泡罩塔盤結構設計探討

羅嬋容,魏東波

(中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

泡罩塔盤操作穩定、彈性較大、效率較高,在化工裝置中被廣泛采用。泡罩塔盤是一種對密封設計和工藝結構設計要求較嚴格的塔盤,在工程實際驗收和使用過程中,泡罩塔盤泄漏量控制不合格和布局不合適的現象時有發生,由此可見,對于泡罩塔盤的設計,還存在較多的認識不足。本文結合工程實踐,簡單介紹一些泡罩塔盤的典型結構和設計要點。

1 泡罩塔盤的結構

泡罩塔盤由泡罩、塔盤板、受液盤、降液板、塔盤支撐件(支撐圈、支撐梁等)、密封元件(密封條等)、緊固件等結構組成(見圖1)。泡罩塔盤合理的布局和密封結構設計,可有效保證塔盤工藝性能,提高塔盤效率。

圖1 泡罩塔盤結構

1.1 泡罩結構及泡罩與塔板連接結構

泡罩塔盤的作用原理是氣體由泡罩內的升氣管進入,經泡帽與升氣管間的環形截面及回轉通道由齒縫流出,在塔盤上形成鼓泡進行氣液傳質。泡罩有圓形和槽型兩類,本文主要以圓泡罩結構為例。

泡罩結構設計方法繁多,為了節約成本,簡化塔盤操作性能的預測,標準NB/T 10557-2021《板式塔內件技術規范》規定了DN80、DN100、DN150三種規格的圓泡帽的典型結構和尺寸(見圖2,圖3)。

圖2 圓泡帽(DN80/DN100)

圖3 圓泡帽(DN150)

標準NB/T 10557—2021在整合修訂JB/T 1212—1999《圓泡帽》后,明確泡罩升氣管與塔盤板可采用脹接固定和焊接結構,泡罩塔盤充水試漏的泄漏量控制在不超過5 mm/10 min。

圖2和圖3為升氣管與塔盤板的脹接固定結構。當采用脹接固定時,升氣管擴口處與塔盤板應貼緊、不漏液,升氣管擴口處不允許有裂紋和溝槽等缺陷。

針對物料對材料有微量腐蝕的環境,為防止塔盤在操作過程中被腐蝕后升氣管與塔盤板連接處漏液,應考慮采用焊接結構。某專利商規定尿素裝置中處于甲銨液和尿素溶液中的316L等不銹鋼材料要考慮1 mm的腐蝕裕量,另有專利商針對尿素裝置物料介質為甲銨液的中壓吸收塔的泡罩塔盤規定,泡罩與塔板采用圖4a、圖4b的角接焊接連接,圖4b的結構用于塔盤板厚度不大于5 mm的泡罩塔盤連接結構。

圖4 泡罩與塔板角接焊接結構

對于泄漏量要求嚴格的塔盤,也建議泡罩與塔盤連接采用焊接結構。某甲醛裝置的吸收塔,要求塔盤泄漏量控制在2 mm/h,工藝商要求泡罩與塔盤連接采用圖5所示的對接焊接結構。

圖5 泡罩與塔板對接焊接結構

圖4a所示的泡罩直接焊接在塔盤板上,塔盤板上焊接應力較大,易引起塔盤板翹曲變形,焊接過程中應考慮采用防變形措施。圖4b和圖5的結構均為在塔盤板上沖壓出一段短節,升氣管與短節角接或對接,可有效減小塔盤板應力變形。

