低溫甲醇洗裝置中塔的布置及管口方位設(shè)計(jì)

2022-07-14 10:03孫方莉

中州大學(xué)學(xué)報(bào) 2022年3期

孫方莉

(惠生工程(中國(guó))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(guó)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(pán)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(duì)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(lái)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(duì)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(pán)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(wú)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(pán)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管口的對(duì)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(pán)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(jiǎn)單，根據(jù)配管情況確定方位即可?？傮w來(lái)說(shuō)，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(pán)：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(pán)間，液體進(jìn)入塔后，宜均勻落在塔盤(pán)上[4]，因此按照塔盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，塔盤(pán)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(pán)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(wú)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(pán)物料進(jìn)口方位

b.雙溢流塔盤(pán)：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?qǐng)D5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(pán)降液板的方位。

圖5 雙溢流塔盤(pán)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(pán)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(pán)下方開(kāi)孔加彎頭抽出的開(kāi)口方式[8]，因此外部管口可以布置在避開(kāi)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(wú)障礙通行的空地一側(cè)布置[6]，方便塔盤(pán)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(kāi)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(kāi)塔內(nèi)件，以免碰撞；避開(kāi)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(kāi)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(cè)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(mén)，不宜貫穿平臺(tái)，以免影響檢修通道。

液位計(jì)口應(yīng)避開(kāi)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(wú)法避開(kāi)，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(lái)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(wú)法利用平臺(tái)，造成閥門(mén)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(kāi)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(cè)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(lái)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(lái)開(kāi)關(guān)閥門(mén)、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(lái)操作安全閥、塔頂放空閥門(mén)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(guò)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(yǔ)

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(duì)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(zhǎng)度；同時(shí)在滿足管道柔性的基礎(chǔ)上，盡量減少?gòu)濐^。管口方位的布置要根據(jù)塔盤(pán)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(kāi)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(lái)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捎诘踔僮鞣秶邢?，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)。