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塔的管口方位設(shè)計(jì)淺析

    [摘 要]本文以某項(xiàng)目?jī)艋b置酸性氣體脫除單元為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工作分析了配管工作中低溫甲醇洗裝置板式塔的管口方位設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)。

    酸性氣體脫除的工藝流程是圍繞裝置內(nèi)多臺(tái)塔進(jìn)行洗滌、閃蒸、熱再生等操作，可以說(shuō)塔是整個(gè)酸性氣體脫除裝置的核心，而配管工作中亦圍繞塔開(kāi)展，塔的配管是酸性氣體脫除裝置配管工作的重心和難點(diǎn)，尤其是管口方位的確定是配管專業(yè)的一項(xiàng)重要的工作，涉及到配管、工藝、設(shè)備等專業(yè)以及內(nèi)件商的協(xié)商對(duì)接過(guò)程，管口方位設(shè)置的合理與否將直接影響塔的配管質(zhì)量。近年來(lái)，酸性氣體脫除處理氣量不斷增加，裝置大型化和管道設(shè)備化對(duì)配管工作提出了更高的要求。本文通過(guò)某酸性氣體脫除裝置為例，結(jié)合塔內(nèi)件分析低溫甲醇洗板式塔管口方位設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題和處理方法。

    1 基本要求
    在進(jìn)行管口方位設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)詳細(xì)了解工藝要求和塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，塔體的開(kāi)口方向應(yīng)滿足工藝要求并便于操作和檢修，同時(shí)，應(yīng)預(yù)先考慮與管口連接的管道的布置，管道的布置方式?jīng)Q定了最終的管口方位。通常，可將塔的四周大致劃分為操作和檢修所需的操作側(cè)和管道側(cè)，然而，由于甲醇洗塔內(nèi)件的復(fù)雜和開(kāi)口數(shù)量多，有時(shí)難以將上述兩側(cè)嚴(yán)格劃分[1]。對(duì)于板式塔配管的基本要求為[2]：①滿足 PID 要求；②每個(gè)人孔均能夠安全順利進(jìn)入設(shè)備內(nèi)檢修；③操作平臺(tái)無(wú)障礙；④管口、管道、管架、平臺(tái)、吊耳之間無(wú)碰撞；⑤管口方位滿足內(nèi)件要求；⑥經(jīng)濟(jì)、整齊、美觀。對(duì)于配管設(shè)計(jì)而言，一般按照由上至下規(guī)劃，并首先考慮塔頂管道、大直徑的管道和自流管道的走向，再布置壓力管道和一般管道，最后考慮塔底管道和小直徑管道。管口方位設(shè)計(jì)也應(yīng)照此進(jìn)行。

    對(duì)于不斷大型化的酸性氣體脫除裝置而言，很多管口內(nèi)都設(shè)置有分布器，分布器的設(shè)置使塔內(nèi)件的布置更為緊湊，管口內(nèi)接分布器后變換角度變得困難，使管口的可調(diào)整范圍變小。目前設(shè)計(jì)院與供貨商管口方位確認(rèn)有兩種做法[3]：一種是供貨商提供管口方位給設(shè)計(jì)院，若無(wú)法滿足再協(xié)商，另一種是設(shè)計(jì)院完成初步配管后返回給內(nèi)件商確認(rèn)，若無(wú)法滿足要求，再修改配管。通常采用第二種方法。但為提高工作效率，在配管返回管口方位給內(nèi)件商之前，最好進(jìn)行一次工藝、配管、內(nèi)件商和設(shè)備專業(yè)的協(xié)調(diào)會(huì)。