針對泡罩塔盤升氣管高度的設計,應能保證塔盤上液體不會從升氣管溢流。上面提到的中壓吸收塔,專利商確定泡罩塔盤采用DN80(NPS 3)泡罩,塔盤溢流堰高度為75 mm,要求塔盤充水試漏40 min后,塔盤板上液封高度不低于50 mm。按標準NB/T 10557-2021,DN80標準泡罩的升氣管高度為57 mm,塔盤充水試驗充水的最高高度為溢流堰和升氣管高度的較低值,故按標準泡罩的升氣管高度折算,塔盤充水試漏的泄漏量應控制在1.75 mm/10 min,遠嚴于標準的要求。在與專利商進行澄清確認,并參考專利商的標準泡罩尺寸,將泡罩升氣管的高度增至與溢流堰同高,以保證充水試驗時液體不從升氣管外溢。需要注意的是,升氣管高度增高后,為保證升氣管頂的回轉面積,泡帽的深度也同樣需要增高,泡帽一般是經過沖壓拉拔成型,泡帽高度的設計應考慮制造工藝能實現。在工藝性能方面,由于霧沫夾帶一般在齒縫和泡帽頂部之間的區域產生,較高的泡帽含有一個較長的液滴加速距離,相應的霧沫夾帶量就會增大,較高的泡帽高度也會加大液面梯度,故此泡帽的結構應綜合考慮塔板的水力學性能。

1.2 泡罩塔盤板及支撐件連接結構

泡罩塔盤按結構特點可分為整塊式塔盤和分塊式塔盤。

整塊式塔盤一般用于小塔徑(DN≤700 mm)用設備法蘭連接的設備,塔盤設置高于溢流堰的塔盤圈,塔盤與塔內壁環隙采用軟填料密封[1]。這種塔盤由于塔盤不分塊,泄漏點少,泄漏量易保證。

分塊式塔盤主要由塔盤板、支撐件(支撐圈、支撐梁等)和密封元件等組成(見圖6)。

圖6 分塊式塔盤

塔盤板、支撐圈和支撐梁之間的兩兩銜接處易產生泄漏,泄漏點處應采用可靠密封,不應使用填料和黏結劑堵漏的方法進行密封[2]。結合各元件連接結構特點,可從如下幾方面考慮采取密封措施。

(1)支撐梁連接應盡量采用焊接,如塔盤板要保證可拆,焊接梁應避免使用自支撐梁。支撐梁之間以及支撐梁和支撐圈之間焊接后,焊縫上表面應磨平。當塔盤間距較小時,為保證塔盤安裝施工空間,部分塔盤支撐梁需做成可拆結構,可拆梁與相關元件(如支撐梁和支撐圈)之間表面銜接間隙應嚴格控制,在鋪設塔盤板與支撐件之間的墊片時,應是在(支)梁上滿鋪墊片,蓋過銜接間隙,再與支撐圈/主梁上的墊片嵌合成一體,鋪上塔盤板后應用密封板將間隙處進行密封(見圖7)。當采用自支撐活動梁時,活動梁的折彎處、止裂孔處等地方容易形成漏點,需要采取更嚴密的密封措施,對泄漏量要求嚴格的塔盤,如有必要,應盡量控制活動自支撐梁的占比。

圖7 支撐梁與支撐圈連接處密封結構

(2)當塔盤與支撐件之間采用緊固件連接時,塔盤板與支撐件之間應采用密封帶進行密封,密封寬度不應小于25 mm[2]。連接螺柱可焊接在支撐件上,減少螺栓孔引起的泄漏;當螺栓穿過支撐件上的開孔進行連接時,如通道板需采用雙面可拆結構處,螺栓孔處需用墊片密封,NB/T 10557-2021規定墊片的開孔直徑至少應比螺柱直徑小2 mm,SH/T 3088-2012《石油化工塔盤技術規范則》規定墊片的開孔直徑至少應比螺柱直徑小3 mm[3],典型結構(見圖8)。螺柱一般采用M12規格,螺紋最大螺距1.75 mm,應采用不小于2 mm厚度的密封墊片,以保證至少能完好密封住螺紋的一個螺距。尿素裝置中壓吸收塔,專利商要求塔盤各元件之間的密封墊采用高壓縮率達55%～80%的7 mm厚膨化聚四氟乙烯墊,它能很好地密封防泄漏。

