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塔的管口方位設計淺析

    [摘 要]本文以某項目凈化裝置酸性氣體脫除單元為基礎，結合實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計方法和注意事項。

    酸性氣體脫除的工藝流程是圍繞裝置內多臺塔進行洗滌、閃蒸、熱再生等操作，可以說塔是整個酸性氣體脫除裝置的核心，而配管工作中亦圍繞塔開展，塔的配管是酸性氣體脫除裝置配管工作的重心和難點，尤其是管口方位的確定是配管專業的一項重要的工作，涉及到配管、工藝、設備等專業以及內件商的協商對接過程，管口方位設置的合理與否將直接影響塔的配管質量。近年來，酸性氣體脫除處理氣量不斷增加，裝置大型化和管道設備化對配管工作提出了更高的要求。本文通過某酸性氣體脫除裝置為例，結合塔內件分析低溫甲醇洗板式塔管口方位設計中的常見問題和處理方法。

    1 基本要求
    在進行管口方位設計時，應詳細了解工藝要求和塔的內部結構，塔體的開口方向應滿足工藝要求并便于操作和檢修，同時，應預先考慮與管口連接的管道的布置，管道的布置方式決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和管道側，然而，由于甲醇洗塔內件的復雜和開口數量多，有時難以將上述兩側嚴格劃分[1]。對于板式塔配管的基本要求為[2]：①滿足 PID 要求；②每個人孔均能夠安全順利進入設備內檢修；③操作平臺無障礙；④管口、管道、管架、平臺、吊耳之間無碰撞；⑤管口方位滿足內件要求；⑥經濟、整齊、美觀。對于配管設計而言，一般按照由上至下規劃，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。管口方位設計也應照此進行。

    對于不斷大型化的酸性氣體脫除裝置而言，很多管口內都設置有分布器，分布器的設置使塔內件的布置更為緊湊，管口內接分布器后變換角度變得困難，使管口的可調整范圍變小。目前設計院與供貨商管口方位確認有兩種做法[3]：一種是供貨商提供管口方位給設計院，若無法滿足再協商，另一種是設計院完成初步配管后返回給內件商確認，若無法滿足要求，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件商之前，最好進行一次工藝、配管、內件商和設備專業的協調會。

    2 管口方位的設置
    2.1 人孔方位
    人孔是為了安裝和檢修塔內件方便而設，在布置人孔時應從上至下，設置在操作側且應盡量在管廊和框架背面，以方便內件的吊裝和存放，同時，人孔應盡量在同一豎直線上，對于酸性氣體脫除裝置而言，塔高管口多，這有時點難以實現，可以在一定角度范圍內適當調整。需要注意的是，不管是單溢流還是多溢流的板式塔，人孔應盡量平行于降液管且避開其支撐件，設置在鼓泡區上方，并避免將人孔設置在降液管或者受液槽區域范圍內，尤其是塔徑較小而具有多溢流的情況(如圖 1)。
      同時，管道專業還應檢查塔內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有支撐件，有的采用法蘭同管口連接，若人孔背面上方設置有管口時應注意管口內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整困難時可以將支撐結構修改為倒 U 型支撐(如圖 2)；若人孔對面下方有管口時，應注意分布器及其支管不應超出人孔下沿，必要時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，或轉動區域內能接近人孔，若空間足夠，可以設置在人孔上方周圍，但若上部空間過小時，由于人孔下方有平臺，平臺上爬梯和通道，導致吊柱偏離人孔范圍過大，吊柱操作范圍有限，不能到達盡可能多的平臺或者人孔范圍，因此應與工藝專業協商確定塔頂上部空間余量。當然，若上部空間過大，勢必會造成塔成本的升高，因此，在此須有權衡。酸性氣體脫除裝置內的吸收塔、再吸收塔和熱再生塔由于下塔一般設置有集液箱，因此可能出現集液箱上下人孔距離較近的情況，此時應將兩人孔錯開一定角度布置。同時，酸性氣體脫除裝置液位計數量多，尤其是集液箱處，有的泵抽出口設置有自控連鎖三取二或雙液位計，且部分液位計測量范圍較大。人孔布置應和液位計下部閥門高度相近，這樣設置平臺時，容易同時兼顧到液位計上下切斷閥的操作，上部閥門可以設置在爬梯旁。若人孔與液位計下接口錯開高差過大，易造成閥門操作極不方便，平臺設置不合理。因此，人孔設置時在一定高差范圍內是可調節的，也應根據配管情況與工藝專業討論確認。