    2 管口方位的設(shè)置
    2.1 人孔方位
    人孔是為了安裝和檢修塔內(nèi)件方便而設(shè)，在布置人孔時(shí)應(yīng)從上至下，設(shè)置在操作側(cè)且應(yīng)盡量在管廊和框架背面，以方便內(nèi)件的吊裝和存放，同時(shí)，人孔應(yīng)盡量在同一豎直線上，對(duì)于酸性氣體脫除裝置而言，塔高管口多，這有時(shí)點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)，可以在一定角度范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整。需要注意的是，不管是單溢流還是多溢流的板式塔，人孔應(yīng)盡量平行于降液管且避開(kāi)其支撐件，設(shè)置在鼓泡區(qū)上方，并避免將人孔設(shè)置在降液管或者受液槽區(qū)域范圍內(nèi)，尤其是塔徑較小而具有多溢流的情況(如圖 1)。
      同時(shí)，管道專業(yè)還應(yīng)檢查塔內(nèi)件尤其是分布器及其支撐件是否阻擋人孔。分布器和其支管一般均設(shè)有支撐件，有的采用法蘭同管口連接，若人孔背面上方設(shè)置有管口時(shí)應(yīng)注意管口內(nèi)連接的分布器支撐件有足夠的焊接空間，且不裸露在人孔上沿，若空間不足且管口方向調(diào)整困難時(shí)可以將支撐結(jié)構(gòu)修改為倒 U 型支撐(如圖 2)；若人孔對(duì)面下方有管口時(shí)，應(yīng)注意分布器及其支管不應(yīng)超出人孔下沿，必要時(shí)可將分布器與管口的連接型式由法蘭型式改為焊接從而降低管口高度。
      在人孔附近，或轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)能接近人孔，若空間足夠，可以設(shè)置在人孔上方周圍，但若上部空間過(guò)小時(shí)，由于人孔下方有平臺(tái)，平臺(tái)上爬梯和通道，導(dǎo)致吊柱偏離人孔范圍過(guò)大，吊柱操作范圍有限，不能到達(dá)盡可能多的平臺(tái)或者人孔范圍，因此應(yīng)與工藝專業(yè)協(xié)商確定塔頂上部空間余量。當(dāng)然，若上部空間過(guò)大，勢(shì)必會(huì)造成塔成本的升高，因此，在此須有權(quán)衡。酸性氣體脫除裝置內(nèi)的吸收塔、再吸收塔和熱再生塔由于下塔一般設(shè)置有集液箱，因此可能出現(xiàn)集液箱上下人孔距離較近的情況，此時(shí)應(yīng)將兩人孔錯(cuò)開(kāi)一定角度布置。同時(shí)，酸性氣體脫除裝置液位計(jì)數(shù)量多，尤其是集液箱處，有的泵抽出口設(shè)置有自控連鎖三取二或雙液位計(jì)，且部分液位計(jì)測(cè)量范圍較大。人孔布置應(yīng)和液位計(jì)下部閥門高度相近，這樣設(shè)置平臺(tái)時(shí)，容易同時(shí)兼顧到液位計(jì)上下切斷閥的操作，上部閥門可以設(shè)置在爬梯旁。若人孔與液位計(jì)下接口錯(cuò)開(kāi)高差過(guò)大，易造成閥門操作極不方便，平臺(tái)設(shè)置不合理。因此，人孔設(shè)置時(shí)在一定高差范圍內(nèi)是可調(diào)節(jié)的，也應(yīng)根據(jù)配管情況與工藝專業(yè)討論確認(rèn)。

    2.2 工藝管口方位
    酸性氣體脫除裝置內(nèi)塔大多為板式塔，可能是單溢流、雙溢流或者多溢流，進(jìn)行管口方位設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的步驟便是確定降液管位置，需要注意的是，對(duì)有集液箱的塔，集液箱下面的塔板降液管在塔內(nèi)的位置可以旋轉(zhuǎn)重新設(shè)置而不與降液管上方一致，這為塔下部的管口方位提供了方便。在初步確定人孔位置、塔板位置后，便可自上而下進(jìn)行管口設(shè)計(jì)。
    管口一般分為進(jìn)料口，回流口、抽出口、再沸器進(jìn)出口(熱再生塔和甲醇/分餾塔)、塔頂氣相出口和塔底液相出口、液位計(jì)口、溫度計(jì)口和壓力計(jì)口。其中，塔頂和塔底管口的設(shè)置較為單一，一般需視設(shè)備布置和配管情況確定；液位計(jì)管口方位應(yīng)注意不受回流介質(zhì)及上層塔板降液管降液的影響，若同時(shí)有自控和就地液位計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮自控液位計(jì)，同時(shí)，應(yīng)充分利用平臺(tái)和爬梯實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的上下切斷閥操作和可視；溫度計(jì)、壓力計(jì)應(yīng)綜合塔內(nèi)件位置采取穩(wěn)定區(qū)間液相測(cè)溫、氣相測(cè)壓的原則，同時(shí)溫度計(jì)避免內(nèi)伸管與降液管的碰撞。液位計(jì)、壓力計(jì)的開(kāi)孔方位若受上層塔板降液影響，管道專業(yè)應(yīng)向設(shè)備提出在相應(yīng)管口內(nèi)部設(shè)置擋液板。
    其余類型管口的設(shè)置受塔板的溢流數(shù)影響較大，且受內(nèi)部分布器型式的影響較大。在石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)各種類型管口在不同的塔板溢流數(shù)中的方位設(shè)計(jì)有較詳細(xì)的介紹，這里不做累贅介紹，總體要求是管口在塔內(nèi)部落液位置應(yīng)遠(yuǎn)離降液管且盡量在受液槽附近，多溢流數(shù)時(shí)注意流體的均布，根據(jù)內(nèi)部落液口與設(shè)備管口的連接情況在不碰撞降液管、支撐件等內(nèi)件的前提下在配管區(qū)旋轉(zhuǎn)調(diào)整設(shè)備管口位置。下面結(jié)合本酸性氣體脫除裝置中部分情況予以介紹。

