PX裝置二甲苯塔管道設計初探

李若溪

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

二甲苯作為重要的有機化學原料，常用于合成對苯二甲酸或對苯二甲酸二甲酯，是芳烴聯合裝置中二甲苯分餾單元的主要產品，產量僅次于乙烯和丙烯[1]。二甲苯分餾單元主要以重整生成油和芳烴抽提產物C6～C7芳烴為原料，生產對二甲苯、鄰二甲苯和苯等產物。二甲苯塔作為此單元的主要產品塔之一，因其塔頂和塔底產物具有溫度高熱量大的特點，成為二甲苯單元主要熱源，其相關管線的合理布置是實現安全高效生產的前提[2]。本文以某廠150萬噸/年芳烴聯合裝置中的二甲苯塔為例，詳細介紹該塔及相關管道的設計要點。

1 管道設計基本條件

1.1 相關流程簡介

本裝置內布有兩座二甲苯塔并聯操作，本文以其中之一為研究對象。該塔為變徑塔，原料自變徑段上部分兩路進塔：一路自重整油分離塔來，另一路自脫庚烷塔來。塔頂油氣進二甲苯塔回流罐后一部分自第一塊塔板上方回流入塔，另一部分去吸附分離單元。塔底管線通過塔底泵加壓后分兩路，一路作為下游原料進重芳烴塔，另一路通過二甲苯加熱爐加熱后從最后一塊塔板下方側線返塔。

1.2 設備及相關管線參數

該塔共123塊塔板，自第79塊塔板上方開始變徑。切線高為57920 mm，是裝置中較高的塔器。其主要設計參數見表1。

表1 塔相關設計參數Table 1 Relevant design parameters of tower

由表1可見，二甲苯塔設計溫度和壓力較高，敷塔管線熱脹量較其他塔器更大，管道設計難度更高。

2 敷塔管道布置

圖1 二甲苯塔及相關設備平面布置圖Fig.1 The layout of dimethylbenzene tower and related equipments

敷塔管線布置與設備定位有一定關系，本文中二甲苯塔定位見圖1。二甲苯塔布置在三管橋交界毗鄰道路處，以方便塔器的運輸、吊裝和檢修。西側地面留有足夠空間放置塔內件。塔底泵布置在管橋1和2的地面層，管線沿塔敷設后可直接進入管橋支撐布置。以1#二甲苯塔為例，將管道側與操作側按圖1劃分。操作側臨近道路能夠保障通行安全，且有利于塔內件的運輸與吊裝。

下面以幾根典型管線為例介紹具體管道布置方法。

2.1 采樣線

在塔上部設有采樣線出口和返回口，采樣線就近經管橋1進采樣器采樣后返塔。由于管嘴與管橋1頂梁距離很大，敷設管線長度長，管線荷載接近標準支架所承荷載最大值。為留有足夠設計余量，此二根管線在管道中部設立π做自然補償吸收管道熱脹，其后垂直管道上增設固定支架，進一步保證管道支撐。

2.2 加熱爐返回線

從兩臺加熱爐經加熱返回的物料各分兩路從塔下部進入二甲苯塔，由于管內是氣液兩相流，管道容易震動，布置時應盡量短，且均需對稱布置。此管線管徑大重量大，其集中荷載超出塔平臺容許載荷值，需管道專業設置特殊支吊架支撐管道，設置時需考慮實際情況[3]。管道布置方式見圖2。圖2中可見，南側分支返回口下方人孔處也設置了操作平臺，但兩平臺高差僅有2.5 m。若將支架設在管道下方，無法保證上下兩平臺間的設計間距要求。考慮到南側二分支位于塔的操作側，其上沒有布置其它管道，有足夠空間，因此采用吊簧進行支撐。吊簧生根在平臺上方設置的特殊三角撐支架上，支架上方中心處增設橫梁放置彈簧。北側管道可直接在管道下方平臺處設置三角撐支架。與南側不同，此支架上方焊接鋼板，彈簧置于其上。為保證設計美觀，支吊架墊板上端與平臺墊板上端取齊。南北側管道特殊支吊架示意圖見圖3。

圖2 加熱爐返回線平臺及相關管線布置Fig.2 Piping and platform layout of heating furnace turnback line

