淺談甲醇裝置精餾塔及再沸器的布置

楊 光

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

在甲醇合成過程中，會發(fā)生一些副反應，生成雜質，甲醇精餾是獲得高濃度甲醇的重要工序，而該工序需通過經濟、合理的設備布置及管道設計才可被實際應用。

目前，甲醇精餾工藝多采用三、四塔工藝，本文以三塔甲醇精餾工藝流程為例進行介紹。三塔甲醇精餾工藝流程是由預精餾塔、加壓精餾塔和常壓精餾塔三塔組成。當環(huán)保要求較高時，應加入回收塔，減少廢水中的甲醇排放，使污水排放達到標準，分離出雜醇等餾分，得到精制甲醇。

1 甲醇精餾裝置的布置要點

圖1為某甲醇精餾裝置設備布置示意圖，下面主要針對該裝置的一般設備布置、精餾塔布置要點、精餾塔與再沸器的布置，以及常壓精餾塔(雙溢流板式塔)的管口方位，提出一些需要注意的設計要點。

圖1 某甲醇精餾裝置設備布置示意圖

1.1 甲醇精餾裝置設備的一般布置方案

甲醇精餾裝置布置的原則是：在滿足工藝流程的前提下，整體框架一般采用非封閉的鋼框架，設備采用露天布置，以防止可燃氣體的積聚，提高裝置安全性，并節(jié)省投資。

設備布置按照物料的流程順序，首先將荷載及占地較大的靜設備(如塔及儲槽)布置在裝置地面上。其次要根據(jù)再沸器形式和工藝要求，選擇再沸器的布置方式，一般要保證塔釜液液面與再沸器列管高度基本一致，當再沸器尺寸較小時，可將再沸器支撐于塔體上。此外，根據(jù)裝置特點可將再沸器布置于平臺/框架上，或是獨立支撐。一般將再沸器出口管線管口與返塔管線管口直接對接，減少直管段。

動設備泵或風機一般集中布置于裝置地面上，所有泵的出口中心線宜布置在同一條線上，方便泵的維護和檢修。內管廊布置于泵上方及框架一層之間的空間，這樣可以節(jié)省占地面積和空間，便于泵進出口管道布置，使管線最短以節(jié)省經濟成本。

在生產過程中，需要統(tǒng)一密閉收集排放的廢液甲醇，一般設置地下槽進行收集，地下槽的布置應該能夠保證裝置內所有廢液甲醇通過地下管網自流進入地下槽，并由液下泵送出裝置。地下槽布置在地坑內，地坑上部應設置防雨棚，防止雨水進入。

1.2 精餾塔布置要點

甲醇精餾塔一般由預精餾塔、加壓精餾塔和常壓精餾塔三塔構成，根據(jù)需要可增加回收塔，吸收排放廢水中的甲醇。

精餾塔布置示意圖見圖2。在精餾塔設備布置中，一般應優(yōu)先選擇靠近道路側布置，主要考慮：①塔的一側為配管區(qū)，另一側為檢修區(qū)，檢修區(qū)靠近通道，滿足塔的吊裝、塔內件(如塔板)及填料等的裝卸，塔的布置一般可排成一列；②塔的布置應遵循相關設計規(guī)定，盡量靠近框架，塔上的平臺盡量與框架連通，方便操作。

圖2 精餾塔布置示意圖

1.3 立式再沸器的支撐

再沸器是精餾裝置中的重要傳熱設備，為傳質和傳熱供給所需的能量，使塔釜液汽化后再返回塔內。

目前，在大多數(shù)工藝過程中，熱虹吸式再沸器使用較廣泛，而立式熱虹吸式再沸器結構緊湊、價格和安裝費用較低，故在滿足工藝要求的前提下，優(yōu)先考慮使用立式熱虹吸式再沸器。

該甲醇精餾裝置中三個塔分別采用了立式熱虹吸式再沸器的三種典型支撐形式：①鋼框架獨立支撐；②再沸器抱塔支撐；③鋼框架加彈簧獨立支撐。其中，第①種及第②種為再沸器剛性支撐，針對的是再沸器支耳高度可調節(jié)至塔與再沸器膨脹量相同的情況；第③種為再沸器彈簧支撐，針對的是再沸器與塔通過調節(jié)支耳高度無法達到膨脹量相同，或項目要求再沸器支撐處需考慮再沸器上部管口及閥門等的操作檢修及檢修平臺，無法隨意調整再沸器支耳高度的情況。

