抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计

山　东　化　工 收稿日期：２０１８－０２－２７作者简介：管晓玉（１９８４—），女，吉林农安人，工程师，硕士研究生，主要从事管道设计工作。

抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计管晓玉（中石化广州工程有限公司，广东广州　５１００００）摘要：以某公司０．５５Ｍｔ／ａ芳烃抽提装置为例，介绍了抽提蒸馏塔与其中段再沸器、塔底再沸器的平面布置及管道设计的特点。

满足工艺要求并在工艺校核后，确定再沸器的安装高度。

采用支耳处设置弹簧、取消螺栓孔以及增加聚四氟乙烯板等方法，来消除竖向和横向应力，为同类设备的管道设计工作提供参考。

关键词：抽提蒸馏塔；再沸器；平面布置；管道设计中图分类号：ＴＱ０５５．８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）０７－０１２４－０２ＬａｙｏｕｔａｎｄＰｉｐｉｎｇＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｔｒａｃｔｉｖｅＤｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎＴｏｗｅｒａｎｄＲｅｂｏｉｌｅｒＧｕａｎＸｉａｏｙｕ（ＳＩＮＯＰＥＣＧｕａｎｇｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆ０．５５Ｍｔ／ａａｒｏｍａｔｉｃｓｅｘｔｒａｃｔｕｎｉｔｔｏｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌａｙｏｕｔａｎｄｐｉｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｔｏｗｅｒ，ｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｒｅｂｏｉｌｅｒａｎｄｂｏｔｔｏｍｒｅｂｏｉｌｅｒ．Ｔｈｅｉｎｓｔａｌｌｉｎｇｈｅｉｇｈｔｏｆｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｒｅｂｏｉｌｅｒｎｅｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｄｅｍａｎｄｓａｎｄｃｈｅｃｋｉｎｇ．Ｕｓｉｎｇｓｐｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔ，ｃａｎｃｅｌｉｎｇｂｏｌｔｈｏｌｅｓａｎｄｐｕｔｔｉｎｇＰｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅａｔｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｌａｔｅｏｆｒｅｂｏｉｌｅｒｃａｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｖｅｒｔｉｃａｌａｎｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｓｅｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅａｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｉｐｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｓｉｍｉｌａｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｔｏｗｅｒ；ｒｅｂｏｉｌｅｒ；ｐｉｐｉｎｇｄｅｓｉｇ，；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌａｙｏｕｔ；ｐｉｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎ 在石油化工装置中，再沸器与精馏塔合用是常见的组合工艺，其工艺设备布置及管路设计的优化有利于整个管系和设备的稳定运行。

抽提蒸馏塔是芳烃抽提装置中分离芳烃与非芳烃的重要设备，而塔底再沸器为塔提供汽液两相传质所需的热量。

本文以某公司０．５５Ｍｔ／ａ芳烃抽提装置为例，介绍抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计中遇到的问题及解决方法。

