抽提蒸餾塔與再沸器的平面布置及管道設計

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，其工藝設備布置及管路設計的優化有利于整個管系和設備的穩定運行。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備，而塔底再沸器為塔提供汽液兩相傳質所需的熱量。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計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，以環丁砜為抽提溶劑，利用溶劑對原料中各組分相對揮發度影響的不同，通過精餾實現芳烴與非芳烴分離。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，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。富集芳烴的液相進入溶劑回收塔，在塔內進行芳烴與溶劑的分離，回收的溶劑再進入抽提蒸餾塔循環使用[1]。為節省操作費用，使用品位和價格較低的冷劑和熱源，在抽提蒸餾塔塔釜處設置中段再沸器，同時減輕了塔底再沸器的熱負荷。

2 平面布置

塔與再沸器平面布置設計時應著重考慮以下因素: ①再沸器與塔體之間的距離應滿足工藝及管道布置要求; ②應考慮再沸器的吊裝及檢修的方便性。當再沸器的管道能夠滿足熱膨脹允許的條件時，應將再沸器盡量靠近塔體布置，以使管道最短，達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，依靠塔釜內的液體靜壓頭和再沸器內兩相流的密度差產生推動力形成熱虹吸式運動。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，因為此塔為抽提蒸餾塔，塔底主要為環丁砜溶劑，與一般烴類塔不同的是環丁砜不容易汽化。安裝高度越低，推動力越大，根據其物性平衡態來看，其汽化率過低，不能滿足重沸要求。根據現場經驗以及工藝計算結果，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返回管道應盡量短，管道專業根據實際設計情況將E-604放置于T-601周邊構架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，根據石油化工企業設計防火規范(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的單獨構架上，這樣不會受到設備質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 管道布置及支架設計

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固定在構架平臺上，那么直連管道可以看成是兩設備中心的定點配管。熱態下，由于塔和再沸器材質和溫度不同，會在豎直方向和管線軸向產生較大的熱應力，如果不采取有效的消除措施，可能會使連接的設備產生過大的應力或變形，影響設備的正常運行。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 豎向熱應力的消除措施

由于塔T-601和再沸器E-603材質和溫度不同，導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生較大的熱脹反力和彎矩，解決方法是在再沸器E-603四個支耳處設置彈簧支架，用來吸收熱膨脹，從而使設備口的力和力矩減小到允許的范圍內。另外可將T-601與安裝E-603的構架做成同一底板，使塔與構架基礎共沉降，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，增加了裝置的穩定性，經濟又安全。

3.2 軸向熱應力的消除措施

對于直連管道，由常溫(20℃)受熱后將沿軸向膨脹，產生的軸向應力，由應力應變關系式為：

σ=Etε=EtαtΔt

式中，Et為材料的彈性模量，MPa；

ε為軸向線應變，m/m；

αt為線膨脹系數，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，兩設備管口在此方向的作用力和管子的內應力都將很大。為了消除管口軸線方向上的熱應力，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。結合消除豎直方向應力方法—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，此時設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 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]。

為防止兩設備管口法蘭泄露，還需要采用當量壓力法[4]對法蘭進行泄漏校核，法蘭所受彎矩和軸向拉力所產生的當量壓力按下式計算:

式中，Peq為力和力矩產生的當量壓力，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為墊片的計算直徑，mm。

法蘭泄漏校核( 總當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為管道設計壓力;Pf為法蘭按溫壓曲線對應的壓力。

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

3.3 配管專業設計要點

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，應避開構架柱子及斜撐，并找到合適的支架生根點，滿足支撐要求。而立式再沸器E-603因放在構架平臺上，需要對平臺上部結構提出開洞要求，若存在膨脹節，開洞應考慮膨脹節大小。同時支耳大小以及管口方位也由配管專業提出，支耳大小應考慮彈簧支架不應與設備保溫外壁相碰，管口方位應滿足工藝要求并便于操作和檢修，在現場施工安裝時需要先吊裝設備再鋪設平臺。

4 結束語

結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，應按照工藝要求并在工藝校核后，確定再沸器的安裝高度。管道設計時在滿足管道盡量短的同時，解決設計過程中遇到的應力問題及解決方法，同時提出了設計中的注意事項，為同類設備的設計工作提供參考。

[1]李俊奎，張振泰，于新文，等. 環丁砜抽提蒸餾工藝在慶陽石化公司的應用[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備布置及管路設計[J]. 化肥設計，2011，49(3) : 27-29.

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

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

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