塔頂直連冷凝器布置設(shè)計(jì)

張傳武 肖 桓 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

塔與塔頂冷凝器是化工生產(chǎn)過(guò)程中的重要生產(chǎn)設(shè)備，是產(chǎn)品精制、分離過(guò)程中的典型工藝設(shè)備組合裝置。直連式塔頂冷凝器在塔頂高回流比、阻力降較敏感系統(tǒng)等特殊工況下，因其布置上的優(yōu)勢(shì)而經(jīng)常被使用。因此，其優(yōu)化合理的設(shè)備布置非常重要。

1 塔頂直連冷凝器分類

塔頂直連冷凝器根據(jù)冷凝器的型式不同，一般分為立式和臥式兩種類型，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 立式塔頂直連冷凝器

立式塔頂直連冷凝器因換熱面積受塔的直徑、塔頂壓降等參數(shù)的限制，塔頂氣相量較小時(shí)一般采用立式塔頂直連冷凝器；相比立式塔頂直連冷凝器而言，臥式塔頂直連冷凝器的換熱面積不受塔的直徑和塔頂壓降等參數(shù)的影響，因此換熱面積相對(duì)較大，換熱效率會(huì)相對(duì)較高，塔頂氣相量較大時(shí)一般采用臥式。

2 塔頂直連式冷凝器布置特點(diǎn)

2.1 立式塔頂直連冷凝器布置

立式塔頂直連冷凝器與塔頂管口采用法蘭連接，整個(gè)冷凝器的荷載垂直作用于塔體，布置初期需設(shè)備專業(yè)提前對(duì)塔的壁厚、裙座的受力和地腳螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行核算確認(rèn)。一般立式塔頂直連冷凝器更適合獨(dú)立塔安裝布置設(shè)計(jì)。

2.2 臥式塔頂直連冷凝器布置

臥式塔頂直連冷凝器與塔頂管口既可以采用法蘭也可以采用焊接型式連接，當(dāng)采用獨(dú)立塔安裝布置時(shí)，整個(gè)冷凝器的荷載垂直作用于塔體，布置初期需設(shè)備專業(yè)提前對(duì)塔的壁厚、裙座的受力和地腳螺栓的強(qiáng)度、冷凝器支撐穩(wěn)定性進(jìn)行核算確認(rèn)；當(dāng)采用框架式塔安裝布置設(shè)計(jì)利用框架來(lái)支撐冷凝器時(shí)，由于塔的熱位移，冷凝器需要使用彈簧或者氣缸等彈性支撐。

下面將結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，以臥式塔頂冷凝器的布置為例，從布置方案的選取、優(yōu)化直至確定方面,詳細(xì)分析不同布置型式的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 塔頂冷凝器工藝系統(tǒng)PID

某項(xiàng)目的分離塔及塔頂冷凝器工藝系統(tǒng)PID，見(jiàn)圖3。

圖3 某項(xiàng)目分離塔及塔頂冷凝器系統(tǒng)PID

臥式塔頂冷凝器E-201氣相進(jìn)口與塔T-201頂氣相出口法蘭連接；不凝氣出口管線設(shè)置安全泄放閥防止塔系發(fā)生超壓事故，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；循環(huán)冷卻水對(duì)塔頂氣進(jìn)行冷凝。

3.2 設(shè)備、工藝參數(shù)

(1)塔T-201相關(guān)參數(shù)：外形尺寸Φ2500 mm×H34420 mm；操作溫度130℃；塔頂操作壓力0.0015 MPa；塔頂汽相量4802 kg/h；材質(zhì)為S30408。

(2)塔頂冷凝器E-201相關(guān)參數(shù)：外形尺寸Φ1400 mm×L4800 mm；鞍座底面大小1250 mm×200 mm；鞍座中心線間距3300 mm；管程、殼程的操作壁溫分別為120℃、70℃；材質(zhì)分別為S31603、Q345R；設(shè)備重量11600 kg；液相采出量36 kg/h；回流比99.3%。具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖4。

圖4 冷凝器E-201數(shù)據(jù)

(3)塔頂冷凝器E-201連接管道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷凝器E-201連接管道參數(shù)

3.3 設(shè)備布置要點(diǎn)

塔頂冷凝器布置與塔設(shè)備布置方案有關(guān)。根據(jù)塔系統(tǒng)流程圖，設(shè)備、工藝參數(shù)等，塔頂冷凝器布置設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)如下。

