塔底重沸器的管道設(shè)計(jì)探討

吳利平

(中石化洛陽工程有限公司 配管室，河南 洛陽 471003)

在石油化工裝置中，重沸器是必不可少的傳熱設(shè)備。它的作用是使塔釜液相部分氣化后返回塔內(nèi)，為傳質(zhì)傳熱過程提供所需要的能量。目前主要使用的形式包括釜式、強(qiáng)制循環(huán)式及熱虹吸式。在大多數(shù)的工藝過程中，熱虹吸式重沸器已成為廣泛被采用重沸器類型。熱虹吸式重沸器適用于介質(zhì)粘度小、干凈、氣化率<30%、傳熱面積<55 m2的狀況[1]。

熱虹吸式重沸器的原理如下：重沸器安裝位置低于塔底標(biāo)高而形成的定位差，使塔底液體自動流出，并經(jīng)由重沸器底部流入重沸器，重沸器內(nèi)部分液體被加熱汽化形成氣液混合物，密度顯著變小，從而在重沸器的入口和出口產(chǎn)生靜壓差，工藝流體不用泵就可以自然循環(huán)回塔，完成操作。在操作狀態(tài)下，金屬管道會因溫度升高而熱脹，較冷態(tài)比，對設(shè)備管口造成較大的推力和力矩。不合理的管道布置會無法滿足管道的熱脹要求，從而使設(shè)備的受力超過其允許值，損壞設(shè)備管口引發(fā)介質(zhì)的泄露，進(jìn)而造成事故。因此，為保證重沸器系統(tǒng)的正常工作，合理的工藝管線的布置顯得尤為重要。本文將就重沸器進(jìn)出口的管道設(shè)計(jì)過程中需要注意的幾個問題進(jìn)行探討。

1 重沸器的安裝位置及安裝高度

對于明火加熱的重沸器，與塔的間距應(yīng)按照防火規(guī)范中加熱爐與塔的間距要求布置；對于蒸汽或熱載體加熱的臥式重沸器應(yīng)靠近塔布置，并為之一定高差(由工藝設(shè)計(jì)確定)，二者之間的距離應(yīng)滿足管道布置的要求。重沸器抽管束的一端應(yīng)保證抽出管束的空間，具備檢修場地和通道[2]。同時要考慮能夠吸收配管的熱應(yīng)力。由工藝專業(yè)通過壓力平衡計(jì)算確定重沸器的安裝高度，進(jìn)而對重沸器的進(jìn)出口管線進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

初步規(guī)劃好的重沸器管線可以計(jì)算管道應(yīng)力，確定是否滿足管道的柔性要求。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以對管道走向，重沸器的位置和高度進(jìn)行調(diào)整，以提高管道柔性[3]。最終設(shè)計(jì)好的重沸器進(jìn)出口管線需要提供給工藝專業(yè)，進(jìn)行壓力平衡計(jì)算。工藝專業(yè)根據(jù)配管提供的管線布置圖、塔的裙座高度以及重沸器的基礎(chǔ)高度，計(jì)算重沸器入口管當(dāng)量長度和出口管當(dāng)量長度，核算重沸器的安裝高度是否合適，以保證重沸器正常循環(huán)。

圖1 某渣油加氫裝置工藝安裝高度計(jì)算結(jié)果

圖1為某渣油加氫裝置中重沸器的工藝安裝高度計(jì)算結(jié)果。裝置中管道專業(yè)提出的柴油汽提塔(T-202)和柴油汽提塔底重沸器(E-203)相關(guān)參數(shù)如下：T-202的裙座高度為EL+8800 mm，E-203的返回口的高度為EL+14000 mm， E-203的中心標(biāo)高為EL+2616 mm。可以看出，T-202與E-203的安裝高度滿足工藝要求，足以保證重沸器的正常循環(huán)。

2 重沸器進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)壓力降

根據(jù)重沸器系統(tǒng)的壓力平衡，當(dāng)系統(tǒng)的液體靜壓頭升高或摩擦壓力降增大時，重沸器內(nèi)工藝介質(zhì)的壓力會隨之增加，沸點(diǎn)也會升高。當(dāng)加熱介質(zhì)的溫度持不變時，重沸器的有效平均溫差就會降低，產(chǎn)生溫差損失。此現(xiàn)象對窄餾分、低溫差的系統(tǒng)影響尤為明顯。針對上述問題，在熱脹許用應(yīng)力范圍內(nèi)，重沸器的進(jìn)出口管線設(shè)計(jì)應(yīng)滿足短而直，減少彎頭的數(shù)量，以減小系統(tǒng)壓力降。

