精餾塔壓力熱旁路控制系統(tǒng)中熱旁路氣體流量的計(jì)算

劉成軍　溫世昌　周　璇　宋豐來(lái)

中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司　青島　266071

精餾塔壓力熱旁路控制系統(tǒng)中熱旁路氣體流量的計(jì)算

劉成軍*溫世昌周璇宋豐來(lái)

中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司青島266071

摘要精餾塔壓力熱旁路控制系統(tǒng)已被廣泛用于石油化工裝置中。熱旁路氣體的流量是熱旁路控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，是保證該系統(tǒng)正常操作的關(guān)鍵因素。本文介紹了兩種用于計(jì)算熱旁路氣體流量的經(jīng)驗(yàn)方法，即回流罐內(nèi)氣、液介質(zhì)混合后全部變?yōu)轱柡鸵后w的方法和維持回流罐內(nèi)氣、液界面“液膜”溫度恒定的方法。以某MTBE裝置催化蒸餾塔熱旁路控制系統(tǒng)為具體實(shí)例，分別計(jì)算出熱旁路氣體的流量并與工藝包數(shù)據(jù)作比較。結(jié)果表明用前一種方法計(jì)算的數(shù)據(jù)與工藝包數(shù)據(jù)相貼近。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中熱旁路氣體流量可按塔頂氣體總量的15%～25%取值。

關(guān)鍵詞熱旁路控制氣體流量冷凝液回流罐液膜傳熱系數(shù)

精餾塔壓力熱旁路控制主要用于塔頂氣相全冷凝的工況。該控制方案可將回流罐置于冷凝器之上，提供給回流泵較高的凈正吸入壓頭；冷凝器可安裝在地面，不需要設(shè)置支撐構(gòu)架，降低了投資費(fèi)用，且方便冷凝器檢修和清洗；調(diào)節(jié)閥安裝在熱旁路管線(xiàn)上，尺寸可大幅度降低；避免某些控制方案因壓力升高而將塔頂產(chǎn)品排往火炬而造成的損失。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，熱旁路控制塔壓已被廣泛用于石油化工裝置中。

熱旁路氣體的流量是熱旁路控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，若該流量取值過(guò)小，就會(huì)造成熱旁路管線(xiàn)和調(diào)節(jié)閥尺寸設(shè)計(jì)過(guò)小，在需要提高塔壓時(shí)，即使熱旁路調(diào)節(jié)閥全部打開(kāi)，也不能快速地將塔壓提高到正常值，造成精餾塔壓力控制不穩(wěn)定；若該流量取值過(guò)大，則熱旁路管線(xiàn)和調(diào)節(jié)閥尺寸過(guò)大，不但造成了投資增加，而且在塔壓偏低時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，大量的熱旁路氣體就會(huì)進(jìn)入回流罐中，如果沒(méi)有足夠的冷凝液吸收熱旁路氣體過(guò)多的潛熱，積聚于回流罐的氣相量增加，導(dǎo)致塔壓升高直至超過(guò)設(shè)定值，使熱旁路管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，又易造成塔壓下降直至低于設(shè)定值，如此反復(fù)，造成塔壓呈鋸齒形變化。迄今為止，尚無(wú)一種準(zhǔn)確的計(jì)算方法用于確定熱旁路氣體的流量。本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了兩種經(jīng)驗(yàn)方法，即回流罐內(nèi)氣、液介質(zhì)混合后全部變?yōu)轱柡鸵后w的方法和維持回流罐內(nèi)氣、液界面“液膜”溫度恒定的方法。并以某引進(jìn)工藝包的MTBE裝置催化蒸餾塔熱旁路控制系統(tǒng)為具體實(shí)例，分別采用這兩種方法計(jì)算出熱旁路氣體的流量并與工藝包數(shù)據(jù)作簡(jiǎn)要比較。

