低溫甲醇洗裝置中塔的布置及管口方位設(shè)計(jì)

孫方莉

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院分公司，河南 鄭州 450018)

低溫甲醇洗是現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目氣體凈化裝置中很重要的一道工序，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型合成氨、甲醇合成等項(xiàng)目。低溫甲醇洗按工藝流程及功能一般分為吸收、解吸冷區(qū)系統(tǒng)和熱再生、甲醇水分離熱系統(tǒng)，其中吸收、解吸冷區(qū)系統(tǒng)塔器多為板式塔，管口較多且塔盤分布復(fù)雜。本文主要探討冷區(qū)系統(tǒng)塔器的布置及管口方位設(shè)計(jì)。

1 塔的平面布置要求

塔器指用于氣-液或液-液相間傳質(zhì)、傳熱的設(shè)備，是許多裝置單元的關(guān)鍵性設(shè)備，廣泛用于石油化工企業(yè)。塔的類型很多，根據(jù)塔的用途，可將其分為用于氣-液相間傳質(zhì)的精餾塔、汽提塔、吸收塔和解吸塔，用于液-液相間傳質(zhì)的萃取塔等[1]。氣液傳質(zhì)塔根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為板式塔和填料塔[2]。

1.1 塔的布置原則與要求

塔的布置應(yīng)符合工藝流程，滿足安全間距、吊裝檢修要求，管線距離短、集中布置。

(1)直徑小于等于1000mm的塔一般布置于框架內(nèi)，利用框架提高其穩(wěn)定性[3]，其余情況靠裝置邊緣布置，便于設(shè)備吊裝、檢修；

(2)管廊立柱中心與塔外壁之間距離不宜小于3m[3]；

(3)兩塔之間凈距離不宜小于2.5m，以便附塔管道和平臺(tái)的敷設(shè)[4]；

(4)框架側(cè)兩個(gè)或者兩個(gè)以上成組布置的塔，一般按照以塔的中心線或外壁切線對齊的原則呈單排布置，也可呈雙排或三角形布置，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置聯(lián)合平臺(tái)[2]。

1.2 塔的安裝高度

(1)利用重力流或者壓差將物料送往下游設(shè)備或者管道時(shí)，應(yīng)根據(jù)其內(nèi)壓和下游設(shè)備及管道的壓力和高度來確定塔的高度[3]；

(2)用泵抽塔底物料時(shí)，塔的安裝高度應(yīng)充分考慮泵的汽蝕余量和管道的壓力降等因素[2]；

(3)塔的安裝高度還應(yīng)考慮塔底管道安裝及操作檢修的要求[2]，且其基礎(chǔ)高度一般設(shè)置為+200～300mm；

(4)塔的裙座、基礎(chǔ)與再沸器基礎(chǔ)高度要統(tǒng)一考慮，應(yīng)同時(shí)滿足工藝及應(yīng)力要求。

1.3 塔的布置工程實(shí)例

以山東某項(xiàng)目低溫甲醇洗的冷區(qū)塔的布置及管口方位設(shè)計(jì)為例，圖1和圖2為該項(xiàng)目低溫甲醇洗裝置塔的設(shè)備布置圖。

圖1中，甲醇/水分離塔(330T-3106)由于塔徑較小，直徑為900mm，高35m左右，設(shè)備本體強(qiáng)度不夠，故布置于鋼框架內(nèi)，利用框架設(shè)置導(dǎo)向支撐提高其穩(wěn)定性。

圖2為冷區(qū)塔的布置圖，按照工藝流程順序?qū)⑺靼凑罩行木€對齊成排布置在框架的北側(cè)，分別是尾氣洗滌塔、未變換氣吸收塔、變換氣吸收塔，塔的西側(cè)靠近框架，為管道側(cè)，塔的東側(cè)和南側(cè)均為裝置道路，便于塔器的吊裝和檢修，為檢修側(cè)。

2 塔的管口方位設(shè)計(jì)

2.1 管口方位設(shè)計(jì)原則

考慮塔器的操作檢修及管道進(jìn)出，塔器一般設(shè)置于管道側(cè)及檢修側(cè)，包括人孔及平臺(tái)。塔的檢修側(cè)要留有足夠的空間以供塔的整體吊裝、塔盤的裝卸及檢修，一般臨路設(shè)置。

