雙溢流板式塔管口方位設(shè)計(jì)要點(diǎn)

張 松

（華陸工程科技有限責(zé)任公司）

塔是實(shí)現(xiàn)氣相和液相或液相和液相之間傳質(zhì)傳熱的典型設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工裝置中，是許多工段的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于管道工程師來說，板式塔的配管設(shè)計(jì)往往是裝置配管設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，板式塔管口方位［1］的設(shè)計(jì)將直接影響塔配管的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)的特殊性，在化工裝置中得到了廣泛應(yīng)用，筆者就雙溢流板式塔管口方位的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 雙溢流塔盤結(jié)構(gòu)

雙溢流板式塔的塔盤，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為兩種：中間降液塔盤、兩側(cè)降液塔盤（圖1）。

圖1 雙溢流塔盤結(jié)構(gòu)

物料在塔盤間的流動(dòng)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(nèi)物料流動(dòng)軌跡

相比之下，傳統(tǒng)單溢流塔盤液相在塔內(nèi)呈單S形軌跡。在設(shè)計(jì)管口方位時(shí)，單溢流塔盤可以在更寬泛的角度內(nèi)進(jìn)行選擇，塔盤對(duì)管口方位的限制相對(duì)較小，塔內(nèi)件相對(duì)比較簡(jiǎn)單。而雙溢流塔盤的上述特點(diǎn)，決定其內(nèi)件相對(duì)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)，管口方位只能設(shè)置在某些特定的區(qū)域，這也是雙溢流塔管口方位設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如塔徑較小，其管口方位的設(shè)計(jì)更是決定一個(gè)塔配管是否合理的關(guān)鍵因素。

2 進(jìn)料口管口方位設(shè)計(jì)

根據(jù)塔工作原理，物料進(jìn)塔后，應(yīng)首先進(jìn)入受液盤，液體在受液盤上積累，達(dá)到一定高度后從溢流堰進(jìn)入降液區(qū)。如進(jìn)料口處于降液區(qū)范圍，則液體將不通過本層塔盤而直接進(jìn)入下層塔盤。相當(dāng)于物料少經(jīng)過一次傳質(zhì)和傳熱，這對(duì)于工藝設(shè)計(jì)和配管設(shè)計(jì)來講是不合理的。因此，進(jìn)料口方位的設(shè)計(jì)［2］需充分考慮塔盤的結(jié)構(gòu)，保證每一塊塔盤均可以參與傳質(zhì)傳熱。

常見的雙溢流塔進(jìn)料口有兩種：直接進(jìn)料方式；再分布器進(jìn)料方式。

2.1 直接進(jìn)料方式

直接進(jìn)料方式是物料從管口入塔后，直接進(jìn)入塔盤。對(duì)于雙溢流塔，無論是從中間降液塔盤進(jìn)料，還是從兩側(cè)降液塔盤進(jìn)料，其進(jìn)料口能設(shè)置的區(qū)域均為兩個(gè)不連續(xù)的角度區(qū)間，如圖3所示。這與傳統(tǒng)單溢流塔有很大不同，可供設(shè)計(jì)的角度更小，管口變化的區(qū)間不連續(xù)，對(duì)角度的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

圖3 直接進(jìn)料方式的進(jìn)料口管口方位

2.2 再分布器進(jìn)料方式

再分布器進(jìn)料方式，物料從管口入塔后，經(jīng)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(shè)計(jì)分布器時(shí)已考慮塔盤對(duì)于再分布器的影響，因此，進(jìn)料口管口的方位往往只能設(shè)計(jì)在某個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮塔盤的寬度和受液面積，因此進(jìn)料口的可分布范圍只能位于降液區(qū)平行方向。

圖4 有再分布器的進(jìn)料口管口方位

實(shí)際工程中，有再分布器的進(jìn)料口需要與再分布器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

3.1 中抽物料出口

因受液盤上的非降液區(qū)范圍內(nèi)液相相對(duì)比較連續(xù)，且比較穩(wěn)定，所以中抽物料出口通常位于塔盤的非降液區(qū)范圍內(nèi)，如圖5所示。如物料出口位于降液區(qū)，會(huì)使液相出塔不連續(xù)，流態(tài)不穩(wěn)定，對(duì)下游設(shè)備的運(yùn)行造成不利影響。因此，在設(shè)計(jì)中抽物料管口的方位時(shí)，應(yīng)充分考慮上層塔盤降液區(qū)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(jié)構(gòu)不難看出，雙溢流塔盤中抽物料出口方位的設(shè)計(jì)受兩側(cè)降液區(qū)和中間降液區(qū)的雙重影響，可供選擇角度為4個(gè)不連續(xù)的角度區(qū)間，比傳統(tǒng)單溢流塔要求更苛刻，設(shè)計(jì)的精度和準(zhǔn)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(jìn)行進(jìn)一步的降液，則液相出口的方位只能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

