維持回流罐或凝結(jié)水罐氣液兩相界面穩(wěn)定的設(shè)計(jì)①

劉成軍　趙著祿　溫世昌　谷崢

1.中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司 2.中國(guó)石油華北石化公司①

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維持回流罐或凝結(jié)水罐氣液兩相界面穩(wěn)定的設(shè)計(jì)①

劉成軍1趙著祿2溫世昌1谷崢1

1.中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司 2.中國(guó)石油華北石化公司①

精餾塔壓力熱旁路控制系統(tǒng)的回流罐和重沸器系統(tǒng)的凝結(jié)水罐至少有氣、液兩股進(jìn)料線，且氣相進(jìn)料介質(zhì)是可凝的，液相進(jìn)料介質(zhì)通常是過(guò)冷的，這一特點(diǎn)決定了罐內(nèi)氣、液兩相界面必須保持穩(wěn)定才能保證系統(tǒng)正常操作。舉例說(shuō)明了當(dāng)氣相線和液相線在回流罐或凝結(jié)水罐上的開(kāi)口位置設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，氣、液兩相界面不能保持穩(wěn)定，會(huì)造成熱旁路控制下的塔壓大幅度波動(dòng)或重沸器系統(tǒng)凝結(jié)水罐內(nèi)頻繁發(fā)生水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到精餾系統(tǒng)的正常操作，提出了“氣相進(jìn)氣相空間、液相進(jìn)液相空間”的設(shè)計(jì)原則。

熱旁路冷凝液回流罐凝結(jié)水罐蒸汽平衡線液膜穩(wěn)定

精餾塔壓力熱旁路控制方法已被廣泛應(yīng)用于塔頂氣相全冷凝的工況，而用蒸汽作熱源的重沸器系統(tǒng)常常采用凝結(jié)水罐代替疏水閥為重沸器提供液封。盡管兩種工藝過(guò)程看似關(guān)系不大，但有一點(diǎn)卻是相同的，即回流罐和凝結(jié)水罐均有兩股進(jìn)料線，一股為氣相線，分別為熱旁路線和蒸汽平衡線，另一股為液相線，分別為冷凝液線和凝結(jié)水線，且熱旁路氣體和水蒸氣均為可凝，而冷凝液和凝結(jié)水通常是過(guò)冷的。這一特點(diǎn)決定了回流罐和凝結(jié)水罐氣、液兩相界面穩(wěn)定才能保證系統(tǒng)正常操作。以下舉例說(shuō)明兩種工藝過(guò)程對(duì)氣相線和液相線在回流罐或凝結(jié)水罐上開(kāi)口位置的特殊要求。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，則無(wú)法保證回流罐或凝結(jié)水罐內(nèi)氣、液界面的穩(wěn)定，進(jìn)而會(huì)造成熱旁路控制下的塔壓大幅度波動(dòng)、重沸器系統(tǒng)凝結(jié)水罐頻繁發(fā)生水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到精餾系統(tǒng)的正常操作，導(dǎo)致控制系統(tǒng)失敗。為減少對(duì)罐內(nèi)氣、液界面的擾動(dòng)，冷凝液或凝結(jié)水應(yīng)從罐底部進(jìn)入回流罐或凝結(jié)水罐的液相空間，而熱旁路氣體或蒸汽則應(yīng)從罐頂部進(jìn)入罐的氣相空間。

1　熱旁路氣體與冷凝液分別單獨(dú)從回流罐頂部、底部進(jìn)料

精餾塔壓力熱旁路控制方案的主要優(yōu)點(diǎn)有：①回流罐置于冷凝器之上且冷凝液處于過(guò)冷狀態(tài)，可提供給回流泵較高的凈正吸入壓頭；②冷凝器可安裝在地面，不需要設(shè)置較高的支撐構(gòu)架，降低了投資費(fèi)用；③調(diào)節(jié)閥安裝在熱旁路管線上，尺寸可大幅度降低。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，熱旁路控制塔壓已被廣泛用于煉油化工裝置中。

如圖1所示，熱旁路控制方案是通過(guò)改變冷凝器內(nèi)冷凝液的液位進(jìn)而改變塔頂氣體的有效冷凝面積實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)塔頂壓力高于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小，回流罐壓力就會(huì)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)液位就會(huì)下降，被冷凝液浸沒(méi)的面積減少，用于氣體冷凝的有效面積增大，故氣體被冷凝速率加大，塔內(nèi)儲(chǔ)存的氣體量降低，使塔壓逐漸下降直至恢復(fù)到設(shè)定值；反之亦然。

