PX装置二甲苯塔管道设计初探

李若溪

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

二甲苯作为重要的有机化学原料，常用于合成对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯，是芳烃联合装置中二甲苯分馏单元的主要产品，产量仅次于乙烯和丙烯[1]。二甲苯分馏单元主要以重整生成油和芳烃抽提产物C6～C7芳烃为原料，生产对二甲苯、邻二甲苯和苯等产物。二甲苯塔作为此单元的主要产品塔之一，因其塔顶和塔底产物具有温度高热量大的特点，成为二甲苯单元主要热源，其相关管线的合理布置是实现安全高效生产的前提[2]。本文以某厂150万吨/年芳烃联合装置中的二甲苯塔为例，详细介绍该塔及相关管道的设计要点。

1.1 相关流程简介

本装置内布有两座二甲苯塔并联操作，本文以其中之一为研究对象。该塔为变径塔，原料自变径段上部分两路进塔：一路自重整油分离塔来，另一路自脱庚烷塔来。塔顶油气进二甲苯塔回流罐后一部分自第一块塔板上方回流入塔，另一部分去吸附分离单元。塔底管线通过塔底泵加压后分两路，一路作为下游原料进重芳烃塔，另一路通过二甲苯加热炉加热后从最后一块塔板下方侧线返塔。

1.2 设备及相关管线参数

该塔共123块塔板，自第79块塔板上方开始变径。切线高为57920 mm，是装置中较高的塔器。其主要设计参数见表1。

表1 塔相关设计参数Table 1 Relevant design parameters of tower

由表1可见，二甲苯塔设计温度和压力较高，敷塔管线热胀量较其他塔器更大，管道设计难度更高。

图1 二甲苯塔及相关设备平面布置图Fig.1 The layout of dimethylbenzene tower and related equipments

敷塔管线布置与设备定位有一定关系，本文中二甲苯塔定位见图1。二甲苯塔布置在三管桥交界毗邻道路处，以方便塔器的运输、吊装和检修。西侧地面留有足够空间放置塔内件。塔底泵布置在管桥1和2的地面层，管线沿塔敷设后可直接进入管桥支撑布置。以1#二甲苯塔为例，将管道侧与操作侧按图1划分。操作侧临近道路能够保障通行安全，且有利于塔内件的运输与吊装。

下面以几根典型管线为例介绍具体管道布置方法。

2.1 采样线

在塔上部设有采样线出口和返回口，采样线就近经管桥1进采样器采样后返塔。由于管嘴与管桥1顶梁距离很大，敷设管线长度长，管线荷载接近标准支架所承荷载最大值。为留有足够设计余量，此二根管线在管道中部设立π做自然补偿吸收管道热胀，其后垂直管道上增设固定支架，进一步保证管道支撑。

2.2 加热炉返回线

从两台加热炉经加热返回的物料各分两路从塔下部进入二甲苯塔，由于管内是气液两相流，管道容易震动，布置时应尽量短，且均需对称布置。此管线管径大重量大，其集中荷载超出塔平台容许载荷值，需管道专业设置特殊支吊架支撑管道，设置时需考虑实际情况[3]。管道布置方式见图2。图2中可见，南侧分支返回口下方人孔处也设置了操作平台，但两平台高差仅有2.5 m。若将支架设在管道下方，无法保证上下两平台间的设计间距要求。考虑到南侧二分支位于塔的操作侧，其上没有布置其它管道，有足够空间，因此采用吊簧进行支撑。吊簧生根在平台上方设置的特殊三角撑支架上，支架上方中心处增设横梁放置弹簧。北侧管道可直接在管道下方平台处设置三角撑支架。与南侧不同，此支架上方焊接钢板，弹簧置于其上。为保证设计美观，支吊架垫板上端与平台垫板上端取齐。南北侧管道特殊支吊架示意图见图3。

图2 加热炉返回线平台及相关管线布置Fig.2 Piping and platform layout of heating furnace turnback line