１　工艺原理及流程某公司０．５５Ｍｔ／ａ芳烃抽提装置中，以环丁砜为抽提溶剂，利用溶剂对原料中各组分相对挥发度影响的不同，通过精馏实现芳烃与非芳烃分离。

溶剂和Ｃ６馏分在抽提蒸馏塔接触形成气液两相，由于溶剂与芳烃的作用力更强，使非芳烃富集于气相，于塔顶排出，芳烃富集于液相，于塔底排出。

富集芳烃的液相进入溶剂回收塔，在塔内进行芳烃与溶剂的分离，回收的溶剂再进入抽提蒸馏塔循环使用［１］。

为节省操作费用，使用品位和价格较低的冷剂和热源，在抽提蒸馏塔塔釜处设置中段再沸器，同时减轻了塔底再沸器的热负荷。

２　平面布置塔与再沸器平面布置设计时应着重考虑以下因素：①再沸器与塔体之间的距离应满足工艺及管道布置要求；②应考虑再沸器的吊装及检修的方便性。

当再沸器的管道能够满足热膨胀允许的条件时，应将再沸器尽量靠近塔体布置，以使管道最短，达到减少管道阻力的目的［２］。

在该装置中，再沸器均采用热虹吸再沸器，依靠塔釜内的液体静压头和再沸器内两相流的密度差产生推动力形成热虹吸式运动。

抽提蒸馏塔与再沸器的局部平面布置图如图１所示。

图１　芳烃抽提部分平面布置Ｆｉｇ．１　ＰｌｏｔｐｌａｎｏｆＡｒｏｍａｔｉｃｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐａｒｔ·４２１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１８年第４７卷　第７期２．１　抽提蒸馏塔中段再沸器平面布置抽提蒸馏塔中段再沸器（Ｅ－６０４）为卧式再沸器，安装高度不宜过低，因为此塔为抽提蒸馏塔，塔底主要为环丁砜溶剂，与一般烃类塔不同的是环丁砜不容易汽化。

安装高度越低，推动力越大，根据其物性平衡态来看，其汽化率过低，不能满足重沸要求。

根据现场经验以及工艺计算结果，比较理想的安装高度为抽出口距离重沸器中心线的垂直距离为２～３．５ｍ为宜，如图２所示。

为减少管道阻力，Ｅ－６０４返回管道应尽量短，管道专业根据实际设计情况将Ｅ－６０４放置于Ｔ－６０１周边构架ＥＬ＋１４０００层上。

图２　中段再沸器安装高度Ｆｉｇ．２　ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇｈｅｉｇｈｔｏｆｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｒｅｂｏｉｌｅｒ２．２　抽提蒸馏塔再沸器平面布置抽提蒸馏塔再沸器（Ｅ－６０３）采用侧面管口的立式再沸器，工艺要求Ｅ－６０３返回管线直管段最短，根据石油化工企业设计防火规范（ＧＢ５０１６０－２００８），可直接连接。

Ｅ－６０３直径为Φ１４００ｍｍ，长约７０００ｍｍ，体积相对较大，将其布置在靠近Ｔ－６０１的单独构架上，这样不会受到设备质量及安装条件的限制，并且再沸器的返回管线也具有较好的柔性。

３　管道布置及支架设计为了满足管道最短，减少管道压降，立式再沸器Ｅ－６０３与塔Ｔ－６０１的返回管线采用管道直连方式，如图３所示。

因Ｅ－６０３固定在构架平台上，那么直连管道可以看成是两设备中心的定点配管。

热态下，由于塔和再沸器材质和温度不同，会在竖直方向和管线轴向产生较大的热应力，如果不采取有效的消除措施，可能会使连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备的正常运行。

而Ｅ－６０４为顶部管口的卧式再沸器，塔与再沸器返回管道中带有弯头，柔性相对于直连管道较好，能够较好的解决热应力问题。

图３　立式再沸器与塔的管道布置Ｆｉｇ．３　ｐｉｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｖｅｒｔｉｃａｌ－ｔｙｐｅｒｅｂｏｉｌｅｒａｎｄｔｏｗｅｒ３．１　竖向热应力的消除措施由于塔Ｔ－６０１和再沸器Ｅ－６０３材质和温度不同，导致二者在竖直方向上膨胀量不同，因而容器的管口在竖向上将产生较大的热胀反力和弯矩，解决方法是在再沸器Ｅ－６０３四个支耳处设置弹簧支架，用来吸收热膨胀，从而使设备口的力和力矩减小到允许的范围内。

另外可将Ｔ－６０１与安装Ｅ－６０３的构架做成同一底板，使塔与构架基础共沉降，减少二者在竖向的位移差，特别对于塔与再沸器温度相同的装置，此种方法可以减少弹簧的使用，增加了装置的稳定性，经济又安全。

３．２　轴向热应力的消除措施对于直连管道，由常温（２０℃）受热后将沿轴向膨胀，产生的轴向应力，由应力应变关系式为：σ＝Ｅｔε＝ＥｔαｔΔｔ式中，Ｅｔ为材料的弹性模量，ＭＰａ；ε为轴向线应变，ｍ／ｍ；αｔ为线膨胀系数，由２０℃至℃的每ｍ升温１℃的平均线膨胀量，ｍ／ｍ·℃；Δｔ为管系的温升，℃。

