馬燕星 田大鵬 杜廣朝

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

內(nèi)回流式塔頂冷凝器的設(shè)備布置與配管

馬燕星*田大鵬 杜廣朝

華陸工程科技有限責(zé)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(diǎn)，簡述冷凝器支撐在塔頂氣相出口和支撐在建構(gòu)物上的2種設(shè)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(diǎn)，分析其在具體的工程實(shí)例中的應(yīng)用。

內(nèi)回流 冷凝器 精餾塔 設(shè)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(shè)備，是產(chǎn)品精制、分離過程中的典型工藝設(shè)備組合。精餾塔與塔頂冷凝器的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)裝置的產(chǎn)品質(zhì)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(shè)計(jì)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(dú)立布置在建構(gòu)筑物上。在設(shè)備布置時(shí)應(yīng)基于塔頂?shù)臉?biāo)高和工藝操作要求，將冷凝器布置在合理的高度；而在管道布置時(shí)，一般僅需對(duì)塔與冷凝器之間的氣相管道進(jìn)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(shè)計(jì)，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(jìn)而對(duì)工藝設(shè)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(yīng)用日益增多，其合理的設(shè)備布置與穩(wěn)固可靠的管路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)備布置的要點(diǎn)

(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(shè)備布置時(shí)應(yīng)與設(shè)備專業(yè)確認(rèn)塔頂冷凝器的支撐型式：以支耳或鞍座的型式支撐于建構(gòu)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(shè)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(yīng)進(jìn)行管路柔性分析。

(3)管殼式冷凝器的冷凝管內(nèi)易結(jié)垢，需要經(jīng)常清洗。在冷凝器封頭處應(yīng)設(shè)置合適的檢修平臺(tái)，在其上部宜有檢修用的起吊設(shè)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(yīng)統(tǒng)一。

3 典型設(shè)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(shè)備布置設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)如下：

(1)冷凝器支撐在塔頂氣相出口，應(yīng)由設(shè)備專業(yè)確認(rèn)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(yīng)確保支撐塔的建構(gòu)筑物可以承受塔和冷凝器的荷載，應(yīng)向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出和確認(rèn)。

(3)對(duì)于立式塔頂冷凝器，由于塔和冷凝器的一體化設(shè)計(jì)與布置，進(jìn)一步增加了塔體的高度，應(yīng)考慮是否需要設(shè)置塔箍，以限制塔或冷凝器的徑向位移，應(yīng)及時(shí)與設(shè)備專業(yè)溝通。

3.2 支撐在建構(gòu)筑物上

內(nèi)回流式塔頂冷凝器支撐在建構(gòu)筑物上，即按照附近的建構(gòu)筑物支撐冷凝器的全部重量進(jìn)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(gòu)筑物上

設(shè)備布置設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)如下：

(1)如果塔頂冷凝器以支耳或鞍座的型式支撐于建構(gòu)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(yīng)對(duì)塔及塔頂冷凝器的組合裝置進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)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(duì)支撐塔頂冷凝器的彈簧支架或氣缸進(jìn)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(rèn)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(yīng)反饋給設(shè)備專業(yè)調(diào)整支耳及鞍座的大小與位置。

(3)應(yīng)將應(yīng)力計(jì)算后得到的冷凝器支撐點(diǎn)的荷載大小及位置、彈簧或氣缸的底板大小提給結(jié)構(gòu)專業(yè)，以便進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

在設(shè)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(duì)塔和冷凝器的組合布置進(jìn)行應(yīng)力分析，而內(nèi)回流式塔頂冷凝器支撐在建構(gòu)筑物上則應(yīng)對(duì)塔和冷凝器的組合布置進(jìn)行應(yīng)力分析。

4 配管設(shè)計(jì)方案與要點(diǎn)

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(zhì)進(jìn)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性并沒有降低。其主要具有以下特點(diǎn)：