1熱旁路控制的原理

熱旁路控制方案的流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1　熱旁路控制方案

當(dāng)塔頂壓力小于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，進(jìn)入回流罐的熱旁路氣體流量增加，氣、液兩相界面間的液體溫度升高，使回流罐壓力PD升高。由于回流罐液位HD受液位調(diào)節(jié)閥的控制，可以認(rèn)為保持不變，且冷凝器壓力PE在調(diào)節(jié)過(guò)程中也基本保持不變。根據(jù)貝努利方程可知，在忽略摩擦損失且在HD、PE保持不變的情況下，冷凝器液位HE隨PD升高而上升，說(shuō)明隨著熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，回流罐內(nèi)液體將倒流至冷凝器中，冷凝器內(nèi)液位升高，被冷凝液浸沒(méi)的傳熱面積增加，氣相冷凝速率就會(huì)降低，使塔內(nèi)氣相儲(chǔ)量增加導(dǎo)致壓力逐漸升高直至達(dá)到設(shè)定值。

當(dāng)塔頂壓力高于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度關(guān)小，回流罐壓力PD降低，冷凝器和回流罐間的壓差增加，更多的冷凝液被壓送至回流罐中，冷凝器內(nèi)液位下降，氣體冷凝速率加大，使塔壓降低至設(shè)定值[1～6]。

2回流罐內(nèi)氣、液介質(zhì)混合后全部變?yōu)轱柡鸵后w的方法

在回流罐內(nèi)氣、液兩相界面間存在一層厚度為25mm左右的“液膜”[7]，該“液膜”的溫度高于回流罐冷凝液的主體溫度。熱旁路氣體自回流罐頂部進(jìn)回流罐后，通過(guò)“液膜”向過(guò)冷的冷凝液傳遞熱量并被冷凝，冷凝液吸收熱旁路氣體的潛熱后溫度逐漸升高，其飽和蒸氣壓相應(yīng)升高，由于冷凝液飽和蒸氣壓即為回流罐壓力，故回流罐壓力升高；反之亦然。于是可假定過(guò)冷的冷凝液通過(guò)“液膜”吸收全部熱旁路氣體，熱旁路氣體的冷凝熱用于過(guò)冷的冷凝液升溫，直至兩者的溫度達(dá)到回流罐操作壓力下相應(yīng)的飽和溫度為止。根據(jù)此假定，可近似地求出熱旁路氣體的流量[6,7]。由熱量平衡可得：

GHH1+(GT-GH)H2=H3GT

(1)

整理得：

GH=(H3-H2)/(H1-H2)GT

(2)

式中,H1為入冷凝器的塔頂氣體的焓，J/kg；H2為冷凝器出口過(guò)冷液體的焓，J/kg；H3為與回流罐操作壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度下的液體焓，kJ/kg；GH為熱旁路氣體質(zhì)量流量，kg/s；GT為塔頂餾出氣體總量，kg/s。

冷凝器出口液體的過(guò)冷度越大，H2越小，所需的熱旁路氣體質(zhì)量流率越大。如文獻(xiàn)8采用與本方法相似的方法計(jì)算出某裝置脫丙烯塔熱旁路氣體量與塔頂氣相餾出量的比值，當(dāng)冷凝溫度為40℃、35℃、30℃時(shí)，該比值分別為7.0%、11.0%、14.5%。

在式(2)中變量?jī)H有4個(gè)，而且具體數(shù)值也很容易得到，因此采用該經(jīng)驗(yàn)公式可方便、快速地計(jì)算出熱旁路氣體的流量。

3維持回流罐內(nèi)氣、液界面“液膜”溫度恒定的方法

如前所述，位于回流罐氣、液兩相界面之間的“液膜”與回流罐上部的熱旁路氣體呈平衡狀態(tài)，該液膜的溫度高于回流罐冷凝液的主體溫度，且對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓即為回流罐的壓力，也就是說(shuō)，無(wú)論冷凝液是飽和的還是過(guò)冷的，只要維持該“液膜”溫度恒定就能維持回流罐壓力穩(wěn)定，但維持該溫度需消耗一定量的熱旁路氣體，其冷凝潛熱用于補(bǔ)償向冷凝液主體和外界散熱而造成的熱損失，所消耗的氣體量可由以下各式計(jì)算：

QH=QC+QL

(3)

Qc=hC·AC·(T1-T2)

(4)

QL=hL·AL·(T1-TA)

(5)

GH=QH/(H1-H3)

(6)

