管曉玉

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

在石油化工裝置中，再沸器與精餾塔合用是常見的組合工藝，其工藝設(shè)備布置及管路設(shè)計(jì)的優(yōu)化有利于整個(gè)管系和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。抽提蒸餾塔是芳烴抽提裝置中分離芳烴與非芳烴的重要設(shè)備，而塔底再沸器為塔提供汽液兩相傳質(zhì)所需的熱量。本文以某公司0.55Mt/a芳烴抽提裝置為例，介紹抽提蒸餾塔與再沸器的平面布置及管道設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方法。

1 工藝原理及流程

某公司0.55 Mt/a芳烴抽提裝置中，以環(huán)丁砜為抽提溶劑，利用溶劑對原料中各組分相對揮發(fā)度影響的不同，通過精餾實(shí)現(xiàn)芳烴與非芳烴分離。溶劑和C6餾分在抽提蒸餾塔接觸形成氣液兩相，由于溶劑與芳烴的作用力更強(qiáng)，使非芳烴富集于氣相，于塔頂排出，芳烴富集于液相，于塔底排出。富集芳烴的液相進(jìn)入溶劑回收塔，在塔內(nèi)進(jìn)行芳烴與溶劑的分離，回收的溶劑再進(jìn)入抽提蒸餾塔循環(huán)使用[1]。為節(jié)省操作費(fèi)用，使用品位和價(jià)格較低的冷劑和熱源，在抽提蒸餾塔塔釜處設(shè)置中段再沸器，同時(shí)減輕了塔底再沸器的熱負(fù)荷。

2 平面布置

塔與再沸器平面布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮以下因素: ①再沸器與塔體之間的距離應(yīng)滿足工藝及管道布置要求; ②應(yīng)考慮再沸器的吊裝及檢修的方便性。當(dāng)再沸器的管道能夠滿足熱膨脹允許的條件時(shí)，應(yīng)將再沸器盡量靠近塔體布置，以使管道最短，達(dá)到減少管道阻力的目的[2]。在該裝置中，再沸器均采用熱虹吸再沸器，依靠塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力形成熱虹吸式運(yùn)動(dòng)。抽提蒸餾塔與再沸器的局部平面布置圖如圖1所示。

圖1 芳烴抽提部分平面布置
Fig.1 Plot plan of Aromatics extraction part

2.1 抽提蒸餾塔中段再沸器平面布置

抽提蒸餾塔中段再沸器(E-604)為臥式再沸器，安裝高度不宜過低，因?yàn)榇怂槌樘嵴麴s塔，塔底主要為環(huán)丁砜溶劑，與一般烴類塔不同的是環(huán)丁砜不容易汽化。安裝高度越低，推動(dòng)力越大，根據(jù)其物性平衡態(tài)來看，其汽化率過低，不能滿足重沸要求。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)以及工藝計(jì)算結(jié)果，比較理想的安裝高度為抽出口距離重沸器中心線的垂直距離為2～3.5m為宜，如圖2所示。為減少管道阻力，E-604返回管道應(yīng)盡量短，管道專業(yè)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況將E-604放置于T-601周邊構(gòu)架EL+14000層上。

圖2 中段再沸器安裝高度Fig.2 installing height of middle section reboiler

2.2 抽提蒸餾塔再沸器平面布置

抽提蒸餾塔再沸器(E-603) 采用側(cè)面管口的立式再沸器，工藝要求E-603返回管線直管段最短，根據(jù)石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50160-2008)，可直接連接。E-603直徑為Φ1400 mm，長約7000 mm，體積相對較大，將其布置在靠近T-601的單獨(dú)構(gòu)架上，這樣不會(huì)受到設(shè)備質(zhì)量及安裝條件的限制，并且再沸器的返回管線也具有較好的柔性。

3 管道布置及支架設(shè)計(jì)

為了滿足管道最短，減少管道壓降，立式再沸器E-603與塔T-601的返回管線采用管道直連方式，如圖3所示。因E-603固定在構(gòu)架平臺(tái)上，那么直連管道可以看成是兩設(shè)備中心的定點(diǎn)配管。熱態(tài)下，由于塔和再沸器材質(zhì)和溫度不同，會(huì)在豎直方向和管線軸向產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，如果不采取有效的消除措施，可能會(huì)使連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。而E-604為頂部管口的臥式再沸器，塔與再沸器返回管道中帶有彎頭，柔性相對于直連管道較好，能夠較好的解決熱應(yīng)力問題。

圖3 立式再沸器與塔的管道布置Fig.3 piping design of vertical-type reboiler and tower

3.1 豎向熱應(yīng)力的消除措施

由于塔T-601和再沸器E-603材質(zhì)和溫度不同，導(dǎo)致二者在豎直方向上膨脹量不同，因而容器的管口在豎向上將產(chǎn)生較大的熱脹反力和彎矩，解決方法是在再沸器E-603四個(gè)支耳處設(shè)置彈簧支架，用來吸收熱膨脹，從而使設(shè)備口的力和力矩減小到允許的范圍內(nèi)。另外可將T-601與安裝E-603的構(gòu)架做成同一底板，使塔與構(gòu)架基礎(chǔ)共沉降，減少二者在豎向的位移差，特別對于塔與再沸器溫度相同的裝置，此種方法可以減少彈簧的使用，增加了裝置的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)又安全。