圖1 塔框架布置圖

圖2 成排塔的平面布置圖

管道側(cè)填料塔的管口方位設(shè)置無特殊要求，符合上述大原則即可；板式塔的管口方位設(shè)置與塔板形式、進(jìn)口分布器形式、集液箱形式、工藝介質(zhì)狀態(tài)有關(guān)。塔的所有管口方位都應(yīng)滿足工藝要求，同時(shí)也要考慮塔盤等內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管口的對應(yīng)關(guān)系。在規(guī)劃塔的管口方位時(shí)，按照先上后下、先大后小的原則，即先規(guī)劃靠近塔頂?shù)墓芸?、大管徑管道以及自流管道的走向[5]，再依次往下布置其他壓力管道及小管徑管道等的走向。塔盤間物料進(jìn)口、抽出口和人孔方位設(shè)計(jì)比較重要，且受塔板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大。人孔一定要設(shè)在檢修區(qū)域[3]，方便進(jìn)出。塔頂和塔釜管口設(shè)置較為簡單，根據(jù)配管情況確定方位即可?？傮w來說，管口在塔內(nèi)部應(yīng)盡量靠近受液槽，遠(yuǎn)離降液管，并注意介質(zhì)的均布，在不碰降液管及塔內(nèi)件的前提下，根據(jù)配管情況在管道側(cè)旋轉(zhuǎn)管口角度。

項(xiàng)目前期做平面布置和配管研究時(shí)，根據(jù)工藝流程，將塔器的功能區(qū)先做區(qū)分，大致劃分為操作和檢修所需的操作側(cè)和配管所需的管道側(cè)[3]，如圖3，操作側(cè)指人孔(或手孔)及塔頂?shù)踔姆轿?，該區(qū)域需設(shè)置檢修操作平臺(tái)，本著整齊美觀的設(shè)計(jì)原則，塔的人孔方位也宜盡量保持一致；管道側(cè)指附塔的工藝管道及公用工程管道布置的區(qū)域。然而，由于塔內(nèi)構(gòu)件比較復(fù)雜且管口數(shù)量較多，有時(shí)很難將上述兩側(cè)嚴(yán)格分清[5]。

圖3 管道側(cè)和檢修側(cè)

2.2 工藝管口的方位布置

(1)物料進(jìn)口管口方位

a.單溢流塔盤：以變換氣吸收塔為例，如圖4所示，該塔為單溢流塔，液相進(jìn)口均位于塔盤間，液體進(jìn)入塔后，宜均勻落在塔盤上[4]，因此按照塔盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，塔盤上的進(jìn)料口N9與N10均應(yīng)與單數(shù)降液板垂直布置，以保證液體均勻分布，提高塔盤的效率[6]。但是根據(jù)配管實(shí)際情況，其中物料進(jìn)口N10由于配管有困難，方位無法做到與降液板垂直，故采取改變塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加彎頭延伸段的解決方法。

圖4 單溢流塔盤物料進(jìn)口方位

b.雙溢流塔盤：雙溢流塔的進(jìn)料口一般設(shè)置有分布管[7]，進(jìn)料口的液體進(jìn)入塔內(nèi)最后要落在塔板上，因此按照圖5所示塔內(nèi)結(jié)構(gòu)，進(jìn)口方位宜平行于降液板從中間進(jìn)入，保證物料均勻分布。塔的左側(cè)為配管側(cè)，將進(jìn)料口都布置在左側(cè)方便配管，從而確定了1-58#塔盤降液板的方位。

圖5 雙溢流塔盤物料進(jìn)口方位

(2)抽出口管口方位

抽出口管口方位一般位于塔盤中間，設(shè)置1個(gè)或者多個(gè)，變換氣吸收塔及未變換氣吸收塔抽出口均是采用在塔盤下方開孔加彎頭抽出的開口方式[8]，因此外部管口可以布置在避開降液管的任意方位，如圖6所示。