另外，在熱旁路控制系統(tǒng)中，位于回流罐氣、液兩相界面處存在一層厚度約為25 mm的“液膜”[1]。該“液膜”的溫度高于回流罐冷凝液的主體溫度，并與回流罐上部的熱旁路氣體呈平衡狀態(tài)，且對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓即為回流罐的操作壓力，也就是說(shuō)，回流罐壓力僅與“液膜”溫度有關(guān)，而與過(guò)冷的冷凝液溫度無(wú)關(guān)[1-6]。故當(dāng)塔頂壓力高于設(shè)定值時(shí)，伴隨著熱旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的減小，熱旁路氣體進(jìn)罐流量降低，則氣、液兩相界面間“液膜”溫度降低；反之亦然。要維持回流罐壓力穩(wěn)定，就必須保持“液膜”的溫度穩(wěn)定，否則，當(dāng)“液膜”受擾動(dòng)導(dǎo)致“液膜”溫度波動(dòng)時(shí)，塔壓必然隨之波動(dòng)，造成熱旁路控制塔壓失敗[5-8]。

圖2為某石化公司MTBE裝置催化蒸餾塔采用的熱旁路控制流程。該流程在冷凝液管線上增設(shè)了1臺(tái)調(diào)節(jié)閥以改善調(diào)節(jié)效果。與常規(guī)流程不同的是，該流程在設(shè)計(jì)時(shí)將熱旁路管線接至冷凝液管線上，使熱旁路氣體與冷凝液混合后再?gòu)墓薜走M(jìn)入回流罐。這種設(shè)置的目的是消除回流罐內(nèi)氣、液兩相的溫差，可更加靈活地調(diào)節(jié)回流罐內(nèi)冷凝液的溫度，有利于控制塔壓。

但諸多文獻(xiàn)認(rèn)為，這種設(shè)置與熱旁路控制的原理不符，飽和的熱旁路氣體與過(guò)冷的冷凝液在管線中混合后被快速冷凝且冷凝量不斷變化，導(dǎo)致氣、液兩相界面間“液膜”溫度不斷變化，其后果是塔壓難以控制平穩(wěn)[1-5]。

圖3所示為該塔壓力波動(dòng)情況截圖，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為塔壓。

在上述控制方案中，塔壓波動(dòng)的主要原因是，當(dāng)需要提高塔壓時(shí)，熱旁路和冷凝液管線上的調(diào)節(jié)閥分別開(kāi)大和關(guān)小，熱旁路氣體的流量增大，但在氣、液混合過(guò)程中被冷凝液迅速冷凝，冷凝液溫度升高，塔壓和回流罐壓力上升；同時(shí)，冷凝器內(nèi)液位上升，氣體冷凝速率下降，也使塔壓上升，在強(qiáng)大的慣性和滯后因素下，壓力很容易升至超過(guò)設(shè)定值，迫使熱旁路管線調(diào)節(jié)閥關(guān)小，冷凝液管線調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，使塔壓快速下降，直至低于設(shè)定值，如此反復(fù)，造成塔壓呈波浪形變化。

此外，這種設(shè)置還存在如下隱患或缺點(diǎn)：

(1) 當(dāng)熱旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，管路內(nèi)熱旁路氣體被周邊過(guò)冷液體冷凝，熱旁路氣體所占區(qū)域便形成真空，周邊的冷凝液將以極高的速度沖向該區(qū)域，產(chǎn)生瞬時(shí)壓力很大的沖擊，引起“水錘”或“水擊”現(xiàn)象發(fā)生。

(2) 將整個(gè)回流罐中的冷凝液加熱至飽和溫度，導(dǎo)致回流泵的有效汽蝕余量NPSHa大幅度降低，甚至?xí)陀诨亓鞅玫谋仨毱g余量NPSHr，從而引發(fā)氣蝕現(xiàn)象。

可見(jiàn)，在熱旁路塔壓控制系統(tǒng)中，維持回流罐兩相界面的穩(wěn)定非常重要。為減少對(duì)兩相界面的擾動(dòng)，熱旁路管線應(yīng)從回流罐頂部進(jìn)入，且配管時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)任何形式的袋形，以防止積液。水平管段要有2‰～3‰的坡度，并坡向回流罐，以便使可能存在的凝液不受約束地自流至回流罐中；自冷凝器來(lái)的冷凝液進(jìn)罐管線應(yīng)從罐底部進(jìn)入回流罐，即便從罐頂部進(jìn)入，也應(yīng)伸入到回流罐的底部。上述設(shè)計(jì)原則可以概括為“氣相進(jìn)氣相空間、液相進(jìn)液相空間”。

