汽油加氫裝置分餾塔管口方位的設(shè)計(jì)

李振山

摘 ?????要：分餾塔是汽油質(zhì)量升級(jí)系列項(xiàng)目中汽油加氫裝置必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，也是此類裝置中最高的塔，多采用板式塔，塔盤較多，內(nèi)件復(fù)雜，管口布置難度大。為做到既符合工藝要求，又滿足安全生產(chǎn)，同時(shí)兼顧整齊美觀，在分餾塔的管口方位設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮多方面因素，權(quán)衡利弊，臻選出最優(yōu)方案。

關(guān) ?鍵 ?詞：分餾塔;塔盤;管道側(cè);操作側(cè);溢流堰;降液管;分布管;塔釜;集油箱

中圖分類號(hào)：TQ 052???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）11-2588-05

Design of the Orientation of Fractionating Towers?Nozzles

in Gasoline Hydrogenation Unit

LI Zhen-shan

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116085， China）

Absrtact： Fractionation tower is the essential key equipment of gasoline hydrogenation unit in the gasoline quality upgrading series project， and is also the highest tower in this kind of unit. Plate tower is mostly used， with more trays， complex internals and difficult orifice arrangement. In order to meet the technological requirements and safety in production， as well as the neatness and beauty， many factors should be comprehensively considered in the nozzle orientation design of fractionator， and the advantages and disadvantages should be weighed to select the optimal scheme.

Key words： Fractionating tower;?Tray;?Pipeline side;?Operating side;?Overflow weir;?Downcomer; Distributing;?Tower kettle;?Oil collecting tank

汽油加氫裝置分餾塔所采用的板式塔是石油化工裝置塔類設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的類型，其在汽油加氫裝置中的主要功能是：原料汽油的加氫反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入分餾塔中部，在分餾塔中分離出輕汽油（C5-C6餾分）和重汽油。為保證分餾效果，分餾塔的塔盤較多，內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)與之相關(guān)的管口布置要求也相對(duì)較高。在進(jìn)行分餾塔的管口方位設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足塔內(nèi)件的工作原理及結(jié)構(gòu)要求，符合工藝流程，合理規(guī)劃管道及通道布置，同時(shí)兼顧塔內(nèi)件的吊裝及日常的操作、維護(hù)，總之需權(quán)衡多方面需求，規(guī)劃出最優(yōu)的布置方案。

本文結(jié)合某120萬t/a汽油加氫裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)案例，對(duì)該裝置的分餾塔管口方位設(shè)計(jì)過程進(jìn)行論述。

1 ?設(shè)備概況

該裝置分餾塔采用的板式塔共51層雙溢流塔盤，塔體尺寸為Φ3 600 mm/3 200?mm/2 600?mm×

43?000?mm（塔體切線），全塔凈高51.3 m，全塔共設(shè)42個(gè)管口，具體管口明細(xì)見表1。

從表1中可以看出，管口主要為物料進(jìn)出口、儀表口、公用工程口、人孔等，要做到盡量合理的分布這些管口，就應(yīng)全面考慮工藝要求、設(shè)備布置情況、內(nèi)部構(gòu)造、管道布置、通道設(shè)置等因素。

設(shè)備布置方面，本裝置分餾塔北側(cè)為與其聯(lián)合布置的穩(wěn)定塔，中心對(duì)齊，南側(cè)為裝置冷換構(gòu)架，西側(cè)為裝置管廊，管廊下布置分餾塔底泵，東側(cè)為檢修場地，設(shè)備布置滿足規(guī)范對(duì)塔和立式容器布置的要求^[1]，設(shè)備具體布置情況見圖1。

根據(jù)工藝流程及平面布置情況，大體將分餾塔的四個(gè)方向布局做出初步判定，即北側(cè)與穩(wěn)定塔聯(lián)合布置，南側(cè)與冷換構(gòu)架聯(lián)合布置，西側(cè)朝向管廊為管道側(cè)，東側(cè)朝向檢修道路為操作側(cè)。

對(duì)分餾塔自身及周邊情況大體了解后，將根據(jù)工藝要求及內(nèi)部構(gòu)造、管道、平臺(tái)、儀表等規(guī)劃，進(jìn)行管口方位及與其相關(guān)的塔盤方位的詳細(xì)設(shè)計(jì)，按照設(shè)備圖紙?jiān)O(shè)計(jì)慣例，塔管口方位0°與平面布置建北重合，角度以逆時(shí)針遞增。

