离塔壁净空最少0.3 m,以方便布置支架。需要注意的是当敷塔管道,集中荷载较大时,需提偏载给设备专业核算。在塔体设计时未考虑管系荷载,因此,在管口附近必须设置承重支架。具体见以下详述。另外,如果塔整体需要热处理,则敷塔管道的支架垫板(与塔体同材质)位置资料需要提前返给设备专业,以便使支架的垫板与塔体整体热处理。否则待塔体热处理完毕再加垫板则工序复杂很多。

因塔的介质温度通常很高,尤其是塔底管道,因此管系需要应力计算,根据计算结果增加弹簧支架,但值得一提的是弹簧支架并不是设置得越多越好,应根据应力计算结果在合适的位置添加弹簧支架,过多或者位置不合适的弹簧均会造成管道脱空,严重者会影响相连设备的稳定性,尤其是动设备,例如机泵、压缩机等。

4.1 塔顶管道布置及支架设置

塔顶管道通常是大直径且温度相对较高的气相管道,主要包括塔顶气、安全阀等管道,对于塔顶气管道,它是流至换热器/空冷器的管道,存在气液两相的可能,因此需要管系“步步低”,且对称布置,同时保证其柔性;对于安全阀管线,主要分两种情况,如果塔附近没有高于安全阀总管的框架,则安全阀需要安装在塔顶或者高于安全阀总管的塔平台上,如果塔附近有高于安全阀总管的框架,则安全阀尽量布置在框架上(方便操作)。塔顶管道布置可参考下图7～8。图7是当安全阀管口是独立管口情况下的布置图,图8是安全阀引自塔顶气管道时的情况。需要注意的是安全阀的相关支架需要给设备专业/结构专业单独提集中荷载,增加次梁,以方便安全阀出入口的支架放置。另外,安全阀管口至安全阀之间的总压降应小于安全阀定压值的3%[3]。

图7 安全阀布置图

图8 塔顶管道布置图

4.2 塔侧管道布置及支架设置

塔侧面管道主要有进料口,回流口、重沸器返回口等重要管口的连接管。需要注意的一些细节如下:

(1)为避免积液,塔侧面管道上靠近管口的阀门宜与管口直连,防止阀门关闭后管道发生积液的不良情况;

(2)当进料管口有2个以上进口时不应直接连接,而应柔性连接,即管系上需要设计出一个水平管道来吸收立管因为热膨胀而产生的位移;

(3)重沸器管口不仅需考虑应力方面,还要考虑支架(弹簧支架)问题。

塔顶管道与塔侧管道敷塔管线的支架布置以图8为例来说明,支架一为承重支架(固定支架),其位置应尽量靠近塔封头,但支架顶标高需小于塔封头切线标高200 mm,可根据管线荷载来确定承重支架所选用型钢的型号,应力计算时此支架或许为弹簧支架,支架二为导向支架,最后一个导向支架距离水平管线要大于25倍的管道通径,水平管线后支架三为弹簧支架,应力允许的情况下也可为导向支架。如果塔高度过高时,敷塔管线可通过改向来增加管道柔性,需要注意的是,改向后的垂直管段第一个支架应选用承重支架,关于承重支架需要注意以下几点[4]:

(1)管道荷载过大,一个刚性承重支架承重不满足荷载要求时,可在垂直管中间设弹簧承重支架分担垂直管的荷载,需注意的是在同一垂直管系上设置两个承重支架时,刚性承重支架必须位于弹簧支架的上方,否则刚性承重支架容易脱空甚至造成安全事故;

(2)多根较大管道的承重支架不仅要在高度上错开布置,水平方位也应围绕塔体尽量均匀布置,以减少塔体局部受力,否则应给设备专业提供偏载资料;

(3)如果管道是借助塔体上行敷设,例如消防蒸汽管道或是引至塔顶放空的管道,其固定承重支架应设置在立管的下部,上部设置导向支架。

(4)承重支架承受的核载是管系的最重状态时的核载,例如,如若管系需要水压试验,且保温状态,则承重支架需要能承受管系充水满管状态且加保温材料的核载,当然如果介质密度大于水如果垂直管道过长,与承重支架下方应设置多个导向支架,我们需严格按照导向支架间距规范设置。在此不再赘述。

4.3 塔底管道及支架设置

塔底管道是塔管道中介质温度最高的管道部分,通常需要参与应力计算,管道柔性因素是必须要考虑的,塔底管口至泵的管道应“步步低”,管道应在满足柔性要求的情况下尽量减少弯头的数量。

举例如下:图9为某石化柴油加氢项目中的产品分馏塔塔底泵的管道布置,管道介质温度为343 ℃,其中管系中有多个弹簧支架。从图中可以看到,为增加管道柔性布置,塔底管口方位并未布置在正对泵的方向。

图9 塔底泵管道布置图

5 结论

塔器作为石化装置系统中的重要组成部分,从以上论述中我们可以得出,无论是设备布置、管口方位规划还是管道及其支架布置,其影响因素均很多,设计人员必须从工艺流程及塔内部构造方面,结合塔位置的实际情况出发综合规划塔的管道、平台、支架,并与工艺专业、设备专业、结构专业、应力专业等多方沟通与协调,以此来有效提高装置塔的运行效率和质量。另外,提高设计人员的综合处理能力及较强的胜任力,最大程度上规避可能出现的设计偏差隐患。