2.2 升氣管

升氣管中氣液兩相流具有不穩(wěn)定性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，在管道設(shè)計(jì)中需要做到“步步高”或“步步低”。管線在垂直方向不能傾斜布置。水平方向不能形成袋狀，否則容易會引起水錘現(xiàn)象[2]。垂直方向的氣液兩相流在向上流動時，流動形態(tài)不確定，可能是泡狀流、塊狀流、環(huán)裝流或霧狀流等。其中塊狀流不流于操作，它是氣液相交替脈動的不穩(wěn)定流態(tài)，應(yīng)避免此流態(tài)。

對于有兩個升氣口的管殼式臥式重沸器，為使其管內(nèi)流量相等，升氣管應(yīng)對稱布置。在管徑不同或不對稱布置時，應(yīng)使管段的阻力盡量相同。否則，在不同的阻力下，管段流量的不均導(dǎo)致熱量分配不均，導(dǎo)致重沸器的傳熱效率降低。

2.3 管道柔性

管道應(yīng)力包括三種類型：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力。

一次應(yīng)力是由所加載荷引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，包括管道上的所有持久載荷，主要有管子自重、保溫重量、管內(nèi)介質(zhì)重量和管內(nèi)壓力等。其特征是非自限性的。它的大小和所加載荷成正比。合理的支架能夠有效調(diào)節(jié)管道的一次應(yīng)力及應(yīng)力最大值的大小和位置，以降低二次應(yīng)力的最大值。

二次應(yīng)力是由于管道熱脹變形受到約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，包括溫度載荷和附加位移載荷。管道由安裝狀態(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài)，由于管內(nèi)介質(zhì)的溫度變化，管道產(chǎn)生熱漲或冷縮使之變形。與設(shè)備相連的管道，由于設(shè)備的溫度變化而出現(xiàn)端點(diǎn)位移，端點(diǎn)位移也使管道變形。二次應(yīng)力的特征是自限性的。應(yīng)變的大小程度取決于管道的柔性。為防止管道熱膨脹產(chǎn)生的破壞作用，需考慮自然補(bǔ)償或設(shè)置各種補(bǔ)償器用于吸收管道的熱膨脹和端點(diǎn)位移。在滿足工藝要求的前提下，可以更改管道走向，增加管道柔性；提高彈簧的強(qiáng)度，減小管嘴受力。

圖2 冷態(tài)和熱態(tài)下重沸器出口管線的變化

3 重沸器的管道應(yīng)力分析

在加氫裂化裝置中，塔底重沸器一般都布置在塔周圍的地面或構(gòu)架上。以某渣油加氫處理裝置為例，柴油汽提塔(T-203)的直徑為1400 mm，裙座高度為EL+8800 mm。T-203的進(jìn)料口高度為EL+7000 mm，T-203的返回口高度為EL+13700 mm。柴油汽提塔底重沸器(E-203)的型號為BJUΦ700×3500，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為EL+1400 mm。T-203與E-203的安裝高度滿足工藝專業(yè)的要求。圖3為E-203進(jìn)出口管道布置圖。

重沸器的進(jìn)料口管線DN200，操作溫度是285℃；重沸器返回口管線DN300，操作溫度是300℃。在操作工況下，管道作用在設(shè)備管嘴上的力主要集中在以下幾個方面：溫度荷載、附加位移荷載、管內(nèi)介質(zhì)荷載和壓力。為了避免設(shè)備管嘴受到很大的推力，造成設(shè)備管嘴損壞和介質(zhì)泄漏，在實(shí)際的配管設(shè)計(jì)中，需要考慮增加管道的柔性。

圖3 柴油汽提塔底重沸器出口管線布置

利用CAESARII軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，核算管道上所有節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和應(yīng)變。各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況都滿足要求。圖3為最終的管道布置圖。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在管線的合理位置設(shè)置承重支架和彈簧支架，具體如下：重沸器進(jìn)料線存在17 mm向下的位移，因此在地面水平段合適位置50點(diǎn)處設(shè)置彈簧支架，應(yīng)避免采用剛性支架。重沸器的出口管線，存在13 mm向上的位移，因此在設(shè)備平臺下水平段合適位置155點(diǎn)處設(shè)置彈簧支架，并在垂直段設(shè)限位支架。既控制設(shè)備管嘴受力在可承受范圍內(nèi)，同時又很好的吸收了管道的熱膨脹，增加了管道的柔性。

4 小結(jié)

本文從熱虹吸式重沸器的安裝位置和高度、重沸器進(jìn)出口管道布置要點(diǎn)幾個方面對熱虹吸式重沸器的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。熱虹吸式重沸器的進(jìn)出口的管道設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在滿足工藝要求的前提下，滿足管線的柔性和設(shè)備的管嘴受力，以達(dá)到管線布置更加安全可靠、合理美觀的設(shè)計(jì)目的。