2 ?介質(zhì)進(jìn)出口方位設(shè)計(jì)

分餾塔的主要作用是將進(jìn)塔原料分餾成輕汽油和重汽油，為充分實(shí)現(xiàn)這一過程，此分餾塔的塔盤采用雙溢流塔盤，其中奇數(shù)層塔盤為兩側(cè)溢流堰型式，偶數(shù)層塔盤為中間溢流堰型式，內(nèi)件構(gòu)造較為復(fù)雜，物料進(jìn)出口也達(dá)到9個(gè)之多，根據(jù)工藝要求及配管規(guī)劃，逐一進(jìn)行方位設(shè)計(jì)。

首先是2個(gè)主進(jìn)料口I1_1-2，根據(jù)工藝要求，I1_1-2位于塔體中段，第22層塔盤（中間溢流型式）上方，在塔體兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)料，進(jìn)料口內(nèi)部采用了T型進(jìn)料分布管，此種分布管方向一般要求與塔盤降液管方向平行^[2]（如圖2），也就是管口方向應(yīng)與22層塔盤降液管方向垂直。同時(shí)，考慮到西側(cè)為管道側(cè)，原料管線來自西側(cè)管廊，故對(duì)稱布置的I1_1-2管口宜在南/北方向（0°/180°），以保證原料主線自西側(cè)管廊一分為二均勻進(jìn)塔，在定下了I1_1-2管口為南北方向的同時(shí)，也確定了塔盤方位，需要重點(diǎn)注意的是，根據(jù)工藝包要求，此塔第1～22層塔盤與第23～51層塔盤方向是不同的，即在第22、23層塔盤相鄰處，塔盤方向旋轉(zhuǎn)了90°，具體見附圖3：塔盤方位圖。由圖可見，第1～22層塔盤為東西方向，第23～51層塔盤為南北方向。在規(guī)劃兩部分塔體的管口時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)管口所在的塔盤實(shí)際方向進(jìn)行規(guī)劃，避免誤判。此時(shí)規(guī)劃的管口及塔盤的方位是否合適，仍需結(jié)合后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步確認(rèn)。

回流進(jìn)料口I2，為塔頂回流液進(jìn)口，位于最頂層塔盤即第51層塔盤（兩側(cè)溢流型式）上方，同樣內(nèi)部采用了T型進(jìn)料分布管，分布管與塔盤降液管方向平行，管口與塔盤降液管方向垂直，而由上文可推知，51層塔盤暫定為南北方向，故I2應(yīng)為東或西方向，結(jié)合配管，西側(cè)為管道側(cè)，故I2管口方位應(yīng)確定為西向（90°）更為合理。

分餾塔重沸器的返回線口徑較大（DN500），設(shè)計(jì)溫度較高（270 ℃），采用加熱爐作為熱源，通過塔的2個(gè)DN350重沸器返回口I3_1-2進(jìn)入塔釜，工藝要求兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)料，進(jìn)料位置位于塔釜第一層塔盤下方，理論上管口應(yīng)位于與塔盤方向平行的塔體中心線上^[2]，但根據(jù)設(shè)備平面布置情況進(jìn)行的管道規(guī)劃及應(yīng)力核算，返回線總管從西側(cè)管廊引進(jìn)，至塔中心位置后均分為兩股進(jìn)料線，為滿足設(shè)備管嘴受力及力矩要求^[3]，管道應(yīng)力分析后的配管需通過南北向管口進(jìn)入塔釜，經(jīng)工藝專業(yè)及后續(xù)的廠家核算，如此布置可以滿足返塔要求，據(jù)此確定I3_1-2分別位于0°及180°方向。

最小流量口I4同樣位于塔釜，與重沸器返回口I3_1-2幾乎在同一標(biāo)高。從圖4可見，塔體管道側(cè)此標(biāo)高位置已被重沸器返回線配管占用，I4口已不宜在西側(cè)（設(shè)備管口0°～180°）范圍內(nèi)布置。經(jīng)過配管規(guī)劃，最終選擇在東南方向，即225°方位上。