    2.2.1 最下層塔板進(jìn)料口
    酸性氣體脫除裝置中如 H2S 吸收塔、CO2吸收塔、再吸收塔、非變換氣吸收塔在塔底都有工藝氣體或氣提氮?dú)馊肟?，氣體進(jìn)口一般不會(huì)做太過(guò)復(fù)雜的分布器，直接進(jìn)入或一字型分布器為多。單溢流時(shí)，管口設(shè)置一般與降液管平行在塔板下方即可，若是多溢流且塔中心有溢流口時(shí)，注意管口內(nèi)部氣體分布器應(yīng)在最下面一塊塔板受液槽正下方。

    2.2.2 最上層塔板進(jìn)料口
    由于酸性氣體脫除裝置塔一般分上塔和下塔或者設(shè)有集液箱，此類管口不局限于塔頂管口，指塔頂或塔分隔后的第一塊塔板。此類塔板在單溢流時(shí)垂直于降液管在受液槽位置進(jìn)入，可以在較小角度內(nèi)調(diào)整；若是多溢流時(shí)應(yīng)平行于降液管從中間位置進(jìn)入，同時(shí)內(nèi)部設(shè)置分布管或者分布器，若空間足夠可選用管口在分布管上方，這樣，管口的方位則靈活，可以在布管范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)。另外應(yīng)注意集液箱下面的進(jìn)液口，若有分布器時(shí)，應(yīng)避免分布器主管與集液箱支撐梁及抽出斗的支撐筋板碰撞，此進(jìn)液口與抽出斗應(yīng)保持一定的角度為最宜。