圖6 抽出口管口方位圖

(3)塔頂氣相出口和塔釜液相出口

塔頂氣相出口和塔釜液相出口設(shè)置比較單一，氣相出口一般設(shè)置在塔頂正上方，以便氣相能夠通暢地從塔頂排出[8]。塔釜液相出口一般是泵的進(jìn)口管線，管口方位應(yīng)考慮管道柔性及下方檢修空間。

2.3 人孔方位布置

人孔用于安裝和檢修塔內(nèi)件，布置在操作側(cè)，以及進(jìn)出塔比較方便、安全、合理的位置，其方位要從上到下統(tǒng)一考慮，盡量布置在同一垂線上，做到整齊美觀。人孔宜沿同一方向且靠近馬路或者無障礙通行的空地一側(cè)布置[6]，方便塔盤及內(nèi)件的吊裝和檢修。由于未變換氣吸收塔的人孔數(shù)量較多，不好實(shí)現(xiàn)人孔方位一致，故適當(dāng)調(diào)整一定角度，角度范圍最好小于90°[6]。塔內(nèi)設(shè)有集液箱，M3和M4兩個(gè)人孔距離較近，高差僅有2.3m，不便設(shè)置平臺(tái)，因此將兩個(gè)人孔方位錯(cuò)開了一定角度，如圖7所示。

圖7 人孔方位圖

人孔方位應(yīng)設(shè)置在下方降液板上[6]，以免檢修人員進(jìn)入踩空；不應(yīng)設(shè)置在降液管上或受液槽區(qū)域范圍內(nèi)[5]，避開塔內(nèi)件，以免碰撞；避開進(jìn)料分配管。進(jìn)料口分布器及其支管一般都設(shè)有支撐，人孔方位規(guī)劃時(shí)應(yīng)避開其支撐件，以保證每個(gè)人孔均能使檢修者安全通暢地進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。有些塔的塔徑較小，人孔尺寸一般為DN500或者DN600，空間不寬裕，因此在布置人孔時(shí)，要按照比例確認(rèn)降液管與人孔尺寸的合理性。人孔蓋關(guān)閉的方向應(yīng)與人疏散的方向一致，以便在事故發(fā)生時(shí)利于逃生。

2.4 儀表管口方位布置

塔上儀表管口主要有液位計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)等，所有儀表應(yīng)盡可能設(shè)置在操作平臺(tái)上或者直爬梯附近，便于觀測和檢修[6]，盡量避免布置在平臺(tái)入口附近，以免妨礙操作檢修人員通行。儀表管口分為就地和遠(yuǎn)傳兩種型式，其中就地液位計(jì)多為磁翻板型式，且設(shè)有排凈閥門，不宜貫穿平臺(tái)，以免影響檢修通道。

液位計(jì)口應(yīng)避開其上層塔板的降液區(qū)以及回流介質(zhì)的影響，防止液位計(jì)出現(xiàn)假液位[4]。如果實(shí)在無法避開，可考慮在相應(yīng)管口內(nèi)部設(shè)置擋板。在布置液位計(jì)上下管口方位時(shí)，應(yīng)充分利用平臺(tái)和直爬梯來操作根部切斷閥及實(shí)現(xiàn)液位的可視。如果液位計(jì)口與人孔高度相差太大，無法利用平臺(tái)，造成閥門操作不便，可在滿足工藝要求的情況下，適當(dāng)調(diào)整人孔的高度。低溫洗吸收塔操作溫度較低，塔上液位計(jì)管口不要靠的太近，以免出現(xiàn)“冷橋”和結(jié)霜現(xiàn)象[3]。

壓力計(jì)管口要避開降液管，布置在塔的氣相區(qū)內(nèi)[4]，以免壓力計(jì)的讀數(shù)受到液位壓頭的影響。溫度計(jì)管口不能位于降液區(qū)，且不得與降液管及其他內(nèi)件碰撞[6]，以防破壞, 并避免測量時(shí)出現(xiàn)較大的誤差。