(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(jìn)行應(yīng)力分析。盡管配管時(shí)通過管道自身的柔性可以達(dá)到部分的熱補(bǔ)償效果，但是一般情況下，這些管道上均需要通過設(shè)置彈簧支吊架來減小傳遞給設(shè)備管口的附加力，而且距離設(shè)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(shí)提給結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(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(yīng)在距離冷凝器氣相出口管口的附近設(shè)置可拆卸法蘭，以便于維修時(shí)進(jìn)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(shí)應(yīng)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(gòu)物筑上，其管道布置的要點(diǎn)基本是一致的。

5 工程實(shí)例分析

某工程項(xiàng)目中，精餾塔的參數(shù)為φ4200mm×42146mm，操作溫度為130℃，材質(zhì)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(zhì)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(shè)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(shè)備布置階段，采用CEASARII軟件對(duì)精餾塔和塔頂冷凝器組合設(shè)備布置進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算結(jié)果表明：塔頂氣相出口的熱位移量T計(jì)=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(jì)且T≥T計(jì)+20。

選取T=90mm。

假設(shè)每個(gè)鞍座下設(shè)置2個(gè)彈簧，即共設(shè)置4個(gè)彈簧，經(jīng)計(jì)算分析，荷載均布，每個(gè)彈簧應(yīng)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(hào)為168215，共4個(gè)。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(gòu)筑物梁不影響精餾塔的自由膨脹，滿足設(shè)備布置要求。

5.2 配管設(shè)計(jì)分析

5.2.1 塔頂不凝氣管道的配管設(shè)計(jì)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(gè)管支架)。

圖4 某恒力彈簧支架外形

表2 某168215型號(hào)彈簧的外形尺寸(mm)

圖5 配管管道的CEASARII模型

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

5.2.2 塔頂冷凝器冷卻水進(jìn)出口管道的配管設(shè)計(jì)分析

盡管內(nèi)回流式塔頂冷凝器的冷卻水進(jìn)出口管道操作溫度為常溫，壓力也較低，一般不要求進(jìn)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(jìn)行應(yīng)力分析為宜。

(1)冷卻水進(jìn)口管道的配管設(shè)計(jì)分析：冷卻水進(jìn)口管道的CEASAR II模型見圖5(中)。經(jīng)CEASARII分析計(jì)算后，距離塔頂冷凝器的第一個(gè)支架處的垂直位移為64.0mm，荷載為4771N。根據(jù)設(shè)備與管道布置的實(shí)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(hào)為PE19-90/4771S-M20。

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

5.2.3 塔頂液相產(chǎn)品采出管道的配管設(shè)計(jì)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(duì)較高，經(jīng)CEASARII分析，該配管設(shè)計(jì)不需要設(shè)置彈簧支吊架。分析其原因，主要是因?yàn)橐合喈a(chǎn)品采出管道管徑較小，常規(guī)的配管設(shè)計(jì)就能通過自身補(bǔ)償達(dá)到滿足管道柔性的目的。即便如此，還是應(yīng)該根據(jù)不同工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)該管道的配管設(shè)計(jì)進(jìn)行適宜的柔性判斷。

6 結(jié)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(gòu)筑物上，此時(shí)應(yīng)對(duì)塔和

冷凝器的組合布置進(jìn)行應(yīng)力分析。在設(shè)備布置時(shí)應(yīng)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(jìn)行管道布置時(shí)，與塔頂冷凝器連接的不凝氣管道、冷卻介質(zhì)上下管道及液相產(chǎn)品采出管道均宜進(jìn)行管道柔性分析。

(3)內(nèi)回流式塔頂冷凝器的設(shè)備布置與管道布置關(guān)系著精餾塔工藝裝置的安全運(yùn)行，在具體的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的配管。

1 周力.塔頂冷凝器的合理化設(shè)計(jì)[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(xué)工業(yè)催化專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工設(shè)備布置與配管設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(029)87988427， E-mail：myx2354@chinahualuend.com。