内回流式塔顶冷凝器的设备布置与配管

马燕星 田大鹏 杜广朝

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

内回流式塔顶冷凝器的设备布置与配管

马燕星*田大鹏 杜广朝

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

介绍精馏塔顶内回流式冷凝器的工艺流程，提出冷凝器与精馏塔一体化布置的要点，简述冷凝器支撑在塔顶气相出口和支撑在建构物上的2种设备布置方案，探讨精馏塔顶液相产品采出管道及冷凝器上所有管道的配管要点，分析其在具体的工程实例中的应用。

内回流 冷凝器 精馏塔 设备布置 配管

精馏塔与塔顶冷凝器是石油化工、煤化工等化工生产过程中的重要生产设备，是产品精制、分离过程中的典型工艺设备组合。精馏塔与塔顶冷凝器的稳定运行关系着整个装置的产品质量、综合能耗、投资和维修成本。目前，较为常见的塔顶冷凝器的设计分为外回流式与内回流式两种。顾名思义，外回流式是指精馏塔与冷凝器用管道连接，冷凝器独立布置在建构筑物上。在设备布置时应基于塔顶的标高和工艺操作要求，将冷凝器布置在合理的高度；而在管道布置时，一般仅需对塔与冷凝器之间的气相管道进行柔性分析[1]。

与外回流式冷凝布置不同，内回流式塔顶冷凝器则是冷凝器气相入口与精馏塔顶气相出口以法兰或焊接的型式直接连接，冷凝器与精馏塔形成一体化的组合布置，免去精馏塔顶的直径较大、温度较高的气相管道的设计，但是由于塔器自身高度较高，在操作温度下往往因“热胀冷缩”产生较大的垂直位移，进而对工艺设备布置与配管提出了更多的要求。随着内回流式塔顶冷凝器的工程化应用日益增多，其合理的设备布置与稳固可靠的管路设计就显得更突出。

1 典型工艺流程

内回流式塔顶冷凝器是典型的管壳式换热器，根据其设计型式的不同分为立式、卧式两种。立式和卧式内回流式塔顶冷凝器工艺流程见图1。

立式冷凝器与塔顶气相管口以法兰型式连接，其阻力降较大，常用于气相变液相量大的工艺流程中。

卧式冷凝器与塔顶气相管口以法兰或焊接型式连接均可，相比之下，其传热效率高，常用在真空或是高压操作等要求阻力降小的工艺流程中。

图1 内回流式塔顶冷凝器典型工艺流程

2 设备布置的要点

(1)因内回流式塔顶冷凝器与塔顶气相管口直接连接，在设备布置时应与设备专业确认塔顶冷凝器的支撑型式：以支耳或鞍座的型式支撑于建构筑物上，或者塔顶气相管口可以承受冷凝器操作重量，塔顶冷凝器不需要设置支耳或者鞍座。

(2)由于塔在操作温度下的垂直位移较大，塔顶冷凝器各管口的垂直位移均较大，因此与塔顶冷凝器连接的不凝气管道、冷却水上下水管道，甚至液相产品采出管道均应进行管路柔性分析。