2　凝結(jié)水應(yīng)從凝結(jié)水罐的底部進(jìn)料

由于蒸汽疏水閥存在易泄漏的缺點(diǎn)，用蒸汽作為熱源的重沸器常常采用凝結(jié)水罐代替疏水閥為其提供液封，以防止大量蒸汽未經(jīng)冷凝直接排至凝結(jié)水管網(wǎng)而造成的損失和凝結(jié)水水擊或水錘現(xiàn)象的發(fā)生。凝結(jié)水罐典型的工藝流程如圖4所示，來(lái)自重沸器底部的凝結(jié)水自流進(jìn)入凝結(jié)水罐，然后再在凝結(jié)水罐中經(jīng)液位控制送至凝結(jié)水管網(wǎng)，在凝結(jié)水罐頂設(shè)置與重沸器蒸汽入口線相連的平衡線。

為保證凝結(jié)水罐的正常操作，凝結(jié)水罐管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要遵循“氣相進(jìn)氣相空間、液相進(jìn)液相空間”的原則。在凝結(jié)水罐管路系統(tǒng)中，平衡線的主要作用與前述熱旁路控制系統(tǒng)的熱旁路線相同：使凝結(jié)水罐維持一定的氣相空間，并維持汽、水界面“液膜”的溫度。平衡線應(yīng)從罐的頂部接至凝結(jié)水罐中，自平衡線來(lái)的蒸汽只與汽、水界面接觸，不與過(guò)冷的凝結(jié)水直接接觸；過(guò)冷的凝結(jié)水自罐底進(jìn)入凝結(jié)水罐液相空間，且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短其在罐中的停留時(shí)間，使其在未接觸到汽、水界面時(shí)就從罐底離開(kāi)凝結(jié)水罐，以減少對(duì)汽、水界面的擾動(dòng)。在正常操作狀態(tài)下，凝結(jié)水罐的操作壓力同樣為汽、水界面“液膜”溫度下的飽和蒸汽壓，而不是底部過(guò)冷凝結(jié)水的蒸汽壓。該“液膜”也是一個(gè)良好的隔熱體，且傳熱表面積較小，平衡線中的蒸汽通過(guò)冷凝的方式向“液膜”下方凝結(jié)水主體傳遞的熱量也很少，維持“液膜”溫度所需的蒸汽量也很小，故平衡線公稱直徑為DN25 mm即可滿足要求。

巴西Braskem公司某脫乙烷塔重沸器系統(tǒng)凝結(jié)水罐未按上述原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在低負(fù)荷操作時(shí)頻繁發(fā)生水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響精餾塔的正常操作[9]。該塔重沸器凝結(jié)水經(jīng)由DN100 mm管線從凝結(jié)水罐的頂部而不是底部進(jìn)入凝結(jié)水罐。平衡線的尺寸為DN20 mm，將凝結(jié)水罐頂部與DN300 mm的重沸器蒸汽加熱主管相連。凝結(jié)水罐的液位變送器下部管嘴安裝在凝結(jié)水罐底部，而上部管嘴安裝在立式重沸器的頂部，造成液位控制對(duì)凝結(jié)水液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不靈敏。該罐在發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)的操作條件見(jiàn)表1。

表1 發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)凝結(jié)水罐的操作條件Table1 Operatingconditionsofsteamcondensatepotwhenoccurringwaterhammer項(xiàng)目數(shù)值蒸汽流量/(t·h-1)14.1～14.5凝結(jié)水罐頂部壓力/MPa0.3～0.4凝結(jié)水進(jìn)罐溫度/℃72

