塔顶直连冷凝器布置设计

张传武 肖 桓 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

塔与塔顶冷凝器是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装置。直连式塔顶冷凝器在塔顶高回流比、阻力降较敏感系统等特殊工况下，因其布置上的优势而经常被使用。因此，其优化合理的设备布置非常重要。

1 塔顶直连冷凝器分类

塔顶直连冷凝器根据冷凝器的型式不同，一般分为立式和卧式两种类型，见图1、图2。

图1 立式塔顶直连冷凝器

立式塔顶直连冷凝器因换热面积受塔的直径、塔顶压降等参数的限制，塔顶气相量较小时一般采用立式塔顶直连冷凝器；相比立式塔顶直连冷凝器而言，卧式塔顶直连冷凝器的换热面积不受塔的直径和塔顶压降等参数的影响，因此换热面积相对较大，换热效率会相对较高，塔顶气相量较大时一般采用卧式。

2 塔顶直连式冷凝器布置特点

2.1 立式塔顶直连冷凝器布置

立式塔顶直连冷凝器与塔顶管口采用法兰连接，整个冷凝器的荷载垂直作用于塔体，布置初期需设备专业提前对塔的壁厚、裙座的受力和地脚螺栓的强度进行核算确认。一般立式塔顶直连冷凝器更适合独立塔安装布置设计。

2.2 卧式塔顶直连冷凝器布置

卧式塔顶直连冷凝器与塔顶管口既可以采用法兰也可以采用焊接型式连接，当采用独立塔安装布置时，整个冷凝器的荷载垂直作用于塔体，布置初期需设备专业提前对塔的壁厚、裙座的受力和地脚螺栓的强度、冷凝器支撑稳定性进行核算确认；当采用框架式塔安装布置设计利用框架来支撑冷凝器时，由于塔的热位移，冷凝器需要使用弹簧或者气缸等弹性支撑。

下面将结合实际工程项目，以卧式塔顶冷凝器的布置为例，从布置方案的选取、优化直至确定方面,详细分析不同布置型式的可行性和优缺点。

3 工程实例分析

3.1 塔顶冷凝器工艺系统PID

某项目的分离塔及塔顶冷凝器工艺系统PID，见图3。

图3 某项目分离塔及塔顶冷凝器系统PID

卧式塔顶冷凝器E-201气相进口与塔T-201顶气相出口法兰连接；不凝气出口管线设置安全泄放阀防止塔系发生超压事故，保证系统安全运行；循环冷却水对塔顶气进行冷凝。

3.2 设备、工艺参数

(1)塔T-201相关参数：外形尺寸Φ2500 mm×H34420 mm；操作温度130℃；塔顶操作压力0.0015 MPa；塔顶汽相量4802 kg/h；材质为S30408。

(2)塔顶冷凝器E-201相关参数：外形尺寸Φ1400 mm×L4800 mm；鞍座底面大小1250 mm×200 mm；鞍座中心线间距3300 mm；管程、壳程的操作壁温分别为120℃、70℃；材质分别为S31603、Q345R；设备重量11600 kg；液相采出量36 kg/h；回流比99.3%。具体数据详见图4。

图4 冷凝器E-201数据

(3)塔顶冷凝器E-201连接管道参数见表1。

表1 冷凝器E-201连接管道参数

3.3 设备布置要点

塔顶冷凝器布置与塔设备布置方案有关。根据塔系统流程图，设备、工艺参数等，塔顶冷凝器布置设计考虑要点如下。

(1)塔顶冷凝器冷媒循环水上水管道操作压力0.5 MPa，塔顶高度34 m，循环水压力满足塔顶冷凝器与塔直连的设置高度要求。

(2)根据塔设备参数,可以考虑独立式安装布置设计方案，塔顶冷凝器直接支撑在独立布置的塔体上，即独立式塔顶冷凝器布置。在设备布置初期应向设备专业确认塔顶冷凝器的支撑型式，重点需要考虑以下因素：① 由塔顶气相管口可以承受冷凝器操作等重量的可行性；② 塔顶冷凝器不设置鞍座时稳定性是否满足要求；③ 为保证稳定性，是否需要将鞍座支撑于塔体。

(3)塔顶冷凝器随框架式安装塔布置方案，冷凝器支撑在框架上，即塔顶冷凝器框架式布置方案。在设备布置初期，应向管机专业确认两者较大垂直热位移差的应力消除措施，便于进行结构设计。