3 吊柱的方位布置

由于變換氣吸收塔及未變換氣吸收塔都比較高，塔身高70m左右，塔頂設(shè)有吊柱，用來吊裝塔內(nèi)件，吊柱方位布置與人孔一樣布置在檢修側(cè)，且下方管道不得妨礙吊柱操作，為其留有足夠的空間。頂部人孔方位布置應(yīng)考慮塔頂?shù)踔?，由于吊柱操作范圍有限，人孔方位及相?yīng)平臺(tái)應(yīng)盡可能在其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)[5]。

4 梯子與平臺(tái)布置

每個(gè)人孔均需設(shè)置操作平臺(tái)，平臺(tái)可用來開關(guān)閥門、取樣及緊固法蘭、操作檢修調(diào)節(jié)閥組等。塔頂平臺(tái)用來操作安全閥、塔頂放空閥門及吊柱而設(shè)，一般設(shè)置圓形，尺寸按實(shí)際需求設(shè)定即可。

人孔中心距離平臺(tái)面的高度一般為600～1000mm，以750mm為最佳[3]，上下兩層平臺(tái)的凈空即通道凈高度不應(yīng)小于2200mm。平臺(tái)寬度不宜設(shè)置太大，按需設(shè)置即可。平臺(tái)寬度一般為1000～1500mm，休息平臺(tái)寬度設(shè)為1000mm，人孔操作平臺(tái)設(shè)為1200mm[6]即可滿足巡檢要求，但當(dāng)塔器管口相連的調(diào)節(jié)閥組必須設(shè)置在塔平臺(tái)時(shí)，由于空間受限，可與設(shè)備專業(yè)協(xié)商，將平臺(tái)寬度適當(dāng)加寬。

塔上平臺(tái)直爬梯宜從側(cè)面通向平臺(tái)，平臺(tái)高度在15m及以下時(shí)，梯子高度一般為5～8m，最高不宜大于10m；平臺(tái)高度超過15m時(shí)，梯子高度一般為5m左右[3]，否則可設(shè)多段梯，水平交錯(cuò)布置。

低溫甲醇洗塔器及附塔管線溫度較低，考慮后續(xù)管口法蘭冷緊需要，平臺(tái)范圍應(yīng)盡量覆蓋設(shè)備管口。

5 結(jié)語

5.1 低溫甲醇洗裝置內(nèi)塔器的特點(diǎn)為板式塔居多，吸收塔及H2S濃縮塔管口較多，附塔管線數(shù)量較多，在管口方位及管道設(shè)計(jì)時(shí)難度也比較大。因此，在項(xiàng)目初期，應(yīng)根據(jù)接收的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的管口規(guī)劃和配管研究，按照從上往下的原則，先定位局限性比較大的管口，根據(jù)管口的不同用途進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.2 低溫甲醇洗裝置塔上氣液兩相流管線眾多，這類管線極易產(chǎn)生振動(dòng)且難以消除，因此在配管設(shè)計(jì)中對氣液兩相流管線的布置有著特殊的要求。管線布置時(shí)應(yīng)盡量做到步步高，避免氣袋和液袋；調(diào)節(jié)閥組應(yīng)盡量靠近下游設(shè)備管口，縮短其與下游設(shè)備之間的管道長度；同時(shí)在滿足管道柔性的基礎(chǔ)上，盡量減少彎頭。管口方位的布置要根據(jù)塔盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)先考慮。

5.3 低溫甲醇洗裝置吸收塔內(nèi)設(shè)有集液箱，上下兩個(gè)人孔距離較近，此時(shí)應(yīng)將兩個(gè)人孔方位錯(cuò)開一定角度。低溫甲醇洗塔一般比較高，塔頂一般設(shè)有吊柱，用來吊裝塔內(nèi)件，吊柱與人孔都布置在檢修側(cè)，且吊柱下方管道不得妨礙吊柱操作，要留有足夠的空間。頂部人孔方位布置應(yīng)考慮塔頂?shù)踔?，由于吊柱操作范圍有限，人孔方位及相?yīng)平臺(tái)應(yīng)盡可能在其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)。

5.4 本文所列的塔內(nèi)件情況不能代替所有的板式塔內(nèi)件情況，與塔盤有關(guān)的所有管口方位均須與設(shè)備專業(yè)及塔內(nèi)件廠家共同確認(rèn)。