圖8 塔盤通道板雙面可拆結構

(3)對密封要求嚴格的泡罩塔盤,支撐件之間、塔盤板與支撐件之間均可采用焊接密封,圖9為甲醛裝置的吸收塔(泄漏量控制在2 mm/h)泡罩塔盤結構。塔盤板周邊可搭接焊接在支撐圈上(見圖10),也可采用翻邊結構焊在塔壁上(見圖11)。翻邊結構的弧形擾度可吸收變形,有利于保障塔盤的平整。塔盤的操作性能對塔盤的水平度和塔盤的下垂非常敏感,特別是對大直徑塔,圖9的塔盤支撐梁之間采用拉桿支撐,能更好的控制支撐梁的擾度,保證塔盤的平整度。對于整體采用焊接結構的塔盤,塔盤內無檢修通道,每層塔盤之間的塔壁上應設置人孔,人孔的結構尺寸應保證塔盤板可通過人孔進出。靠近人孔處的塔盤或支撐圈上應設置排液孔,用堵頭封堵,檢修時打開人孔,取出堵頭,將物料排放干凈。此類塔盤的特點為,塔盤之間應保持足夠的間距,保證開設人孔和檢修的空間。塔盤間距加大,塔的總高要增加,會使設備投資增加,研究表明,當塔盤間距大于600 mm時,塔盤處理能力隨塔盤間距增大的幅度并不明顯[4],確切的塔盤間距應結合機械和工藝特性綜合確定。

圖9 塔盤板與支撐件之間焊接密封結構

圖10 塔盤板搭接焊接結構

圖11 塔盤板翻邊焊接結構

1.3 塔盤其他結構的連接

塔盤的受液盤、液封盤宜采用焊接結構[2],焊接在與之相連的支撐圈上。降液板可根據需要設計成固定式結構和可拆式結構。當采用固定式結構時,宜通過連接板與塔壁相連?？刹鹗浇狄喊迮c其連接件之間應采用密封帶密封,密封帶及緊固件要求同塔盤板連接。

1.4 塔盤板與泡罩的排布

為充分利用塔盤面積,泡罩一般采用沿著流體流動方向,以正三角形的方式排列,這種排列最緊湊,約可多排出10%的面積[4],能使塔盤有效面積充分利用。泡帽間距與泡帽直徑的最優比大致為1.3～1.5[4],保持泡罩外緣的間距為25～75mm[5]。在塔盤分塊處,塔盤板沿60°斜向分割[5](見圖6),有利于泡罩的排列。某吸收塔曾采用平行于流體方向的支撐梁和塔盤切割,很明顯,泡罩排布由于受支撐梁的影響,在支撐梁和塔盤分塊處間距較大,流體在此通道上易形成短路,影響塔盤效率。

2 充水試漏的試驗要求

充水試漏是直觀有效檢驗塔盤密封性能的方法。

表1為一些已有良好運行經驗的泡罩塔盤的充水試漏的數據統計。從統計數據可以看出,焊接泡罩、焊接梁和焊接塔板的結構能夠很好地改善泄漏情況。

表1 已有良好運行經驗的泡罩塔盤的充水試漏的數據統計

除從塔盤的結構方面進行優化設計減少泄漏量外,還應控制塔盤支撐件和塔盤本體的制造偏差。在進行充水試漏試驗前,檢查支撐圈、支撐梁本體的平面度以及安裝后的水平度,以及塔盤板的平面度和安裝后的水平度,合格后才能進行泄漏試驗。對于焊于塔設備本體的支撐件等,出廠前也應按標準規范和設計文件的要求進行檢驗合格后方能出廠,具備條件的情況下建議進行塔盤的預組裝檢驗。

3 結語

泡罩塔盤是一種廣泛應用的塔盤,順應當前工業飛速發展及不斷出現的新產品、新工藝要求,泡罩塔盤的設計和制造工藝也需持續發展改進。本文結合泡罩塔盤的應用特點,介紹了幾種有成功使用經驗的典型結構設計,希望能對工程設計提供一定的參考。