雙溢流板式塔管口方位設計要點

張 松

（華陸工程科技有限責任公司）

塔是實現氣相和液相或液相和液相之間傳質傳熱的典型設備，廣泛應用于化工裝置中，是許多工段的關鍵設備。對于管道工程師來說，板式塔的配管設計往往是裝置配管設計的重點和難點，板式塔管口方位［1］的設計將直接影響塔配管的經濟性和合理性。雙溢流板式塔是眾多塔器中的一種，因其塔盤結構的特殊性，在化工裝置中得到了廣泛應用，筆者就雙溢流板式塔管口方位的設計進行探討。

1 雙溢流塔盤結構

雙溢流板式塔的塔盤，根據其結構特點主要分為兩種：中間降液塔盤、兩側降液塔盤（圖1）。

圖1 雙溢流塔盤結構

物料在塔盤間的流動情況如圖2所示。從圖中可以看出，液相自上而下以雙S形軌跡通過每塊塔盤，氣相自下而上豎直通過每塊塔盤。

圖2 雙溢流板式塔內物料流動軌跡

相比之下，傳統單溢流塔盤液相在塔內呈單S形軌跡。在設計管口方位時，單溢流塔盤可以在更寬泛的角度內進行選擇，塔盤對管口方位的限制相對較小，塔內件相對比較簡單。而雙溢流塔盤的上述特點，決定其內件相對比較復雜，在設計時，管口方位只能設置在某些特定的區域，這也是雙溢流塔管口方位設計的重點和難點。如塔徑較小，其管口方位的設計更是決定一個塔配管是否合理的關鍵因素。

2 進料口管口方位設計

根據塔工作原理，物料進塔后，應首先進入受液盤，液體在受液盤上積累，達到一定高度后從溢流堰進入降液區。如進料口處于降液區范圍，則液體將不通過本層塔盤而直接進入下層塔盤。相當于物料少經過一次傳質和傳熱，這對于工藝設計和配管設計來講是不合理的。因此，進料口方位的設計［2］需充分考慮塔盤的結構，保證每一塊塔盤均可以參與傳質傳熱。

常見的雙溢流塔進料口有兩種：直接進料方式；再分布器進料方式。

2.1 直接進料方式

直接進料方式是物料從管口入塔后，直接進入塔盤。對于雙溢流塔，無論是從中間降液塔盤進料，還是從兩側降液塔盤進料，其進料口能設置的區域均為兩個不連續的角度區間，如圖3所示。這與傳統單溢流塔有很大不同，可供設計的角度更小，管口變化的區間不連續，對角度的設計提出了更高的要求。

圖3 直接進料方式的進料口管口方位

2.2 再分布器進料方式

再分布器進料方式，物料從管口入塔后，經過再分布器將液體重新分配到塔盤。通常再分布器廠家在設計分布器時已考慮塔盤對于再分布器的影響，因此，進料口管口的方位往往只能設計在某個特定的角度，如與降液管平行或垂直的方向。如圖4所示的再分布器，廠家在設計時已充分考慮塔盤的寬度和受液面積，因此進料口的可分布范圍只能位于降液區平行方向。

圖4 有再分布器的進料口管口方位

實際工程中，有再分布器的進料口需要與再分布器的設計廠家充分溝通，尋求更合理的分布器形式和管口方位。

3 物料出口管口方位設計

3.1 中抽物料出口

因受液盤上的非降液區范圍內液相相對比較連續，且比較穩定，所以中抽物料出口通常位于塔盤的非降液區范圍內，如圖5所示。如物料出口位于降液區，會使液相出塔不連續，流態不穩定，對下游設備的運行造成不利影響。因此，在設計中抽物料管口的方位時，應充分考慮上層塔盤降液區的影響。

圖5 雙溢流板式塔中抽物料出口管口方位

從塔盤的結構不難看出，雙溢流塔盤中抽物料出口方位的設計受兩側降液區和中間降液區的雙重影響，可供選擇角度為4個不連續的角度區間，比傳統單溢流塔要求更苛刻，設計的精度和準確度要求更高。

3.2 底部塔盤物料出口

如物料出口位于最底部塔盤（圖6），液相不再進行進一步的降液，則液相出口的方位只能設計在最后一層塔盤上。

圖6 底部塔盤物料出口管口方位

4 人孔方位設計

雙溢流塔人孔方位設計［3］較單溢流塔來說，受塔內件的影響更大，既要考慮受液盤的兩個不連續角度區間，又需要綜合考慮塔外操作平臺和直爬梯的設置。實際上，人孔一般設置在非配管區域，也就是說人孔的方位通常與物料進出口的方位不在同一區間，這就表示人孔可供設計的角度進一步減小，通常對于兩側降液塔盤，這個區間不會超過90°（圖7）。對于中間降液塔盤，角度會適當放大。

圖7 人孔管口方位

某些特殊情況下，人孔可以與物料進出口處于同一區間，但仍需綜合考慮人員通行、操作平臺和爬梯及塔內件等因素的影響。人孔角度設計不單需要考慮人孔本身的尺寸，還需要考慮人孔蓋在打開的情況下是否會對周圍的管口或塔部件產生干涉。