雙溢流塔人孔方位設(shè)計(jì)［3］較單溢流塔來說，受塔內(nèi)件的影響更大，既要考慮受液盤的兩個(gè)不連續(xù)角度區(qū)間，又需要綜合考慮塔外操作平臺(tái)和直爬梯的設(shè)置。實(shí)際上，人孔一般設(shè)置在非配管區(qū)域，也就是說人孔的方位通常與物料進(jìn)出口的方位不在同一區(qū)間，這就表示人孔可供設(shè)計(jì)的角度進(jìn)一步減小，通常對(duì)于兩側(cè)降液塔盤，這個(gè)區(qū)間不會(huì)超過90°（圖7）。對(duì)于中間降液塔盤，角度會(huì)適當(dāng)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(jìn)出口處于同一區(qū)間，但仍需綜合考慮人員通行、操作平臺(tái)和爬梯及塔內(nèi)件等因素的影響。人孔角度設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)周圍的管口或塔部件產(chǎn)生干涉。

5 儀表管口方位設(shè)計(jì)

塔上儀表管口主要有壓力計(jì)管口、溫度計(jì)管口和成對(duì)的液位計(jì)管口。

5.1 壓力計(jì)管口方位設(shè)計(jì)

壓力計(jì)主要測(cè)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(qū)域。但需要注意的是，若壓力計(jì)設(shè)置在塔盤下部的降液區(qū)范圍內(nèi)，測(cè)得的壓力值會(huì)受到液體靜壓力和液體沖刷的影響，導(dǎo)致壓力值不準(zhǔn)確，且不穩(wěn)定。因此，對(duì)于雙溢流塔，其壓力計(jì)可供設(shè)計(jì)的角度為塔盤下，兩側(cè)降液區(qū)與中間降液區(qū)包裹的兩個(gè)不連續(xù)的角度區(qū)間（圖8）。

圖8 壓力計(jì)管口方位

同樣的，與人孔方位設(shè)計(jì)類似，壓力計(jì)通常設(shè)置在非配管區(qū)，便于操作人員進(jìn)行觀察和檢修，故在設(shè)計(jì)時(shí)需要同操作平臺(tái)、直爬梯等協(xié)同考慮。

5.2 溫度計(jì)管口方位設(shè)計(jì)

溫度計(jì)主要用于測(cè)量液相溫度，從圖2可以看出，液相存在于塔盤上，故對(duì)于雙溢流塔來說，溫度計(jì)可供設(shè)計(jì)的角度如圖9所示。

圖9 溫度計(jì)管口方位

與人孔方位設(shè)計(jì)類似，溫度計(jì)通常設(shè)置在非配管區(qū)，便于人員觀察和檢修，故在設(shè)計(jì)時(shí)需要同操作平臺(tái)、直爬梯等協(xié)同考慮。

5.3 液位計(jì)管口方位設(shè)計(jì)

塔上的液位計(jì)管口主要用于測(cè)量液相的液位高度，往往成對(duì)出現(xiàn)，為避免降液對(duì)液位計(jì)讀數(shù)產(chǎn)生影響，液位計(jì)通常設(shè)置在塔盤非降液區(qū)范圍內(nèi)。

對(duì)于雙溢流塔盤來說，液位計(jì)可供設(shè)計(jì)的區(qū)域如圖10所示。

圖10 液位計(jì)管口方位

塔上液位計(jì)有就地液位計(jì)和遠(yuǎn)傳液位計(jì)。對(duì)于就地液位計(jì)，上下管口需保證在同一角度，同時(shí)，為了便于觀察，就地液位計(jì)不可穿平臺(tái)，故通常設(shè)置于直爬梯遠(yuǎn)離平臺(tái)一側(cè)，靠近直爬梯；對(duì)于遠(yuǎn)傳液位計(jì)，上下管口可設(shè)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(yuǎn)傳液位計(jì)管口與就地液位計(jì)管口的方位設(shè)計(jì)

