內(nèi)回流式塔頂冷凝器的設備布置與配管

馬燕星 田大鵬 杜廣朝

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

內(nèi)回流式塔頂冷凝器的設備布置與配管

馬燕星*田大鵬 杜廣朝

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

介紹精餾塔頂內(nèi)回流式冷凝器的工藝流程，提出冷凝器與精餾塔一體化布置的要點，簡述冷凝器支撐在塔頂氣相出口和支撐在建構物上的2種設備布置方案，探討精餾塔頂液相產(chǎn)品采出管道及冷凝器上所有管道的配管要點，分析其在具體的工程實例中的應用。

內(nèi)回流 冷凝器 精餾塔 設備布置 配管

精餾塔與塔頂冷凝器是石油化工、煤化工等化工生產(chǎn)過程中的重要生產(chǎn)設備，是產(chǎn)品精制、分離過程中的典型工藝設備組合。精餾塔與塔頂冷凝器的穩(wěn)定運行關系著整個裝置的產(chǎn)品質量、綜合能耗、投資和維修成本。目前，較為常見的塔頂冷凝器的設計分為外回流式與內(nèi)回流式兩種。顧名思義，外回流式是指精餾塔與冷凝器用管道連接，冷凝器獨立布置在建構筑物上。在設備布置時應基于塔頂?shù)臉烁吆凸に嚥僮饕螅瑢⒗淠鞑贾迷诤侠淼母叨?；而在管道布置時，一般僅需對塔與冷凝器之間的氣相管道進行柔性分析[1]。

與外回流式冷凝布置不同，內(nèi)回流式塔頂冷凝器則是冷凝器氣相入口與精餾塔頂氣相出口以法蘭或焊接的型式直接連接，冷凝器與精餾塔形成一體化的組合布置，免去精餾塔頂?shù)闹睆捷^大、溫度較高的氣相管道的設計，但是由于塔器自身高度較高，在操作溫度下往往因“熱脹冷縮”產(chǎn)生較大的垂直位移，進而對工藝設備布置與配管提出了更多的要求。隨著內(nèi)回流式塔頂冷凝器的工程化應用日益增多，其合理的設備布置與穩(wěn)固可靠的管路設計就顯得更突出。

1 典型工藝流程

內(nèi)回流式塔頂冷凝器是典型的管殼式換熱器，根據(jù)其設計型式的不同分為立式、臥式兩種。立式和臥式內(nèi)回流式塔頂冷凝器工藝流程見圖1。

立式冷凝器與塔頂氣相管口以法蘭型式連接，其阻力降較大，常用于氣相變液相量大的工藝流程中。

臥式冷凝器與塔頂氣相管口以法蘭或焊接型式連接均可，相比之下，其傳熱效率高，常用在真空或是高壓操作等要求阻力降小的工藝流程中。

圖1 內(nèi)回流式塔頂冷凝器典型工藝流程

2 設備布置的要點

(1)因內(nèi)回流式塔頂冷凝器與塔頂氣相管口直接連接，在設備布置時應與設備專業(yè)確認塔頂冷凝器的支撐型式：以支耳或鞍座的型式支撐于建構筑物上，或者塔頂氣相管口可以承受冷凝器操作重量，塔頂冷凝器不需要設置支耳或者鞍座。

(2)由于塔在操作溫度下的垂直位移較大，塔頂冷凝器各管口的垂直位移均較大，因此與塔頂冷凝器連接的不凝氣管道、冷卻水上下水管道，甚至液相產(chǎn)品采出管道均應進行管路柔性分析。

(3)管殼式冷凝器的冷凝管內(nèi)易結垢，需要經(jīng)常清洗。在冷凝器封頭處應設置合適的檢修平臺，在其上部宜有檢修用的起吊設施。

(4)如果冷凝器氣相入口與塔頂氣相出口是法蘭連接，則兩管口法蘭的螺栓均布型式應統(tǒng)一。

3 典型設備布置方案

3.1 支撐在塔頂氣相出口

內(nèi)回流式冷凝器支撐在塔頂氣相出口，即冷凝器的全部重量直接傳遞給塔體。其布置方案見圖2。

圖2 內(nèi)回流式冷凝器支撐在塔頂氣相出口

設備布置設計的注意事項如下：

(1)冷凝器支撐在塔頂氣相出口，應由設備專業(yè)確認同意，確保塔的氣相出口及塔體滿足受力要求。

(2)冷凝器支撐在塔頂氣相出口，應確保支撐塔的建構筑物可以承受塔和冷凝器的荷載，應向結構專業(yè)提出和確認。

(3)對于立式塔頂冷凝器，由于塔和冷凝器的一體化設計與布置，進一步增加了塔體的高度，應考慮是否需要設置塔箍，以限制塔或冷凝器的徑向位移，應及時與設備專業(yè)溝通。