(3)管壳式冷凝器的冷凝管内易结垢，需要经常清洗。在冷凝器封头处应设置合适的检修平台，在其上部宜有检修用的起吊设施。

(4)如果冷凝器气相入口与塔顶气相出口是法兰连接，则两管口法兰的螺栓均布型式应统一。

3 典型设备布置方案

3.1 支撑在塔顶气相出口

内回流式冷凝器支撑在塔顶气相出口，即冷凝器的全部重量直接传递给塔体。其布置方案见图2。

图2 内回流式冷凝器支撑在塔顶气相出口

设备布置设计的注意事项如下：

(1)冷凝器支撑在塔顶气相出口，应由设备专业确认同意，确保塔的气相出口及塔体满足受力要求。

(2)冷凝器支撑在塔顶气相出口，应确保支撑塔的建构筑物可以承受塔和冷凝器的荷载，应向结构专业提出和确认。

(3)对于立式塔顶冷凝器，由于塔和冷凝器的一体化设计与布置，进一步增加了塔体的高度，应考虑是否需要设置塔箍，以限制塔或冷凝器的径向位移，应及时与设备专业沟通。

3.2 支撑在建构筑物上

内回流式塔顶冷凝器支撑在建构筑物上，即按照附近的建构筑物支撑冷凝器的全部重量进行布置。其布置方案见图3。

图3 内回流式冷凝器支撑在建构筑物上

设备布置设计的注意事项如下：

(1)如果塔顶冷凝器以支耳或鞍座的型式支撑于建构筑物上，由于塔器自身高度较高而在操作温度下往往因“热胀冷缩”产生较大的垂直位移，则应对塔及塔顶冷凝器的组合装置进行应力分析，计算出塔顶冷凝器支耳或鞍座处的垂直位移量和荷载大小，以便于对支撑塔顶冷凝器的弹簧支架或气缸进行选型。该弹簧支架一般为恒力弹簧架。

(2)选定弹簧或气缸以后，其底板和支撑冷凝器的支撑板大小就可以确定。确认支耳或鞍座距离塔壁(及外保温层的)间距，以不影响塔的上下膨胀为宜。若支耳或鞍座与“热胀冷缩”后的塔壁(及外保温层的)发生碰撞，应反馈给设备专业调整支耳及鞍座的大小与位置。

(3)应将应力计算后得到的冷凝器支撑点的荷载大小及位置、弹簧或气缸的底板大小提给结构专业，以便进行支撑结构的设计。

在设备布置阶段，如果内回流式塔顶冷凝器支撑在塔顶气相出口则不需要对塔和冷凝器的组合布置进行应力分析，而内回流式塔顶冷凝器支撑在建构筑物上则应对塔和冷凝器的组合布置进行应力分析。

4 配管设计方案与要点

典型的内回流式塔顶冷凝器的管道系统包括：塔顶液相产品采出管道、塔顶冷凝器冷却介质进出管道、不凝气管道。

内回流式塔顶冷凝器直接连接在精馏塔顶气相出口，尽管省去了塔顶气相管道的布置及柔性分析，但其配管设计的复杂性并没有降低。其主要具有以下特点：

(1)由于塔器自身高度较高，在操作温度下往往因“热胀冷缩”产生较大的垂直位移，需要考虑与塔顶及冷凝器连接的液相产品采出管道、不凝气管道、冷却水管道的柔性状况。

塔顶液相产品采出管道和与冷凝器连接的不凝气管道、冷却水管道均宜进行应力分析。尽管配管时通过管道自身的柔性可以达到部分的热补偿效果，但是一般情况下，这些管道上均需要通过设置弹簧支吊架来减小传递给设备管口的附加力，而且距离设备管口的第一支架多是恒力弹簧架且荷载较大。在选择好弹簧支吊架型式后，及时提给结构专业进行支撑结构设计。

(2)由于不凝气管道布置在冷凝器的上方，考虑到冷凝器的检修，应在距离冷凝器气相出口管口的附近设置可拆卸法兰，以便于维修时进行冷凝器的拆卸和起吊。

(3)根据工艺流程要求，布置不凝气管道时应遵循“步步高”或“步步低”原则。

内回流式塔顶冷凝器无论是支撑在塔顶气相出口，还是支撑在建构物筑上，其管道布置的要点基本是一致的。

5 工程实例分析

某工程项目中，精馏塔的参数为φ4200mm×42146mm，操作温度为130℃，材质为S30408。内回流式冷凝器以焊接型式与塔顶直连，冷凝器为卧式，其参数为φ2600mm×9076mm，管程、壳程的壁温分别为120℃、75℃，材质分别为S31603、Q345R，鞍座底面大小为2140mm×300mm，两鞍座中心间距为4500mm。