6 降液區(qū)寬度對(duì)管口方位的影響

降液區(qū)的寬度直接影響管口方位的設(shè)計(jì)。對(duì)于雙溢流塔，兩側(cè)降液區(qū)溢流堰的長(zhǎng)度一般為塔徑的0.5～0.7；中間降液區(qū)寬度一般取200～300 mm，并盡量使中間降液區(qū)面積等于兩側(cè)降液區(qū)面積之和。

筆者提供一種降液管寬度近似的估算方法。設(shè)塔徑為D，兩側(cè)溢流堰長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，中間降液區(qū)溢流堰長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，兩側(cè)溢流堰圓心角為α1，中間溢流堰圓心角為α2，兩側(cè)溢流區(qū)面積為S1，中間溢流區(qū)面積為S2，如圖12所示。

圖12 降液區(qū)寬度近似計(jì)算

圖13 α1與α2關(guān)系曲線

由圖13可以看出，最終的塔盤尺寸會(huì)落在曲線的某個(gè)點(diǎn)上。設(shè)計(jì)之初，在沒有拿到降液區(qū)寬度具體數(shù)值的情況下，可根據(jù)圖13預(yù)估塔盤相關(guān)尺寸進(jìn)行管口方位的設(shè)計(jì)。待塔盤最終尺寸確定后需要對(duì)管口方位進(jìn)行復(fù)核和微調(diào)。

7 工程實(shí)例分析

某項(xiàng)目低溫甲醇洗工段H2S濃縮塔下段為雙溢流板式結(jié)構(gòu)，如圖14所示，其中N7、N2、N3為進(jìn)料口，A6、A10為人孔，N7設(shè)置有再分布器。根據(jù)設(shè)備布置，塔布置在框架的東側(cè)，故塔的西側(cè)設(shè)計(jì)為配管區(qū)。分析塔設(shè)備圖和內(nèi)件廠家的建議，管口相對(duì)方位可以初步得到下列思路：

圖14 H2S濃縮塔下段設(shè)備圖

a.考慮塔的配管區(qū)，物料進(jìn)出管口應(yīng)設(shè)置在180～360°區(qū)間范圍內(nèi)，人孔應(yīng)設(shè)置在0～180°區(qū)間范圍內(nèi)；

b.有再分布器的N7管口應(yīng)與奇數(shù)塔盤中間降液區(qū)平行；

c.為給N2、N3管口提供更大的調(diào)整空間，奇數(shù)層的塔盤應(yīng)盡可能設(shè)在配管區(qū)；

d.N2與N3高差較小，為便于配管，兩管口角度應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

根據(jù)上述幾點(diǎn)，初步規(guī)劃出塔盤方位和N2、N3、N7管口方位如圖15所示。

根據(jù)工藝流程，N3、N7管口對(duì)應(yīng)的上游設(shè)備位于塔的西北側(cè)，N2管口對(duì)應(yīng)的上游設(shè)備位于塔的西南側(cè)，考慮配管的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步縮小上述3個(gè)管口的設(shè)計(jì)范圍，如圖16所示。

圖16 根據(jù)上游設(shè)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(jié)構(gòu)的影響，還需要考慮上層管口的附塔管線對(duì)其產(chǎn)生的影響。因N2和N3管口標(biāo)高相對(duì)較低，在布置管口時(shí)應(yīng)盡量將管口布置在靠近中間降液區(qū)的塔盤邊緣。通過降液區(qū)的寬度，核算并確定N3設(shè)置在340°，N2設(shè)置在200°，既可以滿足進(jìn)料的工藝要求又可以保證附塔管線設(shè)置的合理性。

設(shè)計(jì)后期N3管口增加了再分布器，對(duì)于管口方位來說，僅需要將N3管口移至0°即可。

對(duì)于人孔A10，因位于最上層塔盤，不受上游降液區(qū)的影響，其可設(shè)置范圍相對(duì)較廣。人孔A6受上層偶數(shù)塔盤降液區(qū)的影響，其可設(shè)置范圍相對(duì)較窄（圖17）。

圖17 人孔方位

根據(jù)塔盤尺寸，結(jié)合塔平臺(tái)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(jié)束語

雙溢流板式塔的管口方位受塔板結(jié)構(gòu)、管口用途、塔內(nèi)件、爬梯和平臺(tái)、降液管寬度、配管區(qū)及附塔管線等多方面因素的影響。設(shè)計(jì)過程中需要統(tǒng)籌考慮，既要滿足工藝要求，又要考慮布置的合理性，同時(shí)還需要考慮設(shè)備吊裝和人員操作檢修的要求，只有更好地了解塔內(nèi)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(shè)計(jì)。