(1)塔頂冷凝器冷媒循環(huán)水上水管道操作壓力0.5 MPa，塔頂高度34 m，循環(huán)水壓力滿足塔頂冷凝器與塔直連的設(shè)置高度要求。

(2)根據(jù)塔設(shè)備參數(shù),可以考慮獨(dú)立式安裝布置設(shè)計(jì)方案，塔頂冷凝器直接支撐在獨(dú)立布置的塔體上，即獨(dú)立式塔頂冷凝器布置。在設(shè)備布置初期應(yīng)向設(shè)備專業(yè)確認(rèn)塔頂冷凝器的支撐型式，重點(diǎn)需要考慮以下因素：① 由塔頂氣相管口可以承受冷凝器操作等重量的可行性；② 塔頂冷凝器不設(shè)置鞍座時(shí)穩(wěn)定性是否滿足要求；③ 為保證穩(wěn)定性，是否需要將鞍座支撐于塔體。

(3)塔頂冷凝器隨框架式安裝塔布置方案，冷凝器支撐在框架上，即塔頂冷凝器框架式布置方案。在設(shè)備布置初期，應(yīng)向管機(jī)專業(yè)確認(rèn)兩者較大垂直熱位移差的應(yīng)力消除措施，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(4)管殼式冷凝器的冷凝管內(nèi)易結(jié)垢，需要清洗，檢修操作空間、通道應(yīng)與塔填料裝卸操作統(tǒng)一考慮。在冷凝器封頭處應(yīng)設(shè)置合適的檢修平臺(tái)，或考慮可移動(dòng)式吊裝檢修設(shè)施。

(5)布置時(shí)應(yīng)滿足管道布置柔性、閥門(mén)等操作檢修的要求。

3.4 獨(dú)立式塔頂冷凝器布置

從PID(見(jiàn)圖3)可以直觀看出塔頂冷凝器與塔需要直連，由圖4可知，塔T-201頂出口汽相量為4802 kg/h，采用循環(huán)水作為冷媒，循環(huán)水上水管道操作壓力0.5 MPa，塔頂氣相管口高度為高度34500 mm，循環(huán)水壓力滿足塔頂冷凝器與塔直連的設(shè)置高度進(jìn)料要求。根據(jù)塔外形尺寸，綜合考慮塔吊裝、操作、檢修等因素，獨(dú)立式安裝布置設(shè)計(jì)應(yīng)作為其首選設(shè)計(jì)方案。這種情況下，塔頂冷凝器將與塔捆綁成一體化布置，作為塔體附件隨塔熱脹冷縮上下浮動(dòng)，因此兩者之間不存在熱應(yīng)力問(wèn)題。根據(jù)塔一般布置的原則，將塔置于框架外，框架高度為24500 mm，冷凝器重量約12 t,考慮塔與框架基礎(chǔ)大小，將塔與1軸之間距離定為4000 mm，具體布置見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 獨(dú)立式塔頂冷凝器布置平面圖

圖6 獨(dú)立式塔頂冷凝器布置立面圖

在進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)獨(dú)立式塔頂冷凝器布置存在以下問(wèn)題及不足。

(1)由于將冷凝器直接支撐于塔頂，其重量完全由塔體承受，因此需要將此信息反饋給設(shè)備專業(yè)，重新復(fù)核塔壁厚、裙座受力及地腳螺栓強(qiáng)度等。經(jīng)計(jì)算，為滿足冷凝器承重要求需要加大塔體厚度。不銹鋼材質(zhì)塔體壁厚增加材料所提高設(shè)備投資費(fèi)用非?？捎^，因此，設(shè)備專業(yè)工程師建議冷凝器采取其它支撐方式。

(2)塔頂冷凝器靠氣相進(jìn)口與塔頂氣相出口單點(diǎn)連接支撐形式，根據(jù)塔頂冷凝器結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、重量，考慮連接管道熱應(yīng)力及風(fēng)載等外來(lái)因素影響，其支撐需要考慮自身穩(wěn)定性，采取加強(qiáng)穩(wěn)定措施，保證支撐要求，但這樣又導(dǎo)致冷凝器設(shè)備造價(jià)提高。因此，設(shè)備工程師建議塔頂冷凝器利用其鞍座支撐在建構(gòu)筑物上。

(3)塔頂冷凝器檢修操作只能考慮可移動(dòng)式汽車吊來(lái)完成。

由此可見(jiàn)，獨(dú)立式塔頂冷凝器布置方案存在設(shè)備投資費(fèi)用增加、塔頂管道閥組、安全閥布置在設(shè)備平臺(tái)空間受限及操作不便、冷凝器檢修操作成本增加等問(wèn)題。

3.5 框架式塔頂冷凝器布置

針對(duì)獨(dú)立式塔安裝設(shè)計(jì)導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)提高等問(wèn)題，選擇利用塔旁已有框架，將塔頂冷凝器與塔管口直連布置在框架內(nèi)，采取框架式安裝塔布置設(shè)計(jì)。