    2.2.3 集液箱抽出口
    塔集液箱升氣帽，一般為方形或圓形，且有多個(gè)，可能為單排，也可能為兩排甚至多排，本甲醇洗裝置內(nèi)升氣帽上方塔板均非單溢流，此時(shí)集液箱抽出管口有兩種情況：①若升氣帽頂部蓋板和上部塔板受液盤支撐件在豎直方向重疊，即升氣帽在降液管之間或者降液管在升氣帽間隙中布置，為避免與降液管碰撞，此時(shí)具有升氣帽的集液箱幾乎不能旋轉(zhuǎn)，則抽出口只能布置在垂直于降液板的方向，且在抽出口低點(diǎn)缺口范圍內(nèi)可調(diào)(如圖 3)；②若升氣帽與上部受液盤支撐件不重疊，則集液箱可以任意旋轉(zhuǎn)，而不受升氣帽方位的限制，則此時(shí)抽出口設(shè)置在缺口范圍內(nèi)與集液箱一起在任意方向可調(diào)。設(shè)置抽出口時(shí)應(yīng)詳細(xì)了解升氣帽尺寸，旋轉(zhuǎn)時(shí)尤其應(yīng)注意升氣帽蓋板和上層液封盤支撐件的碰撞。
      2.2.4 上塔封頭抽出口與下塔氣體出口
    酸性氣體脫除裝置中，中壓閃蒸塔、再吸收塔和熱再生塔都分上塔和下塔，上塔一般利用封頭與下塔分隔開(kāi)來(lái)，上塔液體在封頭上通過(guò)彎管引出，而下塔氣體出口則在封頭下方且在上塔抽出口的位置附近，下塔氣體出口一般還設(shè)置有除沫器。因此在設(shè)置這兩個(gè)管口的方位時(shí)，需了解內(nèi)部除沫器的尺寸以及上塔液體出口與彎管的連接情況以避免它們之間碰撞，并考慮除沫器的檢修，當(dāng)除沫器資料不全時(shí)可取這兩個(gè)管口角度不小于 90 度(如圖4)。
      2.2.5 塔板間進(jìn)料口
    在對(duì)塔板間管口方位設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真核對(duì)內(nèi)管或分布器結(jié)構(gòu)、塔板的降液管尺寸、高度、方位以及它們的支撐件尺寸和位置，確定之后才能進(jìn)行管口方位設(shè)計(jì)。
    (1)單溢流時(shí)，管口設(shè)置較為簡(jiǎn)單，只要內(nèi)管的落液口遠(yuǎn)離下層降液管，一般采取垂直于降液管進(jìn)液，也可平行于降液管且靠近上層降液管外側(cè)進(jìn)入(此種情況管口不在中心線上，較少用到)。若這兩個(gè)位置對(duì)于配管有困難，可以要求內(nèi)件商在內(nèi)管設(shè)置彎頭，這樣內(nèi)管只要不與降液管碰撞，進(jìn)液口的方位就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整。
    (2)多溢流時(shí)，若此塔板間僅有一個(gè)進(jìn)料口，進(jìn)料口多平行于降液管進(jìn)料，當(dāng)此方位不滿足要求時(shí)，可以要求內(nèi)件商將主管與支管設(shè)計(jì)為一定角度，此時(shí)管口在不碰撞降液管范圍內(nèi)可調(diào)。若進(jìn)料口位于塔中心有降液管的塔板位置時(shí)，工藝專業(yè)在向設(shè)備專業(yè)設(shè)備條件時(shí)不會(huì)將入口設(shè)置為兩個(gè)，此時(shí)從平行于降液管位置進(jìn)料時(shí)會(huì)使內(nèi)管占據(jù)降液管位置，一方面內(nèi)管受降液的沖刷，另一方面內(nèi)管或分布器會(huì)影響降液出現(xiàn)偏流，此時(shí)可要求內(nèi)件商將分布器總管不伸到塔中心，盡早分為兩股，在總管分支之前，降液管在管上部適當(dāng)位置封閉，用導(dǎo)液管導(dǎo)入下層受液盤，以避免降液管液體對(duì)分布器的沖刷。
    (3)進(jìn)料口處于同一標(biāo)高時(shí)。再吸收塔管口眾多，為降低成本，工藝專業(yè)可能將再吸收塔底部的部分管口設(shè)置在同一高度，在都具有分布器的情況下無(wú)論如何布置管口都會(huì)在內(nèi)部碰撞，此時(shí)管道專業(yè)可以將兩個(gè)管口方位設(shè)計(jì)成一定的角度，并要求內(nèi)件商在內(nèi)部將兩個(gè)內(nèi)管合并共用分布器。
    (4)單溢流變多溢流時(shí)。酸性氣體脫除裝置塔的溢流數(shù)可能變化，如其中熱再生塔下塔，出現(xiàn)單溢流變多溢流，此處剛好是上塔甲醇進(jìn)入下塔管口位置。由于單溢流為單管降液，而多溢流為多管降液，會(huì)涉及到流體在第一塊多溢流塔板上的收集再分布。通常，內(nèi)件商會(huì)在上層降液管的集液盤底部安裝導(dǎo)液管，將液體導(dǎo)入此處分布器內(nèi)部。因此，在確定此位置的管口方位時(shí)需確認(rèn)上部單降液管與下部多降液管的方向以及管口所連接分布器的結(jié)構(gòu)形式，以保證導(dǎo)液管能順利進(jìn)入分布器內(nèi)。

    3 小結(jié)
    酸性氣體脫除裝置內(nèi)塔的特點(diǎn)為板式塔居多，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單溢流、雙溢流或多溢流均有可能，且管口眾多，沿塔敷設(shè)管道數(shù)量大，作為工藝的下游專業(yè)，想要被動(dòng)的一次性配管成功是難以實(shí)現(xiàn)的，越是被動(dòng)不提要求，后期配管難度將更大，因此，應(yīng)摒棄工藝專業(yè)提出塔初版條件就全盤接收的思維。在工藝專業(yè)設(shè)計(jì)出塔外形并提條件給設(shè)備專業(yè)和內(nèi)件商時(shí)，很多尺寸均可調(diào)，內(nèi)件亦是可旋轉(zhuǎn)或者改變進(jìn)料分布器型式均可實(shí)現(xiàn)管口方位的更改，作為配管專業(yè)，應(yīng)首先對(duì)塔進(jìn)行初步的管口布置和配管，對(duì)有困難的地方應(yīng)提前做好充分準(zhǔn)備，盡早向上游專業(yè)提出，否則早期配管研究效果有限；其次，應(yīng)認(rèn)真確認(rèn)內(nèi)件型式(包括溢流數(shù)、支撐件、分布器等)、尺寸及內(nèi)件可能對(duì)管口布置產(chǎn)生的影響，在工藝、設(shè)備、管道和內(nèi)件商對(duì)接討論會(huì)時(shí)將所有問(wèn)題均拋出討論，確認(rèn)每個(gè)管口方位，以在滿足工藝、內(nèi)件要求的前提下找到最有利于配管的管口方位。