5 儀表管口方位設計

塔上儀表管口主要有壓力計管口、溫度計管口和成對的液位計管口。

5.1 壓力計管口方位設計

壓力計主要測量氣相壓力，從圖2可以看出，雙溢流板式塔氣相存在于每塊塔盤下部的區域。但需要注意的是，若壓力計設置在塔盤下部的降液區范圍內，測得的壓力值會受到液體靜壓力和液體沖刷的影響，導致壓力值不準確，且不穩定。因此，對于雙溢流塔，其壓力計可供設計的角度為塔盤下，兩側降液區與中間降液區包裹的兩個不連續的角度區間（圖8）。

圖8 壓力計管口方位

同樣的，與人孔方位設計類似，壓力計通常設置在非配管區，便于操作人員進行觀察和檢修，故在設計時需要同操作平臺、直爬梯等協同考慮。

5.2 溫度計管口方位設計

溫度計主要用于測量液相溫度，從圖2可以看出，液相存在于塔盤上，故對于雙溢流塔來說，溫度計可供設計的角度如圖9所示。

圖9 溫度計管口方位

與人孔方位設計類似，溫度計通常設置在非配管區，便于人員觀察和檢修，故在設計時需要同操作平臺、直爬梯等協同考慮。

5.3 液位計管口方位設計

塔上的液位計管口主要用于測量液相的液位高度，往往成對出現，為避免降液對液位計讀數產生影響，液位計通常設置在塔盤非降液區范圍內。

對于雙溢流塔盤來說，液位計可供設計的區域如圖10所示。

圖10 液位計管口方位

塔上液位計有就地液位計和遠傳液位計。對于就地液位計，上下管口需保證在同一角度，同時，為了便于觀察，就地液位計不可穿平臺，故通常設置于直爬梯遠離平臺一側，靠近直爬梯；對于遠傳液位計，上下管口可設置在不同的角度，但仍需保證方便人員操作和檢修（圖11）。

圖11 遠傳液位計管口與就地液位計管口的方位設計

6 降液區寬度對管口方位的影響

降液區的寬度直接影響管口方位的設計。對于雙溢流塔，兩側降液區溢流堰的長度一般為塔徑的0.5～0.7；中間降液區寬度一般取200～300 mm，并盡量使中間降液區面積等于兩側降液區面積之和。

筆者提供一種降液管寬度近似的估算方法。設塔徑為D，兩側溢流堰長度為L1，中間降液區溢流堰長度為L2，兩側溢流堰圓心角為α1，中間溢流堰圓心角為α2，兩側溢流區面積為S1，中間溢流區面積為S2，如圖12所示。

圖12 降液區寬度近似計算

圖13 α1與α2關系曲線

由圖13可以看出，最終的塔盤尺寸會落在曲線的某個點上。設計之初，在沒有拿到降液區寬度具體數值的情況下，可根據圖13預估塔盤相關尺寸進行管口方位的設計。待塔盤最終尺寸確定后需要對管口方位進行復核和微調。

7 工程實例分析

某項目低溫甲醇洗工段H2S濃縮塔下段為雙溢流板式結構，如圖14所示，其中N7、N2、N3為進料口，A6、A10為人孔，N7設置有再分布器。根據設備布置，塔布置在框架的東側，故塔的西側設計為配管區。分析塔設備圖和內件廠家的建議，管口相對方位可以初步得到下列思路：

圖14 H2S濃縮塔下段設備圖

a.考慮塔的配管區，物料進出管口應設置在180～360°區間范圍內，人孔應設置在0～180°區間范圍內；

b.有再分布器的N7管口應與奇數塔盤中間降液區平行；

c.為給N2、N3管口提供更大的調整空間，奇數層的塔盤應盡可能設在配管區；

d.N2與N3高差較小，為便于配管，兩管口角度應盡量遠離。

根據上述幾點，初步規劃出塔盤方位和N2、N3、N7管口方位如圖15所示。

根據工藝流程，N3、N7管口對應的上游設備位于塔的西北側，N2管口對應的上游設備位于塔的西南側，考慮配管的經濟性，進一步縮小上述3個管口的設計范圍，如圖16所示。

圖16 根據上游設備位置確定的管口方位

N2、N3管口方位不僅需要考慮塔盤結構的影響，還需要考慮上層管口的附塔管線對其產生的影響。因N2和N3管口標高相對較低，在布置管口時應盡量將管口布置在靠近中間降液區的塔盤邊緣。通過降液區的寬度，核算并確定N3設置在340°，N2設置在200°，既可以滿足進料的工藝要求又可以保證附塔管線設置的合理性。

設計后期N3管口增加了再分布器，對于管口方位來說，僅需要將N3管口移至0°即可。

對于人孔A10，因位于最上層塔盤，不受上游降液區的影響，其可設置范圍相對較廣。人孔A6受上層偶數塔盤降液區的影響，其可設置范圍相對較窄（圖17）。

圖17 人孔方位

根據塔盤尺寸，結合塔平臺和爬梯的方位，最終確定A10管口位于90°，A6管口位于150°，如圖18所示。

圖18 管口方位圖

8 結束語

雙溢流板式塔的管口方位受塔板結構、管口用途、塔內件、爬梯和平臺、降液管寬度、配管區及附塔管線等多方面因素的影響。設計過程中需要統籌考慮，既要滿足工藝要求，又要考慮布置的合理性，同時還需要考慮設備吊裝和人員操作檢修的要求，只有更好地了解塔內件是如何影響管口方位的布置，才能更好地完成管口方位的設計。