3.2 支撐在建構筑物上

內(nèi)回流式塔頂冷凝器支撐在建構筑物上，即按照附近的建構筑物支撐冷凝器的全部重量進行布置。其布置方案見圖3。

圖3 內(nèi)回流式冷凝器支撐在建構筑物上

設備布置設計的注意事項如下：

(1)如果塔頂冷凝器以支耳或鞍座的型式支撐于建構筑物上，由于塔器自身高度較高而在操作溫度下往往因“熱脹冷縮”產(chǎn)生較大的垂直位移，則應對塔及塔頂冷凝器的組合裝置進行應力分析，計算出塔頂冷凝器支耳或鞍座處的垂直位移量和荷載大小，以便于對支撐塔頂冷凝器的彈簧支架或氣缸進行選型。該彈簧支架一般為恒力彈簧架。

(2)選定彈簧或氣缸以后，其底板和支撐冷凝器的支撐板大小就可以確定。確認支耳或鞍座距離塔壁(及外保溫層的)間距，以不影響塔的上下膨脹為宜。若支耳或鞍座與“熱脹冷縮”后的塔壁(及外保溫層的)發(fā)生碰撞，應反饋給設備專業(yè)調(diào)整支耳及鞍座的大小與位置。

(3)應將應力計算后得到的冷凝器支撐點的荷載大小及位置、彈簧或氣缸的底板大小提給結構專業(yè)，以便進行支撐結構的設計。

在設備布置階段，如果內(nèi)回流式塔頂冷凝器支撐在塔頂氣相出口則不需要對塔和冷凝器的組合布置進行應力分析，而內(nèi)回流式塔頂冷凝器支撐在建構筑物上則應對塔和冷凝器的組合布置進行應力分析。

4 配管設計方案與要點

典型的內(nèi)回流式塔頂冷凝器的管道系統(tǒng)包括：塔頂液相產(chǎn)品采出管道、塔頂冷凝器冷卻介質進出管道、不凝氣管道。

內(nèi)回流式塔頂冷凝器直接連接在精餾塔頂氣相出口，盡管省去了塔頂氣相管道的布置及柔性分析，但其配管設計的復雜性并沒有降低。其主要具有以下特點：

(1)由于塔器自身高度較高，在操作溫度下往往因“熱脹冷縮”產(chǎn)生較大的垂直位移，需要考慮與塔頂及冷凝器連接的液相產(chǎn)品采出管道、不凝氣管道、冷卻水管道的柔性狀況。

塔頂液相產(chǎn)品采出管道和與冷凝器連接的不凝氣管道、冷卻水管道均宜進行應力分析。盡管配管時通過管道自身的柔性可以達到部分的熱補償效果，但是一般情況下，這些管道上均需要通過設置彈簧支吊架來減小傳遞給設備管口的附加力，而且距離設備管口的第一支架多是恒力彈簧架且荷載較大。在選擇好彈簧支吊架型式后，及時提給結構專業(yè)進行支撐結構設計。

(2)由于不凝氣管道布置在冷凝器的上方，考慮到冷凝器的檢修，應在距離冷凝器氣相出口管口的附近設置可拆卸法蘭，以便于維修時進行冷凝器的拆卸和起吊。

(3)根據(jù)工藝流程要求，布置不凝氣管道時應遵循“步步高”或“步步低”原則。

內(nèi)回流式塔頂冷凝器無論是支撐在塔頂氣相出口，還是支撐在建構物筑上，其管道布置的要點基本是一致的。

5 工程實例分析

某工程項目中，精餾塔的參數(shù)為φ4200mm×42146mm，操作溫度為130℃，材質為S30408。內(nèi)回流式冷凝器以焊接型式與塔頂直連，冷凝器為臥式，其參數(shù)為φ2600mm×9076mm，管程、殼程的壁溫分別為120℃、75℃，材質分別為S31603、Q345R，鞍座底面大小為2140mm×300mm，兩鞍座中心間距為4500mm。

塔頂液相產(chǎn)品采出管道及與冷凝器連接的不凝氣管道、冷卻水管道的特性見表1。

表1塔頂冷凝器管道主要特性參數(shù)