    2.2 工藝管口方位
    酸性氣體脫除裝置內塔大多為板式塔，可能是單溢流、雙溢流或者多溢流，進行管口方位設計時一個重要的步驟便是確定降液管位置，需要注意的是，對有集液箱的塔，集液箱下面的塔板降液管在塔內的位置可以旋轉重新設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，便可自上而下進行管口設計。
    管口一般分為進料口，回流口、抽出口、再沸器進出口(熱再生塔和甲醇/分餾塔)、塔頂氣相出口和塔底液相出口、液位計口、溫度計口和壓力計口。其中，塔頂和塔底管口的設置較為單一，一般需視設備布置和配管情況確定；液位計管口方位應注意不受回流介質及上層塔板降液管降液的影響，若同時有自控和就地液位計時應優先考慮自控液位計，同時，應充分利用平臺和爬梯實現液位計的上下切斷閥操作和可視；溫度計、壓力計應綜合塔內件位置采取穩定區間液相測溫、氣相測壓的原則，同時溫度計避免內伸管與降液管的碰撞。液位計、壓力計的開孔方位若受上層塔板降液影響，管道專業應向設備提出在相應管口內部設置擋液板。
    其余類型管口的設置受塔板的溢流數影響較大，且受內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計手冊中對各種類型管口在不同的塔板溢流數中的方位設計有較詳細的介紹，這里不做累贅介紹，總體要求是管口在塔內部落液位置應遠離降液管且盡量在受液槽附近，多溢流數時注意流體的均布，根據內部落液口與設備管口的連接情況在不碰撞降液管、支撐件等內件的前提下在配管區旋轉調整設備管口位置。下面結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氣入口，氣體進口一般不會做太過復雜的分布器，直接進入或一字型分布器為多。單溢流時，管口設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，注意管口內部氣體分布器應在最下面一塊塔板受液槽正下方。

    2.2.2 最上層塔板進料口
    由于酸性氣體脫除裝置塔一般分上塔和下塔或者設有集液箱，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垂直于降液管在受液槽位置進入，可以在較小角度內調整；若是多溢流時應平行于降液管從中間位置進入，同時內部設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，可以在布管范圍內任意旋轉。另外應注意集液箱下面的進液口，若有分布器時，應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，此進液口與抽出斗應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，可能為單排，也可能為兩排甚至多排，本甲醇洗裝置內升氣帽上方塔板均非單溢流，此時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，此時具有升氣帽的集液箱幾乎不能旋轉，則抽出口只能布置在垂直于降液板的方向，且在抽出口低點缺口范圍內可調(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，而不受升氣帽方位的限制，則此時抽出口設置在缺口范圍內與集液箱一起在任意方向可調。設置抽出口時應詳細了解升氣帽尺寸，旋轉時尤其應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來，上塔液體在封頭上通過彎管引出，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置有除沫器。因此在設置這兩個管口的方位時，需了解內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，當除沫器資料不全時可取這兩個管口角度不小于 90 度(如圖4)。
      2.2.5 塔板間進料口
    在對塔板間管口方位設計時必須認真核對內管或分布器結構、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，確定之后才能進行管口方位設計。
    (1)單溢流時，管口設置較為簡單，只要內管的落液口遠離下層降液管，一般采取垂直于降液管進液，也可平行于降液管且靠近上層降液管外側進入(此種情況管口不在中心線上，較少用到)。若這兩個位置對于配管有困難，可以要求內件商在內管設置彎頭，這樣內管只要不與降液管碰撞，進液口的方位就可以在很大范圍內調整。
    (2)多溢流時，若此塔板間僅有一個進料口，進料口多平行于降液管進料，當此方位不滿足要求時，可以要求內件商將主管與支管設計為一定角度，此時管口在不碰撞降液管范圍內可調。若進料口位于塔中心有降液管的塔板位置時，工藝專業在向設備專業設備條件時不會將入口設置為兩個，此時從平行于降液管位置進料時會使內管占據降液管位置，一方面內管受降液的沖刷，另一方面內管或分布器會影響降液出現偏流，此時可要求內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位置封閉，用導液管導入下層受液盤，以避免降液管液體對分布器的沖刷。
    (3)進料口處于同一標高時。再吸收塔管口眾多，為降低成本，工藝專業可能將再吸收塔底部的部分管口設置在同一高度，在都具有分布器的情況下無論如何布置管口都會在內部碰撞，此時管道專業可以將兩個管口方位設計成一定的角度，并要求內件商在內部將兩個內管合并共用分布器。
    (4)單溢流變多溢流時。酸性氣體脫除裝置塔的溢流數可能變化，如其中熱再生塔下塔，出現單溢流變多溢流，此處剛好是上塔甲醇進入下塔管口位置。由于單溢流為單管降液，而多溢流為多管降液，會涉及到流體在第一塊多溢流塔板上的收集再分布。通常，內件商會在上層降液管的集液盤底部安裝導液管，將液體導入此處分布器內部。因此，在確定此位置的管口方位時需確認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構形式，以保證導液管能順利進入分布器內。

    3 小結
    酸性氣體脫除裝置內塔的特點為板式塔居多，根據計算結果，單溢流、雙溢流或多溢流均有可能，且管口眾多，沿塔敷設管道數量大，作為工藝的下游專業，想要被動的一次性配管成功是難以實現的，越是被動不提要求，后期配管難度將更大，因此，應摒棄工藝專業提出塔初版條件就全盤接收的思維。在工藝專業設計出塔外形并提條件給設備專業和內件商時，很多尺寸均可調，內件亦是可旋轉或者改變進料分布器型式均可實現管口方位的更改，作為配管專業，應首先對塔進行初步的管口布置和配管，對有困難的地方應提前做好充分準備，盡早向上游專業提出，否則早期配管研究效果有限；其次，應認真確認內件型式(包括溢流數、支撐件、分布器等)、尺寸及內件可能對管口布置產生的影響，在工藝、設備、管道和內件商對接討論會時將所有問題均拋出討論，確認每個管口方位，以在滿足工藝、內件要求的前提下找到最有利于配管的管口方位。