图3 特殊支吊架示意图Fig.3 Diagram of special hanger

2.3 塔底抽出线

二甲苯塔底出口管线上设有火灾切断阀，因阀门与塔底泵有距离要求且需定期检修，将其靠近出口管嘴布置[4]。但此阀前设有仪表及排污线，直接将阀门置于塔平台上不仅会造成平台过宽，而且阀门支撑处集中荷载过大，对塔平台有极高设计要求。因此本例在管桥3设置外挑平台放置切断阀，两平台间设置走道方便人员通行。支架设置在外挑横梁上保证阀门支撑。此线管径大设计温度高，为增大管道柔性同时避开90°方向的管桥立柱，将出口管嘴设在135°方向。相较于将其布置在45°方向，南北向管道长度更长，补偿更好。塔底出口管道封头处垂直方向长度长热胀大，因此将出口管嘴处第一个支架设为弹簧支架降低出口管嘴处的受力。

图4 出口管线布置Fig.4 Piping layout of outlet line

本例中二甲苯塔底泵管嘴最大受力仅为API610规定的2倍。为确保塔出口管嘴和泵嘴受力处在允许范围内，在每台泵入口管嘴处采用一定自然补偿的前提下增设复式万向铰链型膨胀节，防止泵的振动引起管道振动和管道热胀冷缩引起的热位移补偿[5]。将泵入口管线整体抬高以留出膨胀节安装空间。与传统设计中在管桥上设外挑平台布置入口管线阀门不同，本例中将操作平台布置在管桥内侧，其上设置走道方便检修阀门。塔底出口管线吊在管桥主梁底部，与管桥主梁顶管线进行错层布置。在泵入口端，仅在过滤器上设置支架不能承担管段重量，因此在管桥外挑支撑梁，在进泵处弯头上设置吊簧分担荷载。外挑梁高度根据应力计算结果确定，确保弹簧水平方向摆动的夹角小于4°，同时为了美观，其高度与其它侧梁取齐，见图5。

图5 出口管线平台设置Fig.5 Platform layout of outlet line

在计算敷塔管线弹簧支架热胀位移时，需划分系统的温度梯度，不同的划分方法会产生不同的计算结果。以本塔塔顶管线为例详细分析。

计算时，将设备和管道的承重支架处看作固定点，设备和管道均看作向下热胀。若设备温度大于管道温度，则设备热胀量大于管道热胀量，管道上的弹簧支吊架方向向下；
若设备温度小于管道温度，则设备热胀量小于管道热胀量，弹簧方向向上。

图6 二甲苯塔温度梯度计算示意图Fig.6 Temperature gradient calculation diagram of dimethylbenzene tower

一般情况下，设置温度梯度时根据进出设备管口位置将设备划分为若干段，相邻两管口之间的设备段近似看作温度不变，将与此段设备连接的所有管线操作温度的平均值看作设备温度。但此方法并不适用于冷进料(即进料温度低于塔顶油气温度)设备。图6为本文二甲苯塔温度梯度计算示意图。图中可见，两股进料物流温度均低于塔顶油气温度，为冷进料。图中可见第二段设备温度T2和第三段温度T3均低于塔顶管线温度，若弹簧支吊架需支撑在此二段处，计算所得的弹簧方向向下。但在实际情况中，塔器自下而上温度逐渐降低，塔顶油气温度近似等于第一块塔板温度，不会出现管线温度低于设备温度，计算所得弹簧方向向下的情况。

有冷进料的情况时划分设备温度段有两种方法。其一是将冷进料物流和其它温度较高的物流划分在同一段，以此提高该段内管线的平均温度，确保设备温度梯度按下高上低的趋势分布；
其二是直接忽略冷进料对设备温度分布的影响，即在取温度平均值时，不将冷进料物流温度计算在内。相比较而言，第一种方法更为精确，但第二种方法计算所得的弹簧热胀量更大，根据计算结果进行弹簧选型能留有更多设计余量。如此虽制造成本略有增加，但从安全性角度而言，对于流量较小的冷进料，第二种方法更好。

本文结合具体实例详细阐述了二甲苯塔及其管道的设计方法和考虑因素，在遵循敷塔管线设计原则的基础上，因具备设备温度高口径大的特点也有一定设计特殊性。希望给后来者提供一定借鉴和参考。