塔顶冷凝器的合理化设计

【摘要】在石油化工领域，精馏塔与塔顶冷凝器联用是比较常见的工艺装置组合，对其设备布置及相关管道进行合理化设计，能较好的提高整个装置的经济性和稳定性。本文介绍了精馏塔与塔顶冷凝器联用时采用的自然回流和强制回流两种不同工艺流程，并针对两种工艺流程分别提出了合理的设备布置及管道设计分析。

【关键词】精馏塔 塔顶冷凝器 设备布置 管道设计

石油化工领域中，精馏塔是一种使用非常频繁、非常重要的工艺设备，它的稳定运行直接关系到整个石油化工装置的产品质量及综合能耗。塔顶冷凝器作为与精馏塔联合使用的重要耗能设备，通过对其合理设计能有效的使精馏塔稳定运行、能耗降低、投资节省。

目前较常用的塔顶冷凝器的设计，主要有自然回流和强制回流两种，本文将从工艺流程、设备布置及管道设计方面对这两种不同设计思路分析，以达到能更合理的布置塔顶冷凝器及相关管道的目的。

1 工艺流程

塔顶冷凝器主要作用是将精馏塔顶部的大量气相介质通过冷媒冷却至液相，然后通过自然回流或强制回流两种形式将冷凝的液相介质回流至塔器顶部。自然回流是利用塔顶冷凝器与塔器回流口之间的高位差来实现冷凝介质的回流，主要工艺流程见图1；强制回流是将冷凝后的液相介质收集至回流槽后利用泵输送至塔顶回流口，主要工艺流程见图2。

比较两种工艺流程不难发现，自然回流因为采用设备本身的位差来推动液相介质回流，不需要增加塔顶回流槽和回流泵设备，在工艺上具有能耗低和节省设备投资的优点。

但是，能否就此下结论说，塔顶冷凝器采用自然回流的设计形式比强制回流更先进实用呢？对此，我们需要对不同回流方式的设备布置进行更进一部的分析。

2 设备布置

对于两种不同的工艺流程，我们需要分别采用不同的设备布置形式。自然回流，由于其利用位差来输送冷凝的液相介质回流，因此塔顶冷凝器的布置标高必然要高于精馏塔顶部标高，否则无法产生足够的输送动力；强制回流，由于其采用泵提供输送动力来使冷凝的液相介质回流，因此塔顶冷凝器的布置标高只需高于塔顶回流罐及回流泵，可以低于精馏塔顶部标高，放置于建构筑物任意位置。

比较两种工艺流程塔顶冷凝器的设备布置，不难发现，采用自然回流时塔顶冷凝器的支撑高度会远高于强制回流的塔顶冷凝器，要支撑高标高的塔顶冷凝器，需要搭建相应的建构筑物来支撑，必然会带来相应的土建投资费用的增加。

同时，由于塔顶冷凝器在较高位置布置，也会导致其冷媒的输送压力比采用强制回流时要求更高；如果采用循环水做为冷媒，由于塔顶出口气相介质的流量较大，其相变冷凝时放出的热量，需要通过更多大量的循环水通过温升来带走，相比于冷凝后的液相介质流量，循环水的使用量会远大于它，因此，通过高位差节省的塔顶回流泵输送动力，会远小于因高位差而增加的循环水泵输送动力，反而在能耗得不偿失。

因此，要结合本装置精馏塔及建构筑物规格来确定合适的塔顶冷凝器布置及相关的工艺流程，才能达到最合理化设计，降低能耗和投资。同时为保证精馏塔与塔顶冷凝器的安全稳定运行，还需进行合理的管道设计。

3 管道设计

由于精馏塔和塔顶冷凝器之间连接的气相介质管道往往是较大口径（DN≥350）的压力管道，且操作温度往往会高于100℃，因此对于此类管道设计需要注意整个管道的柔性及支撑。

3.1 自然回流管道设计

对于采用自然回流工艺的塔顶冷凝器气相管道设计，注意事项如下。

（1）由于塔顶冷凝器布置布置在精馏塔顶正上方、且管径大、温度较高，应采用尽量短的管道连接，且管道走向采用“步步高”形式，不宜出现袋型管。

（2）气相管道上的安全阀，应设置于管道顶部，靠近楼板处，易于支撑出口管和安全阀的安装、维护。

（3）由于塔器自身高度较高，在操作温度下具有较大的热膨胀位移，应根据位移大小在靠近塔顶气相出口N1处设置合适的膨胀节。

3.2 强制回流管道设计

对于采用强制回流工艺的塔顶冷凝器气相管道设计，注意事项如下。

（1）由于塔顶冷凝器布置在低于塔顶的位置，往往在建构筑物上放置，气相管道应尽量靠近塔布置，采用尽量短的管道连接，且管道走向采用“步步低”形式，不宜出现袋型管。

（2）气相管道上排放至大气的安全阀宜安装在塔顶部人孔下的第一层平台上，以便与支撑出口管道和利用塔顶吊柱安装维护安全阀。

（3）气相管道上排放至密闭系统的安全阀宜安装在靠近建构筑物楼板处，易于支撑出口管和安全阀的安装、维护，且能减少出口管管程，降低管道压损。

（4）为保护塔顶出口N1，应在塔顶部人孔下的第一层平台上设置固定承重架。

（5）沿塔壁敷设自塔顶向下的垂直管道，若垂直荷载较大时，为降低第一层平台生根点塔体的局部应力，宜在其下方平台处设置弹簧架来分担垂直管道的荷载。

（6）为保证管道及相连管口的稳定性，需在垂直管道上间隔一定距离后设置合适的导向架。

4 结论

针对塔顶冷凝器的两种设计形式，通过对工艺流程、设备布置及管道设计进行全面分析，以便更合理的对塔顶冷凝器和精馏塔进行设计。塔顶冷凝器的合理化设计应充分考虑整个装置的设备及建构筑物情况，因地制宜，选用合理的工艺流程，并针对不同工艺流程采用合适的设备布置及相关的管道设计形式，这样才能使精馏塔达到稳定运行、能耗降低、投资节省的目的。

参考文献

[1] 张德姜，赵勇.石油化工工艺管道设计与安装（第二版） [M]. 北京：中国石化出版社，2007

[2] 吴德荣，汪镇安等.化工工艺设计手册（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2009

[3] 夏必霞，陶长剑.再沸器与精馏塔的工艺设备布

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作者简介

周力（1986年-），男，湖北仙桃人，2007年毕业于华中科技大学化学系，本科，从事化工工艺及管道的设计工作。