中石化上海工程有限公司 上海 200120
摘要：本文以某装置反应区洗涤/分离塔为例，考虑配管设计过程中工艺、设备和应力等诸多因素，详细阐述该塔管口方位选择的要点及步骤，逐层递进，相互关联，得出洗涤/分离塔管口方位布置的思路与步骤。
关键词：洗涤/分离塔；配管设计；管口方位
化工热力学中有一个派生词“熵”，为系统混乱程度大小的度量。[1]统筹规划各方面因素达到熵平衡状态即达到了稳定状态。管口方位的布置与工艺要求、后期的管道设计、设备预埋件、支吊架定位以及平台梯子定位等因素相互制约影响，并且随着设计进程的推进愈加复杂混乱，整个过程如同一个寻求熵平衡的过程。
1 概述
洗涤/分离塔位于某装置反应区中，具有洗涤和分离的功能。反应生成的产品气体中含有二氧化碳和水等杂质，经气-气换热器，及洗涤/分离塔进料/釜液换热器（E-104）进一步冷却后，自A1/A2管口进入产品洗涤塔/分离罐（C-101）的洗涤部分，与循环水逆流接触，环氧乙烷被水吸收，同时少量的其它轻组份气体，也溶解在洗涤水中，这些气体将在低压产品吸收塔中被从塔顶脱除，并被压缩后返回到产品洗涤/分离塔的顶部，副产物水在产品洗涤/分离塔的洗涤部分被冷凝。溶解有产品的富吸收水经E-104与洗涤/分离塔的进料气换热后，经吸收水闪蒸罐低压闪蒸后，在汽提/精馏塔中解吸出产品。
来自产品洗涤/分离塔顶的循环气体与来自尾气压缩机（K-301）的气体混合经过产品洗涤/分离塔底的分离罐，送入循环气压缩机，压缩增压，补偿在反应循环过程中的压力损失。
洗涤/分离塔塔高超过43m，塔径5.4m，塔体分成洗涤段和分离段。装置中的物料包含碳酸、醛类和有机酸等，对碳钢材料腐蚀比较严重，设备壳体选用不锈钢材料，塔内件全部用不锈钢。塔内件（包括填料、分布器、集油箱、除沫器、内部进料管等可拆件及紧固件）
洗涤部分，A1/A2入口物料与塔顶B口进入的贫吸收水现在两层塔板接触洗涤，后物料经三层填料层洗涤，轻组分从塔顶E口离开，自H口进入塔底分离部分；重组分在洗涤/分离塔内集中从D口出料。
洗涤/分离塔位于反应区101框架南侧，东接装置主管廊，南侧为压缩机框架。
2 管口方位布置
根据洗涤/分离塔周围设备布置，将塔周分为两个区域，一个是操作区，另一个是配管区[2]，管道应布置在配管区，仪表、人孔和梯子应布置在操作区。
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附图1.塔设备平面布置图
参照附图1的设备布置图，洗涤/分离塔的北侧为主装置，东侧为主管廊，是装置管道贯通区域，与洗涤/分离塔相接的进出管线应在这个区域布置；洗涤/分离塔的西侧与界区之间为空地，南侧与压缩机框架距离稍远，可以作为吊装检修等的空地。根据以上对比，对洗涤/分离塔塔周进行划分，初步分出操作区和配管区。
洗涤/分离塔上林林总总管口有43个，其中物料进出口9个，人孔7个，仪表口16个，放空以及设备自带管口若干。如此众多的管口，分布在不同的层高，对管口方位的选择上需要遵守“先后主次”。
布置管口方位时候，首要考虑的是有工艺要求的管口，根据这些管口的方位确定洗涤/分离塔塔盘的方向，进而确定整个塔的“方向”。其次，确定与塔内件相关联的管口方位；仪表的液位计、压力表等由于管口众多且有对应布置、操作检修的要求，应当规划布置的范围。按照配管设计和应力计算的结果确定其他管口方位。管道的布置应与人孔、仪表、吊柱、平台及梯子统一布置，管道布置应从塔的顶部到底部进行规划，并应优先布置塔顶管道、大直径管道和有特殊要求的管道[3]。
2.1 有工艺要求的管口
洗涤/分离塔用于除去粗产品中的二氧化碳和水，塔体中间的A1/A2进料管口，位于第一层塔板（塔板自下而上编号），经换热器（E-104）冷却后的产品粗产品通过A1/A2进入洗涤/分离塔。没有塔底再沸器，进料管口的方位直接影响塔板的布置。对于这种中部进料的工况，需要特别注意进料流体的组成，液体和混相进料必须使流体流经进料所在的塔盘，而气相进料则要保证流体均匀通过上层塔盘[4]。