(4)管壳式冷凝器的冷凝管内易结垢，需要清洗，检修操作空间、通道应与塔填料装卸操作统一考虑。在冷凝器封头处应设置合适的检修平台，或考虑可移动式吊装检修设施。

(5)布置时应满足管道布置柔性、阀门等操作检修的要求。

3.4 独立式塔顶冷凝器布置

从PID(见图3)可以直观看出塔顶冷凝器与塔需要直连，由图4可知，塔T-201顶出口汽相量为4802 kg/h，采用循环水作为冷媒，循环水上水管道操作压力0.5 MPa，塔顶气相管口高度为高度34500 mm，循环水压力满足塔顶冷凝器与塔直连的设置高度进料要求。根据塔外形尺寸，综合考虑塔吊装、操作、检修等因素，独立式安装布置设计应作为其首选设计方案。这种情况下，塔顶冷凝器将与塔捆绑成一体化布置，作为塔体附件随塔热胀冷缩上下浮动，因此两者之间不存在热应力问题。根据塔一般布置的原则，将塔置于框架外，框架高度为24500 mm，冷凝器重量约12 t,考虑塔与框架基础大小，将塔与1轴之间距离定为4000 mm，具体布置见图5、图6。

图5 独立式塔顶冷凝器布置平面图

图6 独立式塔顶冷凝器布置立面图

在进一步设计时，发现独立式塔顶冷凝器布置存在以下问题及不足。

(1)由于将冷凝器直接支撑于塔顶，其重量完全由塔体承受，因此需要将此信息反馈给设备专业，重新复核塔壁厚、裙座受力及地脚螺栓强度等。经计算，为满足冷凝器承重要求需要加大塔体厚度。不锈钢材质塔体壁厚增加材料所提高设备投资费用非常可观，因此，设备专业工程师建议冷凝器采取其它支撑方式。

(2)塔顶冷凝器靠气相进口与塔顶气相出口单点连接支撑形式，根据塔顶冷凝器结构形式、外形尺寸、重量，考虑连接管道热应力及风载等外来因素影响，其支撑需要考虑自身稳定性，采取加强稳定措施，保证支撑要求，但这样又导致冷凝器设备造价提高。因此，设备工程师建议塔顶冷凝器利用其鞍座支撑在建构筑物上。

(3)塔顶冷凝器检修操作只能考虑可移动式汽车吊来完成。

由此可见，独立式塔顶冷凝器布置方案存在设备投资费用增加、塔顶管道阀组、安全阀布置在设备平台空间受限及操作不便、冷凝器检修操作成本增加等问题。

3.5 框架式塔顶冷凝器布置

针对独立式塔安装设计导致设备造价提高等问题，选择利用塔旁已有框架，将塔顶冷凝器与塔管口直连布置在框架内，采取框架式安装塔布置设计。

框架式安装塔布置设计特点如下:

(1)利用框架支撑塔箍便于稳定塔支撑；冷凝器利用框架承重，由鞍座支撑在结构框架梁上，这样，将减少设备材料用量，降低设备投资成本。

(2)布置初期，应先由管机应力工程师针对塔与冷凝器之间较大垂直位移差进行详细应力计算，采取消除连接管口位移差造成热应力对设备管口破坏力的措施，便于设备布置阶段及早考虑，事先控制，防患于未然，避免后期被动。

(3)对塔设备吊装要求更高。应根据塔结构形式确定其与结构框架的施工顺序、塔就位与框架楼层交错施工等方案。为保证塔顺利吊装，一般考虑塔先就位，再施工有关建构筑物；也可考虑先施工框架，采取合适尺寸的吊装孔、预留活动梁的结构框架设计方案；还可分段法兰连接塔，如果框架层高允许分节顺序安装就位，也可考虑足够吊装需要开孔即可。

3.5.1 冷凝器弹性支撑

冷凝器不利用塔来承重，避免了设备造价提高，但与塔顶冷凝器由塔支撑不同，其不能与塔作为一个整体随塔自由膨胀，塔运行过程中会因为塔体温度的升高而发生向上热位移，而冷凝器与塔相比自身向上热位移几乎可以忽略不计，两者上下管口直连，系统又无法通过优化管道走向，利用自然补偿或者增设补偿器来吸收热位移、释放热应力，如果不采取其它措施解决二次应力超标，将导致法兰泄漏、管口撕裂甚至其它更严重的事故发生，后果不堪设想。因此，为消除塔温度升高而产生的热位移，在设计上就需要考虑冷凝器在框架上使用弹性支撑，通常采用弹簧箱支撑或气缸支撑。

(1)热位移(δ<50 mm参考值)不是很大的情况，一般选择弹簧箱型式，弹簧箱相较于单个弹簧支撑有更好的稳定性，并且能有效降低弹簧支撑的高度，采用变力弹簧箱来支撑，塔顶管口的受力对塔本身的受力几乎没有影响。

(2)热位移很大(δ>50 mm参考值)时，无论是搁置型或吊架弹簧的体积和高度都会比较大，且对于热位移很大的弹簧，即使做成弹簧箱高度降低也不明显，因此，如果受到设备布置空间的限制，或者受到设备本身附件的干扰，无论搁置型或吊架弹簧都不能实现时，就需要选择体积小、便于布置的气缸支撑，根据热位移量选择合适的柱塞直径和冲程即可。采用气缸支撑时，根据计算经验冷凝器约有40%的重量会由塔顶管口来承担。