塔頂出口O1為DN350氣相出口，位于分餾塔頂部中心，管口朝上，不涉及方位問題，只需注意附塔氣相出口線的布置，及結(jié)合塔安全閥組的配管情況，合理布置管道及平臺(tái)。

塔底出口O2為DN500液相出口，位于分餾塔底部，管口從裙座內(nèi)彎出。此管口方位不涉及塔內(nèi)件，只需滿足配管需要即可。按工藝流程此液相出口介質(zhì)走向?yàn)橹练逐s塔底泵，而分餾塔底泵就近布置在分餾塔西側(cè)管廊下方，初步考慮此管口應(yīng)布置在西側(cè)（設(shè)備管口0°～180°范圍內(nèi)），因塔底出口線溫度高，管徑大，且與機(jī)泵相連 ，此時(shí)需配管設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)劃的管口方位進(jìn)行管道布置，然后進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整，直到布置滿足管道應(yīng)力及機(jī)泵、塔管口的受力要求，最終確定此管口方位在正西方是合理的。

LCN產(chǎn)品抽出口O3位于第47層塔盤上方，按要求管口宜布置在與降液管平行的塔中心線上。通過核查塔盤內(nèi)件，此層塔盤為抽出輕汽油的組合件-塔盤集油箱結(jié)構(gòu)，管口位于受液盤上方。在設(shè)計(jì)此管口方位時(shí)不僅要符合工藝要求和配管規(guī)劃，還應(yīng)結(jié)合塔內(nèi)件的詳細(xì)構(gòu)造（圖5）。

由圖5可見，管口尺寸DN250，受液盤寬度284 mm，管口直徑幾乎和受液盤寬度相同，這些因素就決定了O3的方位只能在47層塔盤的平行方向正中心，即0°或180°方向上，再通過配管規(guī)劃，此管口流出的輕汽油流至布置在分餾塔南側(cè)冷換構(gòu)架上的LCN換熱器，至此，很明顯的O3口的方位只能在180°方向，即分餾塔的正南側(cè)。

3?人孔的方位設(shè)計(jì)

人孔，顧名思義是供人員出入的開孔，其作用主要是為人員進(jìn)出設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)件安裝、檢測、檢維修、清掃等作業(yè)提供方便，但塔的人孔不僅要滿足人員出入，還要考慮滿足塔內(nèi)填料、塔盤等內(nèi)件進(jìn)出的需要。從人孔的功能可以看出，人孔一般分布在塔體的操作側(cè)^[2]，并需要綜合考慮平臺(tái)通道布置、管道布置、塔內(nèi)件布置、塔頂?shù)踔牟贾玫纫蛩?，多個(gè)人孔更需要統(tǒng)籌考慮，做到滿足功能的同時(shí)，盡量整齊美觀。

本項(xiàng)目共5個(gè)人孔（MH1～5），分別位于塔釜及第14、22、47、51層塔盤上方。其中，MH1人孔位于第51層塔盤（頂層）上方，此層塔盤為雙溢流塔盤的兩側(cè)溢流形式，塔盤方向?yàn)槟媳狈较颉Ｈ丝椎姆轿恍瓒汩_兩側(cè)的降液管位置，以確保人員進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)能夠充分的踩在塔盤上。按此要求，MH1只能在南北方向的一定范圍內(nèi)進(jìn)行布置。結(jié)合管道設(shè)計(jì)及通道布置情況，南側(cè)為與相鄰構(gòu)架連接的管道側(cè)，再考慮吊柱的起吊范圍和其它管嘴的布置情況，最終確定MH1人孔位于335°方位上。

