塔的管口方位设计浅析

    [摘 要]本文以某项目净化装置酸性气体脱除单元为基础，结合实际工作分析了配管工作中低温甲醇洗装置板式塔的管口方位设计方法和注意事项。

    酸性气体脱除的工艺流程是围绕装置内多台塔进行洗涤、闪蒸、热再生等操作，可以说塔是整个酸性气体脱除装置的核心，而配管工作中亦围绕塔开展，塔的配管是酸性气体脱除装置配管工作的重心和难点，尤其是管口方位的确定是配管专业的一项重要的工作，涉及到配管、工艺、设备等专业以及内件商的协商对接过程，管口方位设置的合理与否将直接影响塔的配管质量。近年来，酸性气体脱除处理气量不断增加，装置大型化和管道设备化对配管工作提出了更高的要求。本文通过某酸性气体脱除装置为例，结合塔内件分析低温甲醇洗板式塔管口方位设计中的常见问题和处理方法。

    1 基本要求
    在进行管口方位设计时，应详细了解工艺要求和塔的内部结构，塔体的开口方向应满足工艺要求并便于操作和检修，同时，应预先考虑与管口连接的管道的布置，管道的布置方式决定了最终的管口方位。通常，可将塔的四周大致划分为操作和检修所需的操作侧和管道侧，然而，由于甲醇洗塔内件的复杂和开口数量多，有时难以将上述两侧严格划分[1]。对于板式塔配管的基本要求为[2]：①满足 PID 要求；②每个人孔均能够安全顺利进入设备内检修；③操作平台无障碍；④管口、管道、管架、平台、吊耳之间无碰撞；⑤管口方位满足内件要求；⑥经济、整齐、美观。对于配管设计而言，一般按照由上至下规划，并首先考虑塔顶管道、大直径的管道和自流管道的走向，再布置压力管道和一般管道，最后考虑塔底管道和小直径管道。管口方位设计也应照此进行。

    对于不断大型化的酸性气体脱除装置而言，很多管口内都设置有分布器，分布器的设置使塔内件的布置更为紧凑，管口内接分布器后变换角度变得困难，使管口的可调整范围变小。目前设计院与供货商管口方位确认有两种做法[3]：一种是供货商提供管口方位给设计院，若无法满足再协商，另一种是设计院完成初步配管后返回给内件商确认，若无法满足要求，再修改配管。通常采用第二种方法。但为提高工作效率，在配管返回管口方位给内件商之前，最好进行一次工艺、配管、内件商和设备专业的协调会。

    2 管口方位的设置
    2.1 人孔方位
    人孔是为了安装和检修塔内件方便而设，在布置人孔时应从上至下，设置在操作侧且应尽量在管廊和框架背面，以方便内件的吊装和存放，同时，人孔应尽量在同一竖直线上，对于酸性气体脱除装置而言，塔高管口多，这有时点难以实现，可以在一定角度范围内适当调整。需要注意的是，不管是单溢流还是多溢流的板式塔，人孔应尽量平行于降液管且避开其支撑件，设置在鼓泡区上方，并避免将人孔设置在降液管或者受液槽区域范围内，尤其是塔径较小而具有多溢流的情况(如图 1)。
      同时，管道专业还应检查塔内件尤其是分布器及其支撑件是否阻挡人孔。分布器和其支管一般均设有支撑件，有的采用法兰同管口连接，若人孔背面上方设置有管口时应注意管口内连接的分布器支撑件有足够的焊接空间，且不裸露在人孔上沿，若空间不足且管口方向调整困难时可以将支撑结构修改为倒 U 型支撑(如图 2)；若人孔对面下方有管口时，应注意分布器及其支管不应超出人孔下沿，必要时可将分布器与管口的连接型式由法兰型式改为焊接从而降低管口高度。
      在人孔附近，或转动区域内能接近人孔，若空间足够，可以设置在人孔上方周围，但若上部空间过小时，由于人孔下方有平台，平台上爬梯和通道，导致吊柱偏离人孔范围过大，吊柱操作范围有限，不能到达尽可能多的平台或者人孔范围，因此应与工艺专业协商确定塔顶上部空间余量。当然，若上部空间过大，势必会造成塔成本的升高，因此，在此须有权衡。酸性气体脱除装置内的吸收塔、再吸收塔和热再生塔由于下塔一般设置有集液箱，因此可能出现集液箱上下人孔距离较近的情况，此时应将两人孔错开一定角度布置。同时，酸性气体脱除装置液位计数量多，尤其是集液箱处，有的泵抽出口设置有自控连锁三取二或双液位计，且部分液位计测量范围较大。人孔布置应和液位计下部阀门高度相近，这样设置平台时，容易同时兼顾到液位计上下切断阀的操作，上部阀门可以设置在爬梯旁。若人孔与液位计下接口错开高差过大，易造成阀门操作极不方便，平台设置不合理。因此，人孔设置时在一定高差范围内是可调节的，也应根据配管情况与工艺专业讨论确认。