框架式安裝塔布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)利用框架支撐塔箍便于穩(wěn)定塔支撐；冷凝器利用框架承重，由鞍座支撐在結(jié)構(gòu)框架梁上，這樣，將減少設(shè)備材料用量，降低設(shè)備投資成本。

(2)布置初期，應(yīng)先由管機(jī)應(yīng)力工程師針對(duì)塔與冷凝器之間較大垂直位移差進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算，采取消除連接管口位移差造成熱應(yīng)力對(duì)設(shè)備管口破壞力的措施，便于設(shè)備布置階段及早考慮，事先控制，防患于未然，避免后期被動(dòng)。

(3)對(duì)塔設(shè)備吊裝要求更高。應(yīng)根據(jù)塔結(jié)構(gòu)形式確定其與結(jié)構(gòu)框架的施工順序、塔就位與框架樓層交錯(cuò)施工等方案。為保證塔順利吊裝，一般考慮塔先就位，再施工有關(guān)建構(gòu)筑物；也可考慮先施工框架，采取合適尺寸的吊裝孔、預(yù)留活動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)方案；還可分段法蘭連接塔，如果框架層高允許分節(jié)順序安裝就位，也可考慮足夠吊裝需要開(kāi)孔即可。

3.5.1 冷凝器彈性支撐

冷凝器不利用塔來(lái)承重，避免了設(shè)備造價(jià)提高，但與塔頂冷凝器由塔支撐不同，其不能與塔作為一個(gè)整體隨塔自由膨脹，塔運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)樗w溫度的升高而發(fā)生向上熱位移，而冷凝器與塔相比自身向上熱位移幾乎可以忽略不計(jì)，兩者上下管口直連，系統(tǒng)又無(wú)法通過(guò)優(yōu)化管道走向，利用自然補(bǔ)償或者增設(shè)補(bǔ)償器來(lái)吸收熱位移、釋放熱應(yīng)力，如果不采取其它措施解決二次應(yīng)力超標(biāo)，將導(dǎo)致法蘭泄漏、管口撕裂甚至其它更嚴(yán)重的事故發(fā)生，后果不堪設(shè)想。因此，為消除塔溫度升高而產(chǎn)生的熱位移，在設(shè)計(jì)上就需要考慮冷凝器在框架上使用彈性支撐，通常采用彈簧箱支撐或氣缸支撐。

(1)熱位移(δ<50 mm參考值)不是很大的情況，一般選擇彈簧箱型式，彈簧箱相較于單個(gè)彈簧支撐有更好的穩(wěn)定性，并且能有效降低彈簧支撐的高度，采用變力彈簧箱來(lái)支撐，塔頂管口的受力對(duì)塔本身的受力幾乎沒(méi)有影響。

(2)熱位移很大(δ>50 mm參考值)時(shí)，無(wú)論是擱置型或吊架彈簧的體積和高度都會(huì)比較大，且對(duì)于熱位移很大的彈簧，即使做成彈簧箱高度降低也不明顯，因此，如果受到設(shè)備布置空間的限制，或者受到設(shè)備本身附件的干擾，無(wú)論擱置型或吊架彈簧都不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，就需要選擇體積小、便于布置的氣缸支撐，根據(jù)熱位移量選擇合適的柱塞直徑和沖程即可。采用氣缸支撐時(shí)，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)冷凝器約有40%的重量會(huì)由塔頂管口來(lái)承擔(dān)。

本項(xiàng)目在設(shè)備布置初期，應(yīng)力工程師采用CAESARII軟件對(duì)塔T-201和塔頂冷凝器E201組合設(shè)備布置進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算結(jié)果表明：冷凝器E201鞍座受力為138570N，塔頂氣相管口的熱位移量T計(jì)=32mm,可以選擇彈簧箱進(jìn)行支撐。

假設(shè)冷凝器E-201每個(gè)鞍座下各設(shè)置1個(gè)彈簧箱，經(jīng)計(jì)算分析，荷載均布，每個(gè)彈簧箱應(yīng)承受的垂直荷載為69285N。根據(jù)彈簧箱可承受的荷載，參照某品牌的彈簧箱樣圖，選取彈簧箱型號(hào)為DTDB90-6-32，共2個(gè)。見(jiàn)圖7,圖8。

圖7 某彈簧箱外形圖

圖8 某項(xiàng)目彈簧箱支座實(shí)例

由《彈簧箱樣本》查得DTDB90-6-32型號(hào)彈簧箱的外形尺寸為820 mm×340 mm×655 mm(長(zhǎng)×寬×高)。該彈簧箱的外形尺寸與鞍座尺寸匹配，而且支撐鞍座的框架結(jié)構(gòu)梁不影響塔的自由膨脹，滿足設(shè)備布置要求。

