塔底重沸器的管道設計探討

吳利平

(中石化洛陽工程有限公司 配管室，河南 洛陽 471003)

在石油化工裝置中，重沸器是必不可少的傳熱設備。它的作用是使塔釜液相部分氣化后返回塔內，為傳質傳熱過程提供所需要的能量。目前主要使用的形式包括釜式、強制循環式及熱虹吸式。在大多數的工藝過程中，熱虹吸式重沸器已成為廣泛被采用重沸器類型。熱虹吸式重沸器適用于介質粘度小、干凈、氣化率<30%、傳熱面積<55 m2的狀況[1]。

熱虹吸式重沸器的原理如下：重沸器安裝位置低于塔底標高而形成的定位差，使塔底液體自動流出，并經由重沸器底部流入重沸器，重沸器內部分液體被加熱汽化形成氣液混合物，密度顯著變小，從而在重沸器的入口和出口產生靜壓差，工藝流體不用泵就可以自然循環回塔，完成操作。在操作狀態下，金屬管道會因溫度升高而熱脹，較冷態比，對設備管口造成較大的推力和力矩。不合理的管道布置會無法滿足管道的熱脹要求，從而使設備的受力超過其允許值，損壞設備管口引發介質的泄露，進而造成事故。因此，為保證重沸器系統的正常工作，合理的工藝管線的布置顯得尤為重要。本文將就重沸器進出口的管道設計過程中需要注意的幾個問題進行探討。

1 重沸器的安裝位置及安裝高度

對于明火加熱的重沸器，與塔的間距應按照防火規范中加熱爐與塔的間距要求布置；對于蒸汽或熱載體加熱的臥式重沸器應靠近塔布置，并為之一定高差(由工藝設計確定)，二者之間的距離應滿足管道布置的要求。重沸器抽管束的一端應保證抽出管束的空間，具備檢修場地和通道[2]。同時要考慮能夠吸收配管的熱應力。由工藝專業通過壓力平衡計算確定重沸器的安裝高度，進而對重沸器的進出口管線進行初步設計。

初步規劃好的重沸器管線可以計算管道應力，確定是否滿足管道的柔性要求。根據應力計算結果，可以對管道走向，重沸器的位置和高度進行調整，以提高管道柔性[3]。最終設計好的重沸器進出口管線需要提供給工藝專業，進行壓力平衡計算。工藝專業根據配管提供的管線布置圖、塔的裙座高度以及重沸器的基礎高度，計算重沸器入口管當量長度和出口管當量長度，核算重沸器的安裝高度是否合適，以保證重沸器正常循環。

圖1 某渣油加氫裝置工藝安裝高度計算結果

圖1為某渣油加氫裝置中重沸器的工藝安裝高度計算結果。裝置中管道專業提出的柴油汽提塔(T-202)和柴油汽提塔底重沸器(E-203)相關參數如下：T-202的裙座高度為EL+8800 mm，E-203的返回口的高度為EL+14000 mm， E-203的中心標高為EL+2616 mm。可以看出，T-202與E-203的安裝高度滿足工藝要求，足以保證重沸器的正常循環。

2 重沸器進出口管道設計要點

2.1 系統壓力降

根據重沸器系統的壓力平衡，當系統的液體靜壓頭升高或摩擦壓力降增大時，重沸器內工藝介質的壓力會隨之增加，沸點也會升高。當加熱介質的溫度持不變時，重沸器的有效平均溫差就會降低，產生溫差損失。此現象對窄餾分、低溫差的系統影響尤為明顯。針對上述問題，在熱脹許用應力范圍內，重沸器的進出口管線設計應滿足短而直，減少彎頭的數量，以減小系統壓力降。