    2.2 工艺管口方位
    酸性气体脱除装置内塔大多为板式塔，可能是单溢流、双溢流或者多溢流，进行管口方位设计时一个重要的步骤便是确定降液管位置，需要注意的是，对有集液箱的塔，集液箱下面的塔板降液管在塔内的位置可以旋转重新设置而不与降液管上方一致，这为塔下部的管口方位提供了方便。在初步确定人孔位置、塔板位置后，便可自上而下进行管口设计。
    管口一般分为进料口，回流口、抽出口、再沸器进出口(热再生塔和甲醇/分馏塔)、塔顶气相出口和塔底液相出口、液位计口、温度计口和压力计口。其中，塔顶和塔底管口的设置较为单一，一般需视设备布置和配管情况确定；液位计管口方位应注意不受回流介质及上层塔板降液管降液的影响，若同时有自控和就地液位计时应优先考虑自控液位计，同时，应充分利用平台和爬梯实现液位計的上下切斷閥操作和可視；温度计、压力计应综合塔内件位置采取稳定区间液相测温、气相测压的原则，同时温度计避免内伸管与降液管的碰撞。液位计、压力计的开孔方位若受上层塔板降液影响，管道专业应向设备提出在相应管口内部设置挡液板。
    其余类型管口的设置受塔板的溢流数影响较大，且受内部分布器型式的影响较大。在石油化工装置工艺管道安装设计手册中对各种类型管口在不同的塔板溢流数中的方位设计有较详细的介绍，这里不做累赘介绍，总体要求是管口在塔内部落液位置应远离降液管且尽量在受液槽附近，多溢流数时注意流体的均布，根据内部落液口与设备管口的连接情况在不碰撞降液管、支撑件等内件的前提下在配管区旋转调整设备管口位置。下面结合本酸性气体脱除装置中部分情况予以介绍。

    2.2.1 最下层塔板进料口
    酸性气体脱除装置中如 H2S 吸收塔、CO2吸收塔、再吸收塔、非变换气吸收塔在塔底都有工艺气体或气提氮气入口，气体进口一般不会做太过复杂的分布器，直接进入或一字型分布器为多。单溢流时，管口设置一般与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时，注意管口内部气体分布器应在最下面一块塔板受液槽正下方。

    2.2.2 最上层塔板进料口
    由于酸性气体脱除装置塔一般分上塔和下塔或者设有集液箱，此类管口不局限于塔顶管口，指塔顶或塔分隔后的第一块塔板。此类塔板在单溢流时垂直于降液管在受液槽位置进入，可以在较小角度内调整；若是多溢流时应平行于降液管从中间位置进入，同时内部设置分布管或者分布器，若空间足够可选用管口在分布管上方，这样，管口的方位则灵活，可以在布管范围内任意旋转。另外应注意集液箱下面的进液口，若有分布器时，应避免分布器主管与集液箱支撑梁及抽出斗的支撑筋板碰撞，此进液口与抽出斗应保持一定的角度为最宜。