MH2人孔位于第47層塔盤上方，如前所述，此層塔盤結(jié)構(gòu)比較特殊，內(nèi)件較復(fù)雜，其兩側(cè)是降液管，中間是集油箱，人孔方位只能在集油箱和兩側(cè)降液管之間的位置，其它要求和注意事項(xiàng)與MH1人孔是相同的，如果MH2與MH1方位相同是比較方便內(nèi)件吊裝及平臺(tái)規(guī)劃的，進(jìn)一步核實(shí)塔盤方位及內(nèi)件結(jié)構(gòu)，可見MH2人孔與MH1方位相同，可以滿足要求。MH3人孔位于22層塔盤上方，塔體變徑錐段上，如前所述，第22、23塔盤相接處，塔盤方向旋轉(zhuǎn)了90°，此處兩層塔盤方位如下圖所示，結(jié)合內(nèi)件形式，MH3應(yīng)躲開22、23層塔盤的降液管位置，只能在南北方向的一定范圍內(nèi)進(jìn)行布置，而原料入口I1_1-2管口位于正南、正北方向，配管占據(jù)了西側(cè)塔身一半的空間，排除以上影響因素，最終MH3定位在315°方位上是合適的。MH4人孔位于第14層塔盤上方，此層塔盤為中間溢流結(jié)構(gòu)，東西方向，且塔盤無特殊結(jié)構(gòu)，人孔方位規(guī)劃比較簡單，可布置范圍也比較大，排除掉西側(cè)管道側(cè)，避開中間降液管，結(jié)合平臺(tái)的整體規(guī)劃，并方便吊裝，最終確定在與MH4相同方位，即315°方位上是相對(duì)合理的。最后是塔釜上的人孔MH5，此處內(nèi)部無特殊結(jié)構(gòu)，人孔只需方便人員出入即可，考慮到此人孔附近儀表液位口比較多，規(guī)劃時(shí)結(jié)合平臺(tái)通道需統(tǒng)一考慮，最后確定位于東側(cè)即270°位置是合理的。人孔與通道的相對(duì)位置情況見圖6。

4 ?儀表管口的方位設(shè)計(jì)

隨著煉化企業(yè)工業(yè)自動(dòng)化水平的日益提高，對(duì)儀表聯(lián)鎖的需求也越來越多，為實(shí)現(xiàn)對(duì)分餾塔內(nèi)部溫度、壓力、液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測及聯(lián)鎖控制，塔體安裝相應(yīng)的儀表是必須的，故而塔體上眾多的儀表管口也是必不可少，這些儀表開口應(yīng)與人孔、梯子一樣，布置在塔的操作區(qū)^[4]。本項(xiàng)目分餾塔上的儀表管口共24個(gè)，分別用于溫度、壓力、液位的顯示及聯(lián)鎖，合理的布置這些管口的方位，是實(shí)現(xiàn)儀表測量及自動(dòng)控制的必要條件。

在布置測溫用的熱電偶口時(shí)，首先要考慮熱電偶的測溫區(qū)域，是液體還是氣體，是塔盤上還是降液管上等等，這一般可以在工藝資料中查出，管口布置須滿足工藝測量的要求。其次應(yīng)明確熱電偶的功能，是遠(yuǎn)傳還是就地顯示，如就地顯示，管口方位及通道的規(guī)劃需考慮方便人員觀測，如僅供遠(yuǎn)傳，可以適當(dāng)放低要求。最后須清楚熱電偶的型式尺寸，插入塔體的長度，避免影響熱電偶的安裝或與塔內(nèi)件碰撞等問題的出現(xiàn)。本項(xiàng)目分餾塔的3個(gè)測溫點(diǎn)熱電偶口TW_1-3均測量的是塔盤上受液盤內(nèi)液體的溫度，TW₁位于第50層塔盤上方，TW₂位于第42層塔盤上方，TW₃位于第2層塔盤上方，均為偶數(shù)層塔盤，中間降液管形式，考慮管口方位時(shí)首先應(yīng)排除上層塔盤降液管所覆蓋區(qū)域及本層塔盤中間降液管覆蓋區(qū)域，且應(yīng)布置在操作側(cè)，盡量布置在平臺(tái)或通道所能觸及區(qū)域。確定好大概區(qū)域后，再根據(jù)熱電偶插入深度，確定最合理的布置方位。特別注意的是，對(duì)于一些熱電偶插入深度要求很長，垂直于設(shè)備切線無法滿足伸入長度要求的情況下，應(yīng)該將管口接管方向調(diào)整為平行于塔盤降液管方向，使插入的熱電偶套管與降液管平行，保證熱電偶的插入深度要求。綜上，本項(xiàng)目TW₁管口最終確定為偏東南方，即220°方向上;而TW₂口和TW₃口方位均平行于塔盤方向，分別位于偏北方及偏東方。