2.2 升氣管

升氣管中氣液兩相流具有不穩定性和復雜性的特點，在管道設計中需要做到“步步高”或“步步低”。管線在垂直方向不能傾斜布置。水平方向不能形成袋狀，否則容易會引起水錘現象[2]。垂直方向的氣液兩相流在向上流動時，流動形態不確定，可能是泡狀流、塊狀流、環裝流或霧狀流等。其中塊狀流不流于操作，它是氣液相交替脈動的不穩定流態，應避免此流態。

對于有兩個升氣口的管殼式臥式重沸器，為使其管內流量相等，升氣管應對稱布置。在管徑不同或不對稱布置時，應使管段的阻力盡量相同。否則，在不同的阻力下，管段流量的不均導致熱量分配不均，導致重沸器的傳熱效率降低。

2.3 管道柔性

管道應力包括三種類型：一次應力、二次應力以及峰值應力。

一次應力是由所加載荷引起的正應力和剪應力，包括管道上的所有持久載荷，主要有管子自重、保溫重量、管內介質重量和管內壓力等。其特征是非自限性的。它的大小和所加載荷成正比。合理的支架能夠有效調節管道的一次應力及應力最大值的大小和位置，以降低二次應力的最大值。

二次應力是由于管道熱脹變形受到約束而產生的正應力和剪應力，包括溫度載荷和附加位移載荷。管道由安裝狀態過渡到運行狀態，由于管內介質的溫度變化，管道產生熱漲或冷縮使之變形。與設備相連的管道，由于設備的溫度變化而出現端點位移，端點位移也使管道變形。二次應力的特征是自限性的。應變的大小程度取決于管道的柔性。為防止管道熱膨脹產生的破壞作用，需考慮自然補償或設置各種補償器用于吸收管道的熱膨脹和端點位移。在滿足工藝要求的前提下，可以更改管道走向，增加管道柔性；提高彈簧的強度，減小管嘴受力。

圖2 冷態和熱態下重沸器出口管線的變化

3 重沸器的管道應力分析

在加氫裂化裝置中，塔底重沸器一般都布置在塔周圍的地面或構架上。以某渣油加氫處理裝置為例，柴油汽提塔(T-203)的直徑為1400 mm，裙座高度為EL+8800 mm。T-203的進料口高度為EL+7000 mm，T-203的返回口高度為EL+13700 mm。柴油汽提塔底重沸器(E-203)的型號為BJUΦ700×3500，基礎頂標高為EL+1400 mm。T-203與E-203的安裝高度滿足工藝專業的要求。圖3為E-203進出口管道布置圖。

重沸器的進料口管線DN200，操作溫度是285℃；重沸器返回口管線DN300，操作溫度是300℃。在操作工況下，管道作用在設備管嘴上的力主要集中在以下幾個方面：溫度荷載、附加位移荷載、管內介質荷載和壓力。為了避免設備管嘴受到很大的推力，造成設備管嘴損壞和介質泄漏，在實際的配管設計中，需要考慮增加管道的柔性。

圖3 柴油汽提塔底重沸器出口管線布置

利用CAESARII軟件進行應力分析，核算管道上所有節點的一次應力，二次應力和應變。各節點的應力情況都滿足要求。圖3為最終的管道布置圖。根據應力計算結果，在管線的合理位置設置承重支架和彈簧支架，具體如下：重沸器進料線存在17 mm向下的位移，因此在地面水平段合適位置50點處設置彈簧支架，應避免采用剛性支架。重沸器的出口管線，存在13 mm向上的位移，因此在設備平臺下水平段合適位置155點處設置彈簧支架，并在垂直段設限位支架。既控制設備管嘴受力在可承受范圍內，同時又很好的吸收了管道的熱膨脹，增加了管道的柔性。

4 小結

本文從熱虹吸式重沸器的安裝位置和高度、重沸器進出口管道布置要點幾個方面對熱虹吸式重沸器的管道設計進行分析。熱虹吸式重沸器的進出口的管道設計，應當在滿足工藝要求的前提下，滿足管線的柔性和設備的管嘴受力，以達到管線布置更加安全可靠、合理美觀的設計目的。