再沸器Ｅ－６０３管程出口管道属性见表１。

表１　再沸器管程出口管道属性Ｔａｂｌｅ１　Ｐｉｐｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｏｆｔｕｂｅｓｉｄｅｏｕｔｌｅｔ管径壁厚／ｍｍ材质操作温度／℃操作压力／ＭＰａ设计温度／℃设计压力／ＭＰａＤＮ７００１８Ｑ２４５Ｒ１６９０．１６１８９０．３４ 当管线由２０℃升温至１６９℃时，取弹性模量Ｅｔ＝１．８８７×１０５ＭＰａ，线膨胀系数αｔ＝１２．１×１０６ｍ／ｍ·℃，则应力为σ＝３４０ＭＰａ，管线承受的应力较大。

管道对端点的推力为Ｆ＝π／４（Ｄ２ｏ－Ｄ２ｉ）·σ＝６７４５（ｋＮ）；端点承受的推力也很大。

因此当管道的热膨胀或端点位移受阻时会在管道内产生内力，该内力只与管道的温度、管材的线胀系数和管道的截面积有关，且成正比，而与管长无关。

如果管道不发生变形，管道内力将导致它对约束点施加一个推力，该推力等于管道的内力值。

由于Ｅ－６０３与Ｔ－６０１管口之间的工艺管线直连，一旦升温，管线在轴线方向的热膨胀如果受到限制，两设备管口在此方向的作用力和管子的内应力都将很大。

为了消除管口轴线方向上的热应力，将Ｅ－６０３支耳处的螺栓孔开成沿管线轴线方向的长圆形孔，允许再沸器在管线轴线方向有一定的位移。

结合消除竖直方向应力方法—在支耳处使用弹簧支架，因此可采用取消支耳处得螺栓孔来消除轴向应力，避免再沸器管道轴向变形受阻。

如果再沸器是采用刚性撑，此时设备管口所受管线轴线方向的力主要是由摩擦力引起，可以靠降低摩擦系数来减小摩擦力。

比较常用的方法是在支耳与弹簧支架间增加一层聚四氟乙烯板，将从钢对钢的０．３降为钢对聚四氟乙烯的０．１［３］。

为防止两设备管口法兰泄露，还需要采用当量压力法［４］对法兰进行泄漏校核，法兰所受弯矩和轴向拉力所产生的当量压力按下式计算：Ｐｅｑ＝１．６×１０４ＭπＤ３＋４ＦπＤ２式中，Ｐｅｑ为力和力矩产生的当量压力，ＭＰａ；Ｍ为法兰连接处承受的弯矩，Ｎ·ｍ；Ｆ为法兰连接处承受的轴向拉力，Ｎ；Ｄ为垫片的计算直径，ｍｍ。

（下转第１２７页）·５２１·管晓玉：抽提蒸馏塔与再沸器的平面布置及管道设计　第７期图２　侧视图图３　进料口详图３　具体实施方式下面结合附图对本装置作进一步说明。

如图１～３所示，本自动分层装置，包括筒体５、两侧平盖１、进料口２和出料口，平盖２与圆柱形筒体５密封连接，进料口２和出料口通过平盖１与筒体５相连，所述出料口包括有机相出料口８和水相出料口１０，有机相出料口８开设在相界面上方，有机相出料口８开设在平盖１上侧位置。

水相出料口１０开设在水相出料管９下端，水相出料管９外套有导流外管７，导流外管７上部与筒体５内壁密封连接，下部开口；水相出料管９上端不高于有机相出料口８。

水相出料管９与筒体５外壁间设有填料箱１４；水相出料管９上端高度可上下调节。

自动分层装置还包括强化分层装置，包括设在筒体５底部的圆柱形内筒３，进料口２通过进料管６与内筒３相连，进料管６轴线沿内筒３截面的圆切线方向。

导流外管７下部开口处距筒体５底部５０ｍｍ，有机相出料口８开设高度距筒体５顶部２００ｍｍ。

自动分层装置还包括筒体５顶部的备用口４和人孔１３，筒体５底部的排净口１２和鞍座１１。

鞍座１１在筒体底部起支撑固定的作用。

本产品的使用过程如下所述：在３，３＇－二氯联苯胺盐酸盐生产中需要进行水相（废碱液）和有机相（２．２＇－二氯氢化偶氮苯）的分离，将废碱液和２．２＇－二氯氢化偶氮苯的混合液体通过进料管６切线进料至内筒３，形成层状旋涡，促进筒体５内已有的废碱液和２．２＇－二氯氢化偶氮苯的混合液体的两相分层，并减小了对罐内已分层液体的冲击。