在表1中，凝結(jié)水罐頂部壓力為0.3～0.4 MPa，其對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水飽和溫度應(yīng)為143～151 ℃，但實(shí)際進(jìn)罐溫度僅為72 ℃；罐頂即凝結(jié)水進(jìn)罐溫度為72 ℃，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓(A)應(yīng)為0.034 MPa，但實(shí)際罐頂壓力為0.3～0.4 MPa，兩者看似矛盾，但經(jīng)分析后認(rèn)為，凝結(jié)水進(jìn)罐溫度為72 ℃的原因是凝結(jié)水在離開(kāi)重沸器時(shí)已處于高度過(guò)冷狀態(tài)，這種過(guò)冷狀態(tài)是由于重沸器選型過(guò)大，很大一部分重沸器有效傳熱管束浸沒(méi)在凝結(jié)水中，凝結(jié)水被工藝介質(zhì)過(guò)度冷卻造成的；罐頂實(shí)際壓力為0.3～0.4 MPa的原因是自罐頂DN20平衡線中流向凝結(jié)水罐的蒸汽流量約為0.16 t/h，與同樣自罐頂來(lái)的流量為14.1～14.5 t/h、高度過(guò)冷的凝結(jié)水接觸，混合后被快速冷凝，造成凝結(jié)水罐內(nèi)充滿液體而無(wú)氣相空間，故其壓力可以維持在0.3～0.4 MPa。水錘現(xiàn)象就發(fā)生在汽、液兩相混合后蒸汽被迅速冷凝的過(guò)程中。綜上所述，凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水罐的位置設(shè)計(jì)不當(dāng)是造成水錘現(xiàn)象的主要原因。Braskem公司對(duì)凝結(jié)水罐系統(tǒng)進(jìn)行了改造，如圖5所示[9]。

改造的主要內(nèi)容：將凝結(jié)水進(jìn)料管線的位置由從罐上部進(jìn)料改為從罐下部進(jìn)料，并在進(jìn)料位置增加防沖擋板；將凝結(jié)水正常液位的控制位置提高；將罐頂平衡線直徑由DN20 mm改為DN25 mm。這些改造的目的主要是盡量避免凝結(jié)水進(jìn)料對(duì)凝結(jié)水罐汽、水界面的沖擊，確?！耙耗ぁ睖囟仍诟鞣N擾動(dòng)狀態(tài)下保持穩(wěn)定。改造后凝結(jié)水罐運(yùn)轉(zhuǎn)正常，再無(wú)水錘現(xiàn)象發(fā)生。

3　結(jié)論及建議

熱旁路控制系統(tǒng)的回流罐或重沸器系統(tǒng)凝結(jié)水罐的共同特點(diǎn)是氣相進(jìn)料介質(zhì)是可凝的，液相進(jìn)料介質(zhì)通常是過(guò)冷的。這一特點(diǎn)決定了回流罐和凝結(jié)水罐氣、液兩相界面穩(wěn)定才能保證系統(tǒng)正常操作。為減少對(duì)兩相界面的擾動(dòng)，液體應(yīng)從罐底部進(jìn)入回流罐或凝結(jié)水罐，即便從罐頂部進(jìn)料，進(jìn)料管線也應(yīng)伸入到回流罐或凝結(jié)水罐底部。熱旁路管線或蒸汽平衡線則應(yīng)從回流罐或凝結(jié)水罐頂部進(jìn)入。

對(duì)于其他具有相同特點(diǎn)的設(shè)備，建議也按“氣相進(jìn)氣相空間、液相進(jìn)液相空間”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以防止氣、液相進(jìn)料線設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的操作壓力波動(dòng)或“水錘”等現(xiàn)象的發(fā)生。

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Design for maintaining the stability of gas-liquid interface in the reflux drum or the steam condensate pot

Liu Chengjun1, Zhao Zhulu2, Wen Shichang1, Gu Zheng1

(1.CPECCEast-ChinaDesignBranch,Qingdao266071,China) (2.PetroChinaNorthChinaPetrochemicalCompany,Renqiu062552,China)

Both the reflux drum of the pressure hot vapor bypass control system and the condensate pot of the reboiler system in distillation column system at least have a gas and a liquid feed line, the gas feeding medium is condensable and the liquid feed medium is usually sub-cooled. This characteristic determines the gas-liquid interface in the drum or the pot must be stable to ensure the normal operation of system. Examples are introduced to show the significant fluctuation of the tower pressure under the hot vapor bypass control system, and the water hammer occurred frequently in the condensate pot if the gas or liquid nozzle positions are not well designed, which can lead to the gas-liquid interface instability. The design principle of gas into the gas phase space and liquid into the liquid phase space were put forward finally.

hot vapor bypass, condensate, reflux drum, condensate pot, steam balance line, liquid film, stability

劉成軍(1967-),教授級(jí)高工。1989年畢業(yè)于成都科技大學(xué)化學(xué)工程專業(yè),一直從事石油與天然氣化工專業(yè)的設(shè)計(jì)工作,曾發(fā)表論文40多篇。E-mail:liuchengjun@cnpccei.cn

TE68

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.001

2016-03-10；編輯：溫冬云