塔板布置如图2所示，为了均匀布置的要求，A1和A2管口应分布于降液板的两侧沿塔轴线对称布置，并且连接A1/A2的管道也要求完全对称，使物料平稳的进入洗涤/分离塔，稍有偏差可能造成洗涤/分离塔塔板不稳。
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附图2.洗涤/分离塔塔板布置
由附图1的设备平面布置图可知，换热器（E-104）与洗涤/分离塔（C-101）在一个竖直方向上，其出料管口正对洗涤/分离塔，可以将A1/A2管口如图3布置以满足完全对称布置的要求。
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附图3.A1/A2管口布置
经洗涤的物料轻组分自洗涤/分离塔顶部的E管口进入底部分离段的H口，在分离段中经除沫器除沫后从K管口出，进入压缩机。根据工艺要求，K口位于除沫器的下游，而H口位于除沫器的上游，为了达到最好的除沫效果，物料轻组分正对除沫器，H和K口呈180°相对布置，从而使物料轻组分与除沫器接触的作用面最大。
连接压缩机的管道应尽量短，少打弯，以减少振动。压缩机位于洗涤/分离塔的南侧，故K口应尽量偏向南侧。可将K口布置在180°，相对的H口布置在了0°。
E和H连通布置，造成管道与A1/A2入口管线碰撞，且E和H管口DN1050，管道对于设备管口的作用力较大。洗涤/分离塔本体采用304碳钢材质，E-H连接管道采用不锈钢材质，不同材质的连接，材料的膨胀系数不同造成拉伸变形导致超出合理的应力变形，管道应力消除成为一个重点考虑的因素。通过改变管道走向，增加管道柔性，同时在距离上封头500mm的位置设置固定支架，避免E管口与管道的连接因应力过大造成脱离；参照管道跨距的要求[5]沿塔设置E-H连通管的导向支架；在管道打弯前设置的管道支架应当与弯头之间留出2~3m的距离，即留出足够管道变形的空间。布置管道支架时根据支撑点的位置、管道尺寸及支架选型等确定预埋件的位置大小。E-H连通管需要较大的布置空间，因而将H管口布置在配管区的90°，相对的K管口布置在270°。
根据以上分析得出如图4所示的重要物料管口方位分布。
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附图4.重要物料管口方位
2.2 与塔内件相关的管口
B为贫吸收水进料管口，DN400，位于第一层填料层上方，为主进料管口，贫吸收水沿填料床层，塔板次第向下与A1/A2进料作用，吸除物料中的二氧化碳和水分。M7人孔，DN800，与B管口在相同高度，用于B管口的抽芯、检修以及填料装填等操作。根据塔内件填料层的图纸，两个管口布置在相对的位置。由于主管与支管连接处整体结构较大，无法从DN600的人孔出入，根据设备的核算调整将M7人孔放大至DN800。
B管口应位于配管区，所连管道沿着塔体向下延伸，并伴有管道支架，增加设备预埋件，为了避让E-H连通管，B口选择45°，可以在±10°以内调整。相应的M7选在225°，相应调整。
M4人孔位于第二层塔板的的高度，塔板的方向已经确定，人孔最佳方位时与塔板降液管平行的位置，即45°或225°，这个方位具有最大的检修空间。当人孔布置在最佳方位存在困难时，人孔可以在45°或225°向两侧偏移，但人孔最外缘与降液管的最小距离不得小于50mm。人孔布置于操作区，故而将M4布置在225°，并可在±5°调整。[6]
2.3 仪表管口
仪表管口布置于操作区，应成排布置，各管口之间间隙应满足不影响根部阀操作的要求，管口尽量上下对应，有连通管的要注意避让操作平台。
塔上的压力取压点应设在气相区，同一处测压点上压力表和压力变送器可合用一个取压口，当同一处测压口上有2台或2台以上压力变送器时，应分别设置取压口及根部阀。