式中，QH為熱旁路氣體冷凝所產(chǎn)生的熱量，W；Qc為熱旁路氣體向“液膜”下方冷凝液主體傳遞的熱量，W；QL為熱旁路氣體通過(guò)“液膜”上方氣相空間向外界傳遞的熱量，W；hC為通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流向“液膜”下方冷凝液傳熱的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hL為通過(guò)對(duì)流和輻射向外界傳熱的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；AC為回流罐氣、液兩相界面 “液膜”的表面積，m2；AL為回流罐氣相空間所占表面積，m2；T1為回流罐氣、液兩相界面 “液膜”的溫度，℃；T2為“液膜”下方冷凝液主體溫度，℃；TA為環(huán)境溫度，℃。

文獻(xiàn)9提供了與氣、液兩相雷諾數(shù)相關(guān)聯(lián)的hC經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

hC=0.282ReL0.286ReG-0.017

(7)

式中，ReL為液相雷諾數(shù)；ReG為氣相雷諾數(shù)。

根據(jù)式(7)計(jì)算出某脫丙烷塔、某脫丁烷塔的hC值，分別為9.6～9.8、6.0～6.4 W/(m2·℃)。但未提計(jì)算ReL及ReG的方法，因此式(7)無(wú)法直接應(yīng)用。

在式(4)中，氣、液兩相界面間的“液膜”是一種良好的隔熱體，故hC值較小，文獻(xiàn)7給出的經(jīng)驗(yàn)值為10～55 W/(m2·℃)。當(dāng)氣、液兩相界面的“液膜”保持穩(wěn)定時(shí)，hC值就不會(huì)有大的波動(dòng)。T2是“液膜”下方冷凝液的溫度，該溫度也可近似認(rèn)為保持不變。只有T1隨著塔壓的變化而出現(xiàn)較明顯的變化，當(dāng)塔壓提高時(shí)，T1必然提高，反之亦然。T1的提高或降低是通過(guò)增大或減少熱旁路氣體的流量GH來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在式(5)中，hL值與回流罐是否保溫有直接關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)7，當(dāng)回流罐未保溫且外界無(wú)風(fēng)時(shí)，hL經(jīng)驗(yàn)值約為10～17W/(m2·℃)，有風(fēng)時(shí)約為28～40W/(m2·℃)，當(dāng)下雨時(shí)增大至85～115W/(m2·℃)，在暴風(fēng)雨天氣時(shí)，hL值更大，甚至高達(dá)hC值的數(shù)十倍；當(dāng)回流罐保溫時(shí)，hL值較小，僅為1～2W/(m2·℃)。可見(jiàn)，在回流罐未保溫時(shí)，熱旁路氣體流量GH受環(huán)境因素影響較大。

在計(jì)算熱旁路氣體流量時(shí)，hC、hL應(yīng)按最苛刻的條件下取值。

4應(yīng)用比較

某MTBE裝置采用國(guó)外Axens公司的技術(shù)和工藝包，其催化蒸餾塔的塔頂壓力采用熱旁路進(jìn)行控制，該塔的相關(guān)操作條件如下：

塔頂介質(zhì)為混合碳四及甲醇的混合物，塔頂壓力為0.75MPa，回流罐壓力為0.70MPa，塔頂餾出氣體總量GT為14.163kg/s，入冷凝器的塔頂氣體的焓H1為-1202400J/kg，冷凝器出口過(guò)冷液體的焓H2為-1577800J/kg，與回流罐操作壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度下的液體焓H3為-1523400kJ/kg，回流罐氣、液兩相界面 “液膜”的溫度T1為60.5℃，“液膜”下方冷凝液主體溫度T2為40.0℃，TA取最苛刻條件下的環(huán)境溫度，即TA為-18.2℃。

回流罐為臥式容器，直徑為2.2m，長(zhǎng)度為6.9m，未保溫。正常液位控制在回流罐的正中間位置。根據(jù)以上參數(shù)，可求得AC為18.9m2，AL為38.8m2。