3.2 軸向熱應(yīng)力的消除措施

對于直連管道，由常溫(20℃)受熱后將沿軸向膨脹，產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式為：

σ=Etε=EtαtΔt

式中，Et為材料的彈性模量，MPa；

ε為軸向線應(yīng)變，m/m；

αt為線膨脹系數(shù)，由20℃至 ℃的每m升溫1℃的平均線膨脹量，m/m·℃；

Δt為管系的溫升，℃。

再沸器E-603管程出口管道屬性見表1。

表1 再沸器管程出口管道屬性Table 1 Pipe attribute of tube side outlet

由于E-603與T-601管口之間的工藝管線直連，一旦升溫，管線在軸線方向的熱膨脹如果受到限制，兩設(shè)備管口在此方向的作用力和管子的內(nèi)應(yīng)力都將很大。為了消除管口軸線方向上的熱應(yīng)力，將E-603支耳處的螺栓孔開成沿管線軸線方向的長圓形孔，允許再沸器在管線軸線方向有一定的位移。結(jié)合消除豎直方向應(yīng)力方法—在支耳處使用彈簧支架，因此可采用取消支耳處得螺栓孔來消除軸向應(yīng)力，避免再沸器管道軸向變形受阻。如果再沸器是采用剛性撐，此時(shí)設(shè)備管口所受管線軸線方向的力主要是由摩擦力引起，可以靠降低摩擦系數(shù) 來減小摩擦力。比較常用的方法是在支耳與彈簧支架間增加一層聚四氟乙烯板, 將 從鋼對鋼的0.3降為鋼對聚四氟乙烯的0.1[3]。

為防止兩設(shè)備管口法蘭泄露，還需要采用當(dāng)量壓力法[4]對法蘭進(jìn)行泄漏校核，法蘭所受彎矩和軸向拉力所產(chǎn)生的當(dāng)量壓力按下式計(jì)算:

式中，Peq為力和力矩產(chǎn)生的當(dāng)量壓力，MPa; M為法蘭連接處承受的彎矩，N·m; F為法蘭連接處承受的軸向拉力，N; D為墊片的計(jì)算直徑，mm。

法蘭泄漏校核( 總當(dāng)量壓力不大于法蘭在工作溫度下的許用壓力) 為：P=P1+Peq≤Pf

式中:P1為管道設(shè)計(jì)壓力;Pf為法蘭按溫壓曲線對應(yīng)的壓力。

當(dāng)P>Pf時(shí)，管嘴處的作用力和力矩不能滿足法蘭泄漏校核要求，需要提高設(shè)備管嘴的壓力等級。

3.3 配管專業(yè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對于臥式再沸器E-604，在滿足返回管線盡量短的工藝條件下，應(yīng)避開構(gòu)架柱子及斜撐，并找到合適的支架生根點(diǎn)，滿足支撐要求。而立式再沸器E-603因放在構(gòu)架平臺(tái)上，需要對平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)提出開洞要求，若存在膨脹節(jié)，開洞應(yīng)考慮膨脹節(jié)大小。同時(shí)支耳大小以及管口方位也由配管專業(yè)提出，支耳大小應(yīng)考慮彈簧支架不應(yīng)與設(shè)備保溫外壁相碰，管口方位應(yīng)滿足工藝要求并便于操作和檢修，在現(xiàn)場施工安裝時(shí)需要先吊裝設(shè)備再鋪設(shè)平臺(tái)。

4 結(jié)束語

結(jié)合某廠芳烴抽提裝置，介紹了在布置抽提蒸餾塔與中段再沸器、塔底再沸器的平面位置時(shí)，應(yīng)按照工藝要求并在工藝校核后，確定再沸器的安裝高度。管道設(shè)計(jì)時(shí)在滿足管道盡量短的同時(shí)，解決設(shè)計(jì)過程中遇到的應(yīng)力問題及解決方法，同時(shí)提出了設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)工作提供參考。

[1]李俊奎，張振泰，于新文，等. 環(huán)丁砜抽提蒸餾工藝在慶陽石化公司的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2013，42(6) : 610-613.

[2]夏必霞，陶長劍. 再沸器與精餾塔的工藝設(shè)備布置及管路設(shè)計(jì)[J]. 化肥設(shè)計(jì)，2011，49(3) : 27-29.

[3]周小兵. 塔與再沸器的配管及應(yīng)力分析[J]. 化肥設(shè)計(jì)，2009，47(1) : 32-34.

[4]張 旭. 壓力管道設(shè)計(jì)中法蘭校核方法探討[J].石油和化工設(shè)備，2010，13(8) : 5-9.

(本文文獻(xiàn)格式：管曉玉.抽提蒸餾塔與再沸器的平面布置及管道設(shè)計(jì)[J].山東化工,2018,47(7):124-125,127.)