P1/P2为洗涤/分离塔上的压力表管口，由于产品物料容易积聚的特殊性，将管口斜45°布置于塔体上，避免在压力管口的位置积聚堵塞。两个测压点延伸到同一处测压，P2位于塔顶焊缝下方400mm，P1位于第一层塔板下方300mm，高差29200mm，仪表自带的毛细管长度最大为20000mm，两个测压点通过引压管引至塔顶，完成如图5所示的布置，这样的布置也更加便于操作检修。引压管应靠近梯子布置，并以梯子为支撑沿塔引到塔顶平台，P1和P2的方位在梯子平台确定以后选择就近布置。
塔底的液位计管口由于是底部封头出口，管口“J”形引出，各管口之间错开的距离还应满足设备管口制作的要求。
2.4 其他管口
C管口靠近塔顶的位置，连接管道由压缩机引出，需要附塔攀爬一段，将该管线和E-H连通的管道就近布置，利用大管道的附塔支架预埋件，为管道提供支撑。E-H管道的东侧由于打弯的走向要求不适宜布置C口，故而在避开预埋件基础上，就近的将C口定位在205°。
D管口，尺寸为DN450，位于EL.5850，与101框架的换热器相连，操作温度达到了87℃，选择0°与换热器直接对接的布置不符合管道柔性要求，调整管道走向以增加柔性，选择稍偏离的角度即315°~45°以满足应力的要求。
人孔虽然没有后期管道布置的要求，但是为了便于操作和检修，对平台和梯子的设置很重要，是确定管口方位最重要的的依据。塔的人孔应设在塔的操作区内，并宜设在同一方位上[7]。M1位于EL.3700，M2位于EL.5300，两者高差不足2200mm不能满足净空的要求，需要错开布置。其他的人孔根据人孔布置的一般原则，在操作区中尽量成一直线布置，同时根据平台梯子布置的要求适当调整。
塔底布满了大大小小的管口，包括众多的仪表和两个人孔，以及设备自身带有的检查孔等。如果一味的均布会造成塔体底部各个方向均有孔，设备强度受损，仪表口等的操作也不够方便。依然按照逐层推进、相互制约的方式确定管口方位。
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附图6.洗涤/分离塔管口方位图
综合以上的分析和讨论得出如附图6所示的管口方位分布图。
3 结论
通过对工艺要求、设备布置、设备仪表条件、应力计算、管道布置、支吊架选择以及平台梯子设置等诸多因素的对比，判断先后主次，总结出如下选择步骤：
a．根据设备布置情况将塔周围划分成配管区和操作区；
b．布置有工艺要求的管口，通过逐层考量工艺要求、塔设备自身条件、管道走向选择等确定管口方位；
c．布置与塔内件相关的管口方位，如位于填料层上方、塔板附近的人孔；
d．布置仪表管口，应满足工艺、设备、仪表的特殊要求，进而依平台、梯子的位置确定管口方位；
e．布置其他的管口，避让已确定方位的管口及可能碰撞的管道、设备预埋件等，人孔的选择要考虑操作、检修的要求，与梯子平台的设置相互影响；
f．所有管口方位确定以后检查是否与设备检查孔等有冲突，并进行相应调整。
以上分析总结主要针对塔器管口方位的配管设计，以期为相似的配管设计提供参考。
参考文献：
1 陈新志，蔡振云，胡望明。化工热力学。北京，化学工业出版社。2005。149.
2隋明哲。论石油化工装置塔的管道布置。山东化工。2013.42（7）：135-138
3 石油化工金属管道布置设计规范，SH 3012-2011：5。
4刘纯玲，浅谈石化装置双溢流板式塔管口方位的确定，石油化工设计，2016，33（1），24~29.
5 王怀义，石油化工管道安装设计便查手册，北京，中国石化出版社，2010，860~898.
6曹立群，板式塔人孔方位确定及平台设置，化工设计，2015，25（1），38~40.
7 彭嘉一，蔡文婷。石油化工装置中塔的管道设计要点。价值工程，2011.03：292.
[作者简介]李闻杰（1987-），女，硕士研究生，工程师，电话021-59366600，电邮liwenjie.ssec@sinopec.com.