    2.2.3 集液箱抽出口
    塔集液箱升气帽，一般为方形或圆形，且有多个，可能为单排，也可能为两排甚至多排，本甲醇洗装置内升气帽上方塔板均非单溢流，此时集液箱抽出管口有两种情况：①若升气帽顶部盖板和上部塔板受液盘支撑件在竖直方向重叠，即升气帽在降液管之间或者降液管在升气帽间隙中布置，为避免与降液管碰撞，此时具有升气帽的集液箱几乎不能旋转，则抽出口只能布置在垂直于降液板的方向，且在抽出口低点缺口范围内可调(如图 3)；②若升气帽与上部受液盘支撑件不重叠，则集液箱可以任意旋转，而不受升气帽方位的限制，则此时抽出口设置在缺口范围内与集液箱一起在任意方向可调。设置抽出口时应详细了解升气帽尺寸，旋转时尤其应注意升气帽盖板和上层液封盘支撑件的碰撞。
      2.2.4 上塔封头抽出口与下塔气体出口
    酸性气体脱除装置中，中压闪蒸塔、再吸收塔和热再生塔都分上塔和下塔，上塔一般利用封头与下塔分隔开来，上塔液体在封头上通过弯管引出，而下塔气体出口则在封头下方且在上塔抽出口的位置附近，下塔气体出口一般还设置有除沫器。因此在设置这两个管口的方位时，需了解内部除沫器的尺寸以及上塔液体出口与弯管的连接情况以避免它们之间碰撞，并考虑除沫器的检修，当除沫器资料不全时可取这两个管口角度不小于 90 度(如图4)。
      2.2.5 塔板间进料口
    在对塔板间管口方位设计时必须认真核对内管或分布器结构、塔板的降液管尺寸、高度、方位以及它们的支撑件尺寸和位置，确定之后才能进行管口方位设计。
    (1)单溢流时，管口设置较为简单，只要内管的落液口远离下层降液管，一般采取垂直于降液管进液，也可平行于降液管且靠近上层降液管外侧进入(此种情况管口不在中心线上，较少用到)。若这两个位置对于配管有困难，可以要求内件商在内管设置弯头，这样内管只要不与降液管碰撞，进液口的方位就可以在很大范围内调整。
    (2)多溢流时，若此塔板间仅有一个进料口，进料口多平行于降液管进料，当此方位不满足要求时，可以要求内件商将主管与支管设计为一定角度，此时管口在不碰撞降液管范围内可调。若进料口位于塔中心有降液管的塔板位置时，工艺专业在向设备专业设备条件时不会将入口设置为两个，此时从平行于降液管位置进料时会使内管占据降液管位置，一方面内管受降液的冲刷，另一方面内管或分布器会影响降液出现偏流，此时可要求内件商将分布器总管不伸到塔中心，尽早分为两股，在总管分支之前，降液管在管上部适当位置封闭，用导液管导入下层受液盘，以避免降液管液体对分布器的冲刷。
    (3)进料口处于同一标高时。再吸收塔管口众多，为降低成本，工艺专业可能将再吸收塔底部的部分管口设置在同一高度，在都具有分布器的情况下无论如何布置管口都会在内部碰撞，此时管道专业可以将两个管口方位设计成一定的角度，并要求内件商在内部将两个内管合并共用分布器。
    (4)单溢流变多溢流时。酸性气体脱除装置塔的溢流数可能变化，如其中热再生塔下塔，出现单溢流变多溢流，此处刚好是上塔甲醇进入下塔管口位置。由于单溢流为单管降液，而多溢流为多管降液，会涉及到流体在第一块多溢流塔板上的收集再分布。通常，内件商会在上层降液管的集液盘底部安装导液管，将液体导入此处分布器内部。因此，在确定此位置的管口方位时需确认上部单降液管与下部多降液管的方向以及管口所连接分布器的结构形式，以保证导液管能顺利进入分布器内。

    3 小结
    酸性气体脱除装置内塔的特点为板式塔居多，根据计算结果，单溢流、双溢流或多溢流均有可能，且管口众多，沿塔敷设管道数量大，作为工艺的下游专业，想要被动的一次性配管成功是难以实现的，越是被动不提要求，后期配管难度将更大，因此，应摒弃工艺专业提出塔初版条件就全盘接收的思维。在工艺专业设计出塔外形并提条件给设备专业和内件商时，很多尺寸均可调，内件亦是可旋转或者改变进料分布器型式均可实现管口方位的更改，作为配管专业，应首先对塔进行初步的管口布置和配管，对有困难的地方应提前做好充分准备，尽早向上游专业提出，否则早期配管研究效果有限；其次，应认真确认内件型式(包括溢流数、支撑件、分布器等)、尺寸及内件可能对管口布置产生的影响，在工艺、设备、管道和内件商对接讨论会时将所有问题均抛出讨论，确认每个管口方位，以在满足工艺、内件要求的前提下找到最有利于配管的管口方位。