板式塔一般在塔頂及塔釜上部設(shè)置壓力測量點(diǎn)，測量氣相壓力，在布置壓力儀表管口方位時(shí)應(yīng)避免開在液相區(qū)域，例如塔盤溢流堰內(nèi)，塔釜液相段等。由于壓力取壓點(diǎn)需設(shè)置根部閥門，所以在布置壓力取壓點(diǎn)時(shí)還應(yīng)考慮閥門操作及壓力數(shù)據(jù)的讀取。本項(xiàng)目塔頂測壓點(diǎn)取在了塔頂管線上，未在塔體開壓力表專用口，故不涉及管口方位的設(shè)計(jì)，塔體只在塔釜上部設(shè)置了一處取壓點(diǎn)，此處不涉及塔盤方位，只需考慮滿足人員操作及與其它相鄰管口的協(xié)調(diào)關(guān)系，最終確定為正東方向。

液位計(jì)口主要為測量塔內(nèi)液體液位所用，本項(xiàng)目分餾塔共測量兩段液位，分別是輕汽油（LCN）產(chǎn)品抽出及塔釜重汽油液位。其中，LG1_1-2為LCN產(chǎn)品現(xiàn)場液位計(jì)口，LT1_1-2為LCN產(chǎn)品液位變送至DCS口，LT2_1-2為LCN產(chǎn)品液位變送至SIS口。此3組液位計(jì)口位于47層塔盤上方，從上文可知，此層塔盤為塔盤集油箱結(jié)構(gòu)，要測量塔盤上液位，需躲開上層降液管及本層降液管位置，再排除管道側(cè)所在區(qū)域，從塔盤方位可以看出，可以布置這些管口的區(qū)域很有限，再綜合考慮通道、人孔等布置，最終確定的管口方位如圖7所示。塔釜上的液位管口LG2_1-8、LT3_1-2、LT4_1-2、LT5_1-2無塔盤的限制，需在塔釜的操作側(cè)綜合人孔及平臺(tái)布置，規(guī)劃出最合理的方位。此分餾塔釜尺寸較大，液位計(jì)量程達(dá)到了5 300 mm，根據(jù)儀表選型，LG2現(xiàn)場液位計(jì)口達(dá)到8個(gè)，分為4段測量，管口每2個(gè)一組，依次錯(cuò)開布置。而LT3-LT5遠(yuǎn)傳液位采用雙法蘭形式，不受高度限制，每組有兩個(gè)管口，布置時(shí)需要與同標(biāo)高的LG2眾管口及人孔統(tǒng)籌考慮，既要做到互不干擾，又要保證方便根部閥門及儀表的觀測及維護(hù)，同時(shí)布置后的液位儀表不能影響平臺(tái)通行，經(jīng)多方面綜合規(guī)劃后，此部分管口方位如圖7所示。

主要管口布置完成后，剩余的管口方位需根據(jù)規(guī)劃完成的主要管口及管線的布置情況進(jìn)行完善。例如放空口V，位于塔頂，其方位需避開塔頂出口管、安全閥組及吊柱，再結(jié)合平臺(tái)設(shè)置情況，最終確定。公用工程管口是為檢修期間蒸汽吹掃和氮?dú)庵脫Q所設(shè)置，一般位于塔體下切線上方，需根據(jù)管道規(guī)劃進(jìn)行管口方位布置，既做到不影響同標(biāo)高的液位計(jì)，又方便人員吹掃置換作業(yè)。塔裙座出入口是人員出入裙座所用的開孔，對(duì)于直徑較大的塔器一般為2個(gè)，此開孔與工藝流程無關(guān)，只需根據(jù)地面管道及其它設(shè)施布置情況，保證人員進(jìn)出方便。

5 ?結(jié) 論

分餾塔完成全部管口方位規(guī)劃，給設(shè)備專業(yè)提出設(shè)計(jì)條件，進(jìn)行設(shè)備圖紙的詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)，隨著配管設(shè)計(jì)的深入、設(shè)備設(shè)計(jì)的進(jìn)行及塔內(nèi)件的資料復(fù)核，部分管口方位的調(diào)整也是不可避免，甚至復(fù)雜管口的調(diào)整一直貫徹于設(shè)備設(shè)計(jì)及制造的始終，再此過程中，要求設(shè)計(jì)人不懼麻煩、精益求精，為現(xiàn)場的施工及日后業(yè)主的使用打下良好的基礎(chǔ)。

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