由塔頂人孔標(biāo)高33150確定塔頂人孔操作平臺(tái)高度范圍為：32000 mm(人孔中心距平臺(tái)高度為1150mm)～32500 mm(人孔中心距平臺(tái)高度為650 mm)。

塔支撐基礎(chǔ)標(biāo)高為300 mm，塔頂部氣相管口標(biāo)高為34500 mm,塔頂冷凝器與塔頂氣相管口法蘭直連，考慮墊片厚度，算出塔頂冷凝器鞍座底標(biāo)高為34985 mm，如果不考慮設(shè)備制造及土建施工誤差，彈簧箱支撐梁標(biāo)高34330 mm，即可滿足冷凝器安裝要求。但設(shè)計(jì)時(shí)需要給制造及施工考慮留有一定余量，因此，彈簧箱支撐梁標(biāo)高設(shè)計(jì)不應(yīng)大于34300 mm，以便調(diào)整制造及施工誤差，保證冷凝器順利安裝。

3.5.2 框架式塔頂冷凝器布置方案一

同時(shí)兼顧塔頂部人孔操作平臺(tái)和塔頂冷凝器的安裝支撐。根據(jù)塔頂冷凝器支耳彈簧箱安裝標(biāo)高不大于34300 mm，塔頂人孔最高操作平臺(tái)標(biāo)高范圍32000 mm～32500 mm，應(yīng)取最高操作平臺(tái)標(biāo)高32500 mm，以降低冷凝器土建結(jié)構(gòu)支撐梁高度。

“方案一”布置圖見(jiàn)圖9及圖10。

圖9 框架式塔頂冷凝器布置(方案一)平面圖

圖10 框架式塔頂冷凝器布置(方案一)立面圖

經(jīng)分析，此方案依然存在不足：① 冷凝器支撐結(jié)構(gòu)高度1800 mm，對(duì)冷凝器檢修操作不方便；② 原設(shè)計(jì)意圖冷凝器基礎(chǔ)為兩個(gè)獨(dú)立鞍座支撐基礎(chǔ)，但是，通過(guò)核對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)返回冷凝器支撐梁結(jié)構(gòu)形式，發(fā)現(xiàn)其需要在兩基礎(chǔ)之間設(shè)置連接梁及斜撐，這種結(jié)構(gòu)形式將影響塔人孔操作、管口方位設(shè)置及管道布置。因此，需要調(diào)整冷凝器支撐為方形支撐結(jié)構(gòu)框架，跨度尺寸較大，而且，其1800 mm的高度空間仍然不能滿足人孔操作的空間要求。

3.5.3 框架式塔頂冷凝器布置方案二

針對(duì)框架式塔頂冷凝器布置方案一的不足及存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，考慮增加塔頂樓面，以方便冷凝器支撐、檢修、操作。由前面分析可知，塔頂樓面標(biāo)高最高為34300 mm，其下層人孔操作樓面高度最低為EL32000，這樣兩層樓面層高為2300 mm，人孔操作空間稍低，與設(shè)備專業(yè)協(xié)商將塔T-201塔頂段加長(zhǎng)300 mm，那么，塔頂樓面標(biāo)高可抬高至34600 mm，這樣，人孔樓面層高加大到2600，基本滿足操作高度空間要求。

“方案二”布置圖見(jiàn)圖11及圖12。

圖11 框架式塔頂冷凝器布置(方案二)平面圖

圖12 框架式塔頂冷凝器布置(方案二)立面圖

本方案增加塔頂樓面，便于塔頂冷凝器支撐、檢修操作，同時(shí)塔頂不凝氣安全閥布置在塔頂樓面更接近被保護(hù)設(shè)備，管道布置閥組、切斷閥、安全閥等更方便操作、檢修，因此，以此方案作為本設(shè)計(jì)最終選擇的塔頂冷凝器布置設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

塔頂直連式冷凝器布置因其特點(diǎn)，被廣泛使用在塔頂高回流比、阻力降較敏感系統(tǒng)、介質(zhì)具有易堵、自聚等特殊工況下。根據(jù)塔頂氣相量的大小，可以選擇立式塔頂直連式冷凝器和臥式塔頂直連冷凝器兩種布置型式，根據(jù)對(duì)比分析可知，立式塔頂直連式冷凝器更適合獨(dú)立塔安裝布置；而臥式塔頂直連冷凝器布置，因設(shè)備投資等原因，更適合框架式塔安裝布置。當(dāng)設(shè)計(jì)選取框架式塔安裝布置時(shí)，設(shè)計(jì)人員不但要重視塔與框架施工方案順序、冷凝器檢修等大的方案，而且要關(guān)注冷凝器彈性支撐余量等容易被忽視的細(xì)節(jié)；此外在某些情況下，也可以與相關(guān)專業(yè)溝通，通過(guò)改變?cè)O(shè)備外形、尺寸等方式達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。