(1)鋼框架獨立支撐：如圖3所示，該裝置中加壓精餾塔再沸器由鋼框架獨立支撐，為典型的剛性支撐，其優(yōu)點是設備穩(wěn)定。在一定的工藝條件下，塔釜距氣相進口高度H1的熱膨脹量ΔH1為固定值(在該塔中，即為應力計算中160點的垂直位移量，計算結果為4.6mm)；再沸器上管板距再沸器氣相出口高度H3的熱膨脹量ΔH3也是固定值(即20點與10點之間的垂直位移量，為1.3mm)，當ΔH2+ΔH3=ΔH1時，即ΔH2=3.3mm時，塔和再沸器向上的熱膨脹量相等，一般設備管口即可滿足受力要求。根據(jù)ΔH2可以計算出H2的具體尺寸，也就是支耳所在位置。

圖3 再沸器與塔剛性支撐示意圖

在塔與再沸器的管線設計中需注意，工作狀態(tài)下再沸器管口除受垂直方向的應力外，在塔和再沸器連接的水平軸向方向也有熱膨脹引起的熱應力(該裝置中再沸器支撐點50點在工作工況下的水平軸DX向位移經計算為4.1mm)。如圖4所示，再沸器四個支耳上的螺栓孔需根據(jù)應力計算結果開成長圓形，通過再沸器的移動來吸收熱膨脹位移量ΔH4。

圖4 再沸器支耳螺栓孔開孔示意圖

當再沸器存在與水平軸向垂直的DZ向的位移時，也可將螺栓孔開成大圓孔，在支耳與螺母間墊鋼板進行固定。

(2)再沸器抱塔支撐：如圖5所示，該裝置中預精餾塔再沸器由附塔支架支撐，該種支撐方式用于某些標高較高且相對小型的再沸器。在該種支撐方式中，H1=H2+H3，但該種支撐需核算支架結構強度，還需核算支架生根處設備的筒體強度是否合適。

圖5 再沸器抱塔支撐

(3)鋼框架加彈簧獨立支撐：如圖6所示，該裝置中預精餾塔設備參數(shù)為Φ2400×16mm，材質為Q345R，操作溫度為76℃；再沸器設備參數(shù)為Φ900×12mm，材質為Q345R，殼程的設備操作溫度為152℃，兩者操作溫度差別較大。

圖6 某項目塔與再沸器各應力點受力圖

當再沸器在結構框架上采用剛性支撐時，經應力計算，某項目塔與再沸器各應力點受力見表1。由于操作溫度差別較大，當設備由冷態(tài)到熱態(tài)時，再沸器的垂直熱膨脹量要大于塔體的垂直熱膨脹量，再沸器向上頂，造成210點及250點在垂直方向上有較大的力，F(xiàn)y分別達到45217N及-61776N。

表1 某項目塔與再沸器各應力點受力表(1)(剛性支撐，不加彈簧)CASE3(HYD)WW+HP+H；CASE4(OPE)W+D1+T1+P1+H；CASE6(SUS)W+P1+H

而按照石油化工鋼制壓力容器的規(guī)定，根據(jù)表2[6]計算，210點及250點管口的許用軸向力為14400N，經向力為10800N，即210點所在管口在Fy方向上的許用力為10800N，250點在Fy方向上的許用力為14400N，遠小于再沸器剛性支撐時的管口力大小。因此，此種情況下在鋼結構框架上必須增加彈簧支架，以吸收設備的熱脹位移量差。增加彈簧后的計算結果見表3。管線外載荷示意圖如圖7所示。

表3 某項目塔與再沸器各應力點受力表(2)(剛性支撐，加彈簧)CASE3(HYD)WW+HP+H；CASE4(OPE)W+D1+T1+P1+H；CASE6(SUS)W+P1+H

