关键词：苯酐 塔 管道 配管 设计
0 前言
本文介绍了某萘法固定床制苯酐项目中的苯酐轻组分塔的主要配管设计。该项目的精制单元采用三塔连续精馏工艺，大致工序为：反应单元生产的粗苯酐由泵送至精制单元的预处理罐进行预处理；预处理过的粗苯酐进入轻组分塔从塔顶脱出轻组分；塔底重组分进入纯苯酐产品塔；纯苯酐产品塔顶馏出产品纯苯酐；塔底液进入残渣塔进行回收。塔器是气相与液相之间的传质设备，可分为精馏塔、吸收塔及解析功能塔等，按结构又可以分为板式塔和填料塔。依据苯酐物理性质及工艺经验，苯酐轻组分塔宜采用板式精馏塔。作为塔操作单元系统中的重要组成部分，配管设计的合理性对项目的施工和生产的安全性非常关键。
1 设备布置
精制单元塔器布置于钢结构装置中，三个塔器中心对齐，布置于装置的南侧，泵组等辅助设备布置于北侧。将塔器面对辅助设备的区域规划为操作区，原则上是作为操作面、维修及逃生通道设置的，塔器的有关阀门、仪表等主要设置在该区域；塔器另一侧规划为配管区。具体见图 1。
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图 1 精制区设备布置
2 塔器管口方位的确定
塔器管口方位是由工艺要求、塔及塔内件的详细结构决定的，配管专业在进行配管研究后与设备专业进行沟通得出合理的管口方位图，使管线布置简化、操作方便、检修容易。按照确定管口方位的原则，首先确定人孔方位，轻组分塔布置在装置的南侧，人孔设置在塔体的南侧并面对装置外较为合理，这样便于检修和从框架南侧吊装塔内件。然后确定比较大的应力管道（如再沸器回馏口、塔釜底液出口、塔顶冷凝器进出口）的方位，根据塔板的结构形式和再沸器的布置，决定将再沸器连接的进出管口方位布置在塔的东侧并朝向再沸器；塔底出料管口引出塔裙外，其应力计算如果满足管道柔性要求，则布置在塔南侧比较合理；塔顶冷凝器进出口则分别布置在塔顶冷凝器的南、北向。其余小直径管口根据工艺要求、塔及塔内件的结构，按照塔周操作区与配管区的分区合理布置。
3 塔器主要附属管道的配管设计
塔器的附属管道一般分为塔顶管道、塔体侧面管道和塔底管道。塔顶管道包括塔顶气相管线、安全阀进出口管道、放空管道等；塔体侧面管道包括回流管道、进料管道、侧线抽出管道、汽提蒸汽管道、再沸器入口和返回管线等；塔底管道包括塔底抽出管道和塔底排液管道等。
塔器配管设计的原则依据工艺管道及仪表流程图进行，满足可操作性、安全性及防火规范要求。总体规划按照管道在塔体的位置，自塔顶至塔底进行。根据塔器管道的重要性，一般按塔顶管道、大管径管道、自流管道、压力管道、一般管道、塔底管道、小管径管道的顺序进行管道走向的规划。管道应尽量短且满足柔性要求，尽可能沿塔体集中在配管区，使配管美观并便于设立支架。
3.1 轻组分塔塔顶配管设计
轻组分塔的塔顶冷凝器与塔本体顶部法兰相连，因此冷凝器管道可以认为是塔管道系统的一部分。塔顶馏出的轻组分冷凝回流至最上层塔板后抽出。冷凝器的冷凝水回流采用自吸式进入低压汽包，工艺上要求管道尽量短且弯头尽量少以减少管道阻力降。冷凝水管设计温度为 185 ℃，管径为 DN250。考虑到管道的热膨胀，将冷凝水出口设置在冷凝器南侧、管口对接法兰直接焊接弯头向上 500 mm 处，同时再设置 1 个弯头朝南走管，由此形成一个垂直面的“Z”型管道。设置弹簧支架吊在直管段框架梁下，以消除冷凝器管口应力。冷凝器与低压汽包之间管道呈“U”型设置以增加管道柔性。利用框架柱子制作悬臂，使进低压汽包的直管段支撑于悬臂的弹簧支座上，弹簧支座经计算选取具有合适承重能力及弹性模量的型号。通过改变管道走向以及设置合适的支架及弹簧支架解决了冷凝水管道的热补偿问题，对其进行应力计算，结果满足管道的柔性要求，具体见图 2。