熱旁路氣體的流量基于較苛刻的條件下確定，故hC、hC分別取值為55W/m2.℃、115W/(m2.℃)。

將上述數(shù)據(jù)分別代入式(2)～(6)，可求得熱旁路氣體質(zhì)量流量GH值，將計(jì)算結(jié)果整理并與工藝包數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，用方法1計(jì)算的熱旁路氣體量與塔頂氣相餾出量的比值為14.49%，用方法2計(jì)算的為8.19%，工藝包數(shù)據(jù)為15.00%。用方法1計(jì)算的數(shù)據(jù)與工藝包數(shù)據(jù)相貼近。用方法2計(jì)算的數(shù)據(jù)偏小，是由于hC、hL取值過(guò)小造成的，建議在采用該公式時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大hC、hL取值。

表1　采用不同方法求得的熱旁路氣體質(zhì)量流量的比較

備注：方法1指回流罐內(nèi)氣、液介質(zhì)混合后全部變?yōu)轱柡鸵后w的方法；方法2指維持回流罐內(nèi)氣、液界面“液膜”溫度恒定的方法。

許多文獻(xiàn)和資料將熱旁路氣體量與塔頂氣相餾出量的比值控制在15%～25%之間，如 CDTECH公司在其提供的多套催化輕汽油醚化裝置工藝包數(shù)據(jù)中，將催化蒸餾塔和甲醇回收塔熱旁路氣體量分別取為塔頂氣相餾出量的20%、25%。可見(jiàn)當(dāng)缺乏物性數(shù)據(jù)或用于估算時(shí)，GH可按GT的15%～25%取值，該值作為熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的正常流量值一般能滿(mǎn)足實(shí)際操作要求。

另外，文獻(xiàn)10指出熱旁路氣體的最大流量應(yīng)按塔頂氣相餾出量計(jì)算，但該值太大，將導(dǎo)致熱旁路調(diào)節(jié)閥尺寸選型過(guò)大而造成不必要的浪費(fèi)。實(shí)踐證明，最大流量按正常量的1.5倍取值可保證熱旁路控制系統(tǒng)正常操作。

5結(jié)語(yǔ)及建議

(1)本文提供兩種用于熱旁路氣體流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法。以某引進(jìn)工藝包的MTBE裝置催化蒸餾塔熱旁路控制系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算，兩種方法計(jì)算的熱旁路氣體量與塔頂氣相餾出量的比值分別為14.49%和8.19%。工藝包數(shù)據(jù)為15%，采用前一種方法計(jì)算的數(shù)值與工藝包數(shù)值相貼近，采用后一種方法計(jì)算的數(shù)值偏小，在計(jì)算時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大hC、hL取值。

(2)在缺乏物性數(shù)據(jù)或用于估算時(shí)，熱旁路氣體正常流量可按塔頂氣體總量的15%～25%估值，最大流量按正常流量的1.5倍取值，這些值作為熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)值一般能滿(mǎn)足正常操作需要。

(3)為保持熱旁路氣體流量的穩(wěn)定，防止氣溫驟變?nèi)缦掠甑葘?duì)控制的干擾，建議對(duì)回流罐及相應(yīng)管線(xiàn)保溫。特別是當(dāng)操作壓力較高且餾出液為窄餾分時(shí)更需保溫，因?yàn)樵谶@種情況下，溫度微小的變化就會(huì)引起熱旁路氣體與冷凝液流量之比的較大變化，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)。

(4)目前，用于計(jì)算hC、hL的經(jīng)驗(yàn)公式很少，建議通過(guò)對(duì)正在運(yùn)行的熱旁路控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，對(duì)影響熱旁路控制系統(tǒng)的各個(gè)變量進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步研究熱旁路氣體向冷凝液主體及外部環(huán)境進(jìn)行傳熱的機(jī)理，找出hC、hC值與工藝介質(zhì)物性、外部環(huán)境條件等因素相關(guān)聯(lián)的計(jì)算公式，為精確計(jì)算熱旁路氣體流量打下良好的基礎(chǔ)。

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(收稿日期2016-02-24)

*劉成軍：教授級(jí)高級(jí)工程師。1989年畢業(yè)于成都科技大學(xué)， 2002年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)，獲碩士學(xué)位。一直從事煉油化工專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作,曾發(fā)表論文40余篇。聯(lián)系電話(huà)：(0532)80950783，E-mail：liuchengjun@cnpccei.cn。