本项目在设备布置初期，应力工程师采用CAESARII软件对塔T-201和塔顶冷凝器E201组合设备布置进行应力分析。计算结果表明：冷凝器E201鞍座受力为138570N，塔顶气相管口的热位移量T计=32mm,可以选择弹簧箱进行支撑。

假设冷凝器E-201每个鞍座下各设置1个弹簧箱，经计算分析，荷载均布，每个弹簧箱应承受的垂直荷载为69285N。根据弹簧箱可承受的荷载，参照某品牌的弹簧箱样图，选取弹簧箱型号为DTDB90-6-32，共2个。见图7,图8。

图7 某弹簧箱外形图

图8 某项目弹簧箱支座实例

由《弹簧箱样本》查得DTDB90-6-32型号弹簧箱的外形尺寸为820 mm×340 mm×655 mm(长×宽×高)。该弹簧箱的外形尺寸与鞍座尺寸匹配，而且支撑鞍座的框架结构梁不影响塔的自由膨胀，满足设备布置要求。

由塔顶人孔标高33150确定塔顶人孔操作平台高度范围为：32000 mm(人孔中心距平台高度为1150mm)～32500 mm(人孔中心距平台高度为650 mm)。

塔支撑基础标高为300 mm，塔顶部气相管口标高为34500 mm,塔顶冷凝器与塔顶气相管口法兰直连，考虑垫片厚度，算出塔顶冷凝器鞍座底标高为34985 mm，如果不考虑设备制造及土建施工误差，弹簧箱支撑梁标高34330 mm，即可满足冷凝器安装要求。但设计时需要给制造及施工考虑留有一定余量，因此，弹簧箱支撑梁标高设计不应大于34300 mm，以便调整制造及施工误差，保证冷凝器顺利安装。

3.5.2 框架式塔顶冷凝器布置方案一

同时兼顾塔顶部人孔操作平台和塔顶冷凝器的安装支撑。根据塔顶冷凝器支耳弹簧箱安装标高不大于34300 mm，塔顶人孔最高操作平台标高范围32000 mm～32500 mm，应取最高操作平台标高32500 mm，以降低冷凝器土建结构支撑梁高度。

“方案一”布置图见图9及图10。

图9 框架式塔顶冷凝器布置(方案一)平面图

图10 框架式塔顶冷凝器布置(方案一)立面图

经分析，此方案依然存在不足：① 冷凝器支撑结构高度1800 mm，对冷凝器检修操作不方便；② 原设计意图冷凝器基础为两个独立鞍座支撑基础，但是，通过核对结构专业返回冷凝器支撑梁结构形式，发现其需要在两基础之间设置连接梁及斜撑，这种结构形式将影响塔人孔操作、管口方位设置及管道布置。因此，需要调整冷凝器支撑为方形支撑结构框架，跨度尺寸较大，而且，其1800 mm的高度空间仍然不能满足人孔操作的空间要求。

3.5.3 框架式塔顶冷凝器布置方案二

针对框架式塔顶冷凝器布置方案一的不足及存在的问题进行优化，考虑增加塔顶楼面，以方便冷凝器支撑、检修、操作。由前面分析可知，塔顶楼面标高最高为34300 mm，其下层人孔操作楼面高度最低为EL32000，这样两层楼面层高为2300 mm，人孔操作空间稍低，与设备专业协商将塔T-201塔顶段加长300 mm，那么，塔顶楼面标高可抬高至34600 mm，这样，人孔楼面层高加大到2600，基本满足操作高度空间要求。

“方案二”布置图见图11及图12。

图11 框架式塔顶冷凝器布置(方案二)平面图

图12 框架式塔顶冷凝器布置(方案二)立面图

本方案增加塔顶楼面，便于塔顶冷凝器支撑、检修操作，同时塔顶不凝气安全阀布置在塔顶楼面更接近被保护设备，管道布置阀组、切断阀、安全阀等更方便操作、检修，因此，以此方案作为本设计最终选择的塔顶冷凝器布置设计方案。

4 结语

塔顶直连式冷凝器布置因其特点，被广泛使用在塔顶高回流比、阻力降较敏感系统、介质具有易堵、自聚等特殊工况下。根据塔顶气相量的大小，可以选择立式塔顶直连式冷凝器和卧式塔顶直连冷凝器两种布置型式，根据对比分析可知，立式塔顶直连式冷凝器更适合独立塔安装布置；而卧式塔顶直连冷凝器布置，因设备投资等原因，更适合框架式塔安装布置。当设计选取框架式塔安装布置时，设计人员不但要重视塔与框架施工方案顺序、冷凝器检修等大的方案，而且要关注冷凝器弹性支撑余量等容易被忽视的细节；此外在某些情况下，也可以与相关专业沟通，通过改变设备外形、尺寸等方式达到最优化设计的目的。