圖3 特殊支吊架示意圖Fig.3 Diagram of special hanger

2.3 塔底抽出線

二甲苯塔底出口管線上設有火災切斷閥，因閥門與塔底泵有距離要求且需定期檢修，將其靠近出口管嘴布置[4]。但此閥前設有儀表及排污線，直接將閥門置于塔平臺上不僅會造成平臺過寬，而且閥門支撐處集中荷載過大，對塔平臺有極高設計要求。因此本例在管橋3設置外挑平臺放置切斷閥，兩平臺間設置走道方便人員通行。支架設置在外挑橫梁上保證閥門支撐。此線管徑大設計溫度高，為增大管道柔性同時避開90°方向的管橋立柱，將出口管嘴設在135°方向。相較于將其布置在45°方向，南北向管道長度更長，補償更好。塔底出口管道封頭處垂直方向長度長熱脹大，因此將出口管嘴處第一個支架設為彈簧支架降低出口管嘴處的受力。

圖4 出口管線布置Fig.4 Piping layout of outlet line

本例中二甲苯塔底泵管嘴最大受力僅為API610規定的2倍。為確保塔出口管嘴和泵嘴受力處在允許范圍內，在每臺泵入口管嘴處采用一定自然補償的前提下增設復式萬向鉸鏈型膨脹節，防止泵的振動引起管道振動和管道熱脹冷縮引起的熱位移補償[5]。將泵入口管線整體抬高以留出膨脹節安裝空間。與傳統設計中在管橋上設外挑平臺布置入口管線閥門不同，本例中將操作平臺布置在管橋內側，其上設置走道方便檢修閥門。塔底出口管線吊在管橋主梁底部，與管橋主梁頂管線進行錯層布置。在泵入口端，僅在過濾器上設置支架不能承擔管段重量，因此在管橋外挑支撐梁，在進泵處彎頭上設置吊簧分擔荷載。外挑梁高度根據應力計算結果確定，確保彈簧水平方向擺動的夾角小于4°，同時為了美觀，其高度與其它側梁取齊，見圖5。

圖5 出口管線平臺設置Fig.5 Platform layout of outlet line

3 敷塔管線彈簧支吊架計算

在計算敷塔管線彈簧支架熱脹位移時，需劃分系統的溫度梯度，不同的劃分方法會產生不同的計算結果。以本塔塔頂管線為例詳細分析。

計算時，將設備和管道的承重支架處看作固定點，設備和管道均看作向下熱脹。若設備溫度大于管道溫度，則設備熱脹量大于管道熱脹量，管道上的彈簧支吊架方向向下；若設備溫度小于管道溫度，則設備熱脹量小于管道熱脹量，彈簧方向向上。

圖6 二甲苯塔溫度梯度計算示意圖Fig.6 Temperature gradient calculation diagram of dimethylbenzene tower

一般情況下，設置溫度梯度時根據進出設備管口位置將設備劃分為若干段，相鄰兩管口之間的設備段近似看作溫度不變，將與此段設備連接的所有管線操作溫度的平均值看作設備溫度。但此方法并不適用于冷進料(即進料溫度低于塔頂油氣溫度)設備。圖6為本文二甲苯塔溫度梯度計算示意圖。圖中可見，兩股進料物流溫度均低于塔頂油氣溫度，為冷進料。圖中可見第二段設備溫度T2和第三段溫度T3均低于塔頂管線溫度，若彈簧支吊架需支撐在此二段處，計算所得的彈簧方向向下。但在實際情況中，塔器自下而上溫度逐漸降低，塔頂油氣溫度近似等于第一塊塔板溫度，不會出現管線溫度低于設備溫度，計算所得彈簧方向向下的情況。

有冷進料的情況時劃分設備溫度段有兩種方法。其一是將冷進料物流和其它溫度較高的物流劃分在同一段，以此提高該段內管線的平均溫度，確保設備溫度梯度按下高上低的趨勢分布；其二是直接忽略冷進料對設備溫度分布的影響，即在取溫度平均值時，不將冷進料物流溫度計算在內。相比較而言，第一種方法更為精確，但第二種方法計算所得的彈簧熱脹量更大，根據計算結果進行彈簧選型能留有更多設計余量。如此雖制造成本略有增加，但從安全性角度而言，對于流量較小的冷進料，第二種方法更好。

4 結 論

本文結合具體實例詳細闡述了二甲苯塔及其管道的設計方法和考慮因素，在遵循敷塔管線設計原則的基礎上，因具備設備溫度高口徑大的特點也有一定設計特殊性。希望給后來者提供一定借鑒和參考。