塔顶液相产品采出管道及与冷凝器连接的不凝气管道、冷却水管道的特性见表1。

表1塔顶冷凝器管道主要特性参数

5.1 设备布置分析

精馏塔与塔顶冷凝器的布置方案参见图3。

在设备布置阶段，采用CEASARII软件对精馏塔和塔顶冷凝器组合设备布置进行应力分析。计算结果表明：塔顶气相出口的热位移量T计=66.362mm。

按照《恒力弹簧支吊架》NB/T 47038-2013中B.1.3的规定：T=1.2T计且T≥T计+20。

选取T=90mm。

假设每个鞍座下设置2个弹簧，即共设置4个弹簧，经计算分析，荷载均布，每个弹簧应承受的垂直荷载为13720kg。

根据恒力弹簧可承受的荷载，参照某品牌的恒力弹簧支架样图，选取恒力弹簧型号为168215，共4个。某恒力弹簧支架外形见图4。外形尺寸见表2。

经分析，在操作工况下，该弹簧的外形尺寸与鞍座尺寸及安装空间匹配，而且支撑鞍座的建构筑物梁不影响精馏塔的自由膨胀，满足设备布置要求。

5.2 配管设计分析

5.2.1 塔顶不凝气管道的配管设计分析

塔顶不凝气管道配管的CEASARII模型见图5(圆圈处为第一个管支架)。

图4 某恒力弹簧支架外形

表2 某168215型号弹簧的外形尺寸(mm)

图5 配管管道的CEASARII模型

经CEASARII分析计算后，距离塔顶冷凝器的第一个支架处的垂直位移为52.2mm，荷载为5983N。根据设备与管道布置的实际情况，依据《恒力弹簧支吊架》选取恒力弹簧支吊架型号为PD19-80/5983S-M20。

5.2.2 塔顶冷凝器冷却水进出口管道的配管设计分析

尽管内回流式塔顶冷凝器的冷却水进出口管道操作温度为常温，压力也较低，一般不要求进行管道柔性分析。但是，由于其连接的冷凝器管口的垂直热位移较大，因而进行应力分析为宜。

(1)冷却水进口管道的配管设计分析：冷却水进口管道的CEASAR II模型见图5(中)。经CEASARII分析计算后，距离塔顶冷凝器的第一个支架处的垂直位移为64.0mm，荷载为4771N。根据设备与管道布置的实际情况，依据《恒力弹簧支吊架》[2]选取恒力弹簧支吊架型号为PE19-90/4771S-M20。

(2)冷却水出口管道的配管设计分析：冷却水出口管道的CEASARII模型见图5(右)。经CEASARII分析计算后，距离塔顶冷凝器的第一个支架处的垂直位移为60.8mm，荷载为4635N。根据设备与管道布置的实际情况，依据《恒力弹簧支吊架》选取恒力弹簧支吊架型号为PE19-90/4635S-M20。

5.2.3 塔顶液相产品采出管道的配管设计分析

尽管该精馏塔的塔顶液相产品采出管道的操作温度相对较高，经CEASARII分析，该配管设计不需要设置弹簧支吊架。分析其原因，主要是因为液相产品采出管道管径较小，常规的配管设计就能通过自身补偿达到满足管道柔性的目的。即便如此，还是应该根据不同工程项目的实际情况，对该管道的配管设计进行适宜的柔性判断。

6 结语

(1)内回流式塔顶冷凝器与塔顶气相管口直接连接，可直接支撑在塔顶气相出口；也可以支耳或鞍座的型式支撑于建构筑物上，此时应对塔和

冷凝器的组合布置进行应力分析。在设备布置时应综合考虑冷凝器的检修要求。

(2)鉴于精馏塔顶内回流式冷凝器的各管口垂直位移均较大，在进行管道布置时，与塔顶冷凝器连接的不凝气管道、冷却介质上下管道及液相产品采出管道均宜进行管道柔性分析。

(3)内回流式塔顶冷凝器的设备布置与管道布置关系着精馏塔工艺装置的安全运行，在具体的工程项目设计中，应根据实际情况进行合理的配管。

1 周力.塔顶冷凝器的合理化设计[J].油气冶炼,2013,(13).

2 NB/T47038-2013, 恒力弹簧支吊架[S].

2016-12-12)

*马燕星：工程师。2011年毕业于西北大学工业催化专业获硕士学位。从事化工设备布置与配管设计工作。联系电话：(029)87988427， E-mail：myx2354@chinahualuend.com。