5.1 設備布置分析

精餾塔與塔頂冷凝器的布置方案參見圖3。

在設備布置階段，采用CEASARII軟件對精餾塔和塔頂冷凝器組合設備布置進行應力分析。計算結果表明：塔頂氣相出口的熱位移量T計=66.362mm。

按照《恒力彈簧支吊架》NB/T 47038-2013中B.1.3的規(guī)定：T=1.2T計且T≥T計+20。

選取T=90mm。

假設每個鞍座下設置2個彈簧，即共設置4個彈簧，經(jīng)計算分析，荷載均布，每個彈簧應承受的垂直荷載為13720kg。

根據(jù)恒力彈簧可承受的荷載，參照某品牌的恒力彈簧支架樣圖，選取恒力彈簧型號為168215，共4個。某恒力彈簧支架外形見圖4。外形尺寸見表2。

經(jīng)分析，在操作工況下，該彈簧的外形尺寸與鞍座尺寸及安裝空間匹配，而且支撐鞍座的建構筑物梁不影響精餾塔的自由膨脹，滿足設備布置要求。

5.2 配管設計分析

5.2.1 塔頂不凝氣管道的配管設計分析

塔頂不凝氣管道配管的CEASARII模型見圖5(圓圈處為第一個管支架)。

圖4 某恒力彈簧支架外形

表2 某168215型號彈簧的外形尺寸(mm)

圖5 配管管道的CEASARII模型

經(jīng)CEASARII分析計算后，距離塔頂冷凝器的第一個支架處的垂直位移為52.2mm，荷載為5983N。根據(jù)設備與管道布置的實際情況，依據(jù)《恒力彈簧支吊架》選取恒力彈簧支吊架型號為PD19-80/5983S-M20。

5.2.2 塔頂冷凝器冷卻水進出口管道的配管設計分析

盡管內(nèi)回流式塔頂冷凝器的冷卻水進出口管道操作溫度為常溫，壓力也較低，一般不要求進行管道柔性分析。但是，由于其連接的冷凝器管口的垂直熱位移較大，因而進行應力分析為宜。

(1)冷卻水進口管道的配管設計分析：冷卻水進口管道的CEASAR II模型見圖5(中)。經(jīng)CEASARII分析計算后，距離塔頂冷凝器的第一個支架處的垂直位移為64.0mm，荷載為4771N。根據(jù)設備與管道布置的實際情況，依據(jù)《恒力彈簧支吊架》[2]選取恒力彈簧支吊架型號為PE19-90/4771S-M20。

(2)冷卻水出口管道的配管設計分析：冷卻水出口管道的CEASARII模型見圖5(右)。經(jīng)CEASARII分析計算后，距離塔頂冷凝器的第一個支架處的垂直位移為60.8mm，荷載為4635N。根據(jù)設備與管道布置的實際情況，依據(jù)《恒力彈簧支吊架》選取恒力彈簧支吊架型號為PE19-90/4635S-M20。

5.2.3 塔頂液相產(chǎn)品采出管道的配管設計分析

盡管該精餾塔的塔頂液相產(chǎn)品采出管道的操作溫度相對較高，經(jīng)CEASARII分析，該配管設計不需要設置彈簧支吊架。分析其原因，主要是因為液相產(chǎn)品采出管道管徑較小，常規(guī)的配管設計就能通過自身補償達到滿足管道柔性的目的。即便如此，還是應該根據(jù)不同工程項目的實際情況，對該管道的配管設計進行適宜的柔性判斷。

6 結語

(1)內(nèi)回流式塔頂冷凝器與塔頂氣相管口直接連接，可直接支撐在塔頂氣相出口；也可以支耳或鞍座的型式支撐于建構筑物上，此時應對塔和

冷凝器的組合布置進行應力分析。在設備布置時應綜合考慮冷凝器的檢修要求。

(2)鑒于精餾塔頂內(nèi)回流式冷凝器的各管口垂直位移均較大，在進行管道布置時，與塔頂冷凝器連接的不凝氣管道、冷卻介質上下管道及液相產(chǎn)品采出管道均宜進行管道柔性分析。

(3)內(nèi)回流式塔頂冷凝器的設備布置與管道布置關系著精餾塔工藝裝置的安全運行，在具體的工程項目設計中，應根據(jù)實際情況進行合理的配管。

1 周力.塔頂冷凝器的合理化設計[J].油氣冶煉,2013,(13).

2 NB/T47038-2013, 恒力彈簧支吊架[S].

2016-12-12)

*馬燕星：工程師。2011年畢業(yè)于西北大學工業(yè)催化專業(yè)獲碩士學位。從事化工設備布置與配管設計工作。聯(lián)系電話：(029)87988427， E-mail：myx2354@chinahualuend.com。