減壓塔頂抽真空系統(tǒng)影響因素分析

楊茂軍，王俊美，鄧偉強(qiáng)，陳金華，張道光

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

常減壓蒸餾作為原油進(jìn)入煉油廠的一次加工工藝，在石化行業(yè)中有著舉足輕重的地位。常減壓裝置主要由常壓蒸餾和減壓蒸餾兩部分構(gòu)成，其中減壓蒸餾需要在較高的真空度下才能實(shí)現(xiàn)油品餾分的分離。減壓塔頂?shù)恼婵斩扔伤敵檎婵障到y(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，目前工業(yè)上主要有蒸汽抽真空系統(tǒng)、蒸汽+液環(huán)泵組合抽真空系統(tǒng)。典型的蒸汽抽真空系統(tǒng)是由三級(jí)蒸汽抽空器和三級(jí)冷凝器組成，流程圖如圖1所示；蒸汽+液環(huán)泵組合抽真空系統(tǒng)由蒸汽抽空器、冷凝器和液環(huán)真空泵機(jī)組組成，流程圖如圖2所示。無論采用蒸汽抽真空還是組合抽真空，減壓塔頂?shù)恼婵斩纫约澳芎呐c動(dòng)力蒸汽的品質(zhì)、冷凝器以及各級(jí)抽空器的壓縮比等因素有直接的關(guān)系[1]。

圖1 典型的三級(jí)蒸汽抽真空系統(tǒng)的流程圖

圖2 蒸汽抽空器+液環(huán)真空泵組合抽真空的流程圖。

1 動(dòng)力蒸汽的影響

減頂動(dòng)力蒸汽的壓力一般為0.8～1.1MPa。壓力過低時(shí)，蒸汽的流量減小，會(huì)影響抽空器的抽力，從而導(dǎo)致真空度下降。壓力過高時(shí)，蒸汽流量提高，由于抽空器的幾何尺寸已定，抽氣能力增加并不明顯，同時(shí)蒸汽流量提高會(huì)增加冷凝器的冷卻負(fù)荷以及下一級(jí)抽空器的工作負(fù)荷[2]。

表1為某1200萬t/a常減壓裝置減頂抽真空系統(tǒng)在不同蒸汽壓力下的蒸汽用量和冷卻負(fù)荷。蒸汽壓力過高或過低都會(huì)