圖7 管線外載荷示意圖

如表3所示,通過在再沸器的四個支耳處設置彈簧(一般選F型),經計算在工作情況下彈簧向下位移,塔和再沸器的設備管口210點,250點的作用力和力矩均滿足管口的受力要求。

當支耳下加彈簧時,一般再沸器支耳下不需固定螺栓,如圖8所示,將一層聚四氟乙烯板加在彈簧架上表面和再沸器支耳間,摩擦系數(shù)由鋼與鋼的0.3降為鋼與聚四氟乙烯的0.1,以防止再沸器支耳在工作狀態(tài)下的水平位移受到限制。

圖8 再沸器支耳立面示意圖

1.4 精餾塔的管口方位

該裝置中常壓精餾塔為雙溢流板式塔,其管口方位的確定具有典型性,下面針對其管口方位中工藝管口及管架的注意事項進行簡述。

如圖9所示,為進/出料管口建議方位。該裝置中雙溢流板式塔進出料口和回流口的管口的方向最好正中布置,使料液在塔盤上均勻分布,當條件不具備時可適當調整。

圖9 進/出料管口建議方位

該精餾裝置常壓精餾塔共24塊塔盤,位于塔體中段。物料管口自上到下分別為N1塔頂氣體出口,N2塔頂回流口,N3a/b粗甲醇物料進口,N6a-d測線出料口,N7氮氣進口,N4/N5為與再沸器相連的出入口,N8泵回流口,N15塔釜液出口。

根據(jù)圖10的工藝PID顯示,進料和出料為多個管口,要注意配管時將閥門盡量靠近管口,且閥門宜水平放置,閥門切斷時可減少管線中存液及死端。其中,N3a側線進料口;N6a、N6b側線出料口位于奇數(shù)塔板上,為保證進料在塔盤分布均勻,如圖11所示,將N6a-d置于0°,N3a/b位于180°。

圖10 某精餾塔進/出料部分工藝PID

圖11 某常壓精餾塔管口方位圖

在管口方位圖的布置中要同時考慮附塔管線的布置及支撐問題。確定好位于塔板處的工藝液體管口方位后,由于附塔管線特別是塔頂氣體餾出管線的管徑較大(DN>600),其余物料管口的方位確定需優(yōu)先考慮塔頂附塔管線位置及管架的位置。

當塔頂氣相管道受熱膨脹時,為了使塔頂氣相管口不受力,一般沿塔布置的管道距管口最近的第一個管架應設為承重架以承受管道荷載。由上至下依次設導向架防止管線搖擺,需應力計算的高溫管線應根據(jù)計算結果確定管架的位置。

如圖12、圖13所示,該常壓精餾塔塔頂氣相管(DN700)根據(jù)華陸管架企業(yè)標準(HUALU 1F18-4-2018),采用大管徑附塔管架CD203(B=1292,C=1159)及CE201(B=1166)。根據(jù)管徑計算出B、C值,在管口方位確定時提前在平面制圖軟件(如AutoCAD)中對管架進行模擬,避免在后面進行具體配管及具體管架設計時發(fā)生碰撞。

圖12 CD203管架(HUALU 1F18-4-2018)

圖13 CE201管架(HUALU 1F18-4-2018)

如圖14所示,為某項目附塔管架模擬圖及現(xiàn)場照片。確定好N1塔頂氣相管線走向及管架位置后,再根據(jù)空間位置確定其余工藝管線位置,最好將與平臺相鄰的管架貼板錯層布置,避免附塔管架的貼板或管架伸出型鋼相互碰撞。

圖14 某項目附塔管架模擬圖及現(xiàn)場照片

2 結語

精餾裝置中精餾塔和再沸器是裝置的核心設備,本文結合某精餾裝置,針對常用的立式熱虹吸式再沸器與塔的布置及再沸器的支撐方式進行了分析,考慮其穩(wěn)定性及安全性,再沸器的支撐應盡可能通過調整支耳位置的方式實現(xiàn)剛性支撐,當條件不具備時需選擇合適的彈簧,再沸器的支撐需綜合考慮其水平軸向應力。

精餾裝置中精餾塔的管口方位是設計重點,本文結合某精餾裝置中的雙溢流板式塔提出了管口方位設計中的一些常見問題和注意事項,為今后的設計提供了參考。