图 2 低压汽包回水管走势
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3.2 塔体侧面的配管设计
3.2.1 进料管
进料管内的介质是粗苯酐，其熔点为 131~134℃，常温下为固态，所以管道需要采用蒸汽夹套管伴热，如果伴热结构不合理或伴热效果差，会出现管道堵塞的情况，尤其是管道转向处，一旦堵塞，清理工作非常困难，严重时甚至会造成长时间停工，进行检修。根据经验，粗苯酐管道采用夹套管伴热时，管道转向处不使用弯头，而是采用管材焊接成的三通形式，其中一端用盲法兰封住，当发生物料堵塞时打开盲法兰端对管道进行清理。在配管设计成“∏”型补偿时，将需要使用四个三通，管系布置会占用很大空间。项目进料管管径为 DN50，设计温度为 295 ℃，蒸汽夹套管管径选用 DN80，使用 6.6 MPa(G)蒸汽伴热。设计中对进料夹套管重点优先设计好走向，再考虑其他辅助管道；尽量减少管道转向以减少三通的设置，柔性设计宜采用自然补偿，同时注意留出转向处三通的检修空间。
3.2.2 再沸器的配管
塔釜回流液通过塔底循环泵送到用蒸汽加热的立式再沸器加热后，经返塔线回塔本体中，管道具有温度较高、管径大、流速高的特点。配管时既要考虑管道柔性问题，还要满足减少管道阻力降的要求。根据经验，将再沸器靠近塔器本体布置，塔本体的返塔线管口方位朝西布置，正对再沸器；再沸器向上的出口与返塔线管口只用一个弯头及两根短管连接，呈“L”型，以使再沸器的返塔管线最短。再沸器以四个弹簧支座支撑在框架梁上，解决了返塔管道的热补偿问题。
3.3 塔底的配管设计
塔底抽出液经管道进入轻组分塔塔底循环泵，管道设计温度为 260 ℃，管径为 DN300。出料管走势图见图 3。由于管道的设计温度较高，配管设计要求管道进行柔性设计以满足相关标准或规范的要求。另外塔底液抽出管道和泵相连，管道走向应尽量短且少拐弯，以减少阻力降，同时还需有足够的柔性以减少泵管嘴的应力。设计中将抽出液管口设置在塔本体南侧，管口对接法兰直接焊接弯头向西布置管道，管道利用框架梁设置支架，管道体系呈“U”型走向，消除抽出液管口应力。抽出液管道在两台循环泵前自上向下翻，一分为二进入两台循环泵，而且与泵前入口管道形成“L”型，泵前直管段采用弹簧支架支撑，以消除泵管口应力。设计中通过与应力专业的配合，改变管道走向并设置合适的支架及弹簧支架，以满足管道柔性要求。
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图 3 轻组分塔塔底出料管走势
4 结语
塔附属管道是塔器操作单元中的重要组成部分，合理的配管设计是塔器安全生产的保障。萘法制苯酐项目中苯酐为有毒介质，且常温下为固体，工艺管道需要夹套管蒸汽伴热，这对管道专业提出了更高的配管设计要求。通过对苯酐轻组分塔的配管设计实例，总结出管道专业进行配管设计时首先应满足工艺要求，同时遵循管道设计的一般原则，面对设计中的难题，与设备、管道材料及应力等专业通力配合解决，使配管设计更合理。
参考文献：
[1]张德姜, 王怀义, 刘绍叶. 石油化工装置工艺管道安装设计手册 (第一篇)[M]. 3 版. 北京: 中国石化出版社, 2004:142-161.
[2]宋岢岢. 压力管道设计及工程实例[M]. 北京：化学工业出版社，2007: 297-314.
论文作者:董孝石1,,苟志明2
论文发表刊物:《城镇建设》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/13
标签：管道论文; 组分论文; 塔顶论文; 冷凝器论文; 应力论文; 塔器论文; 柔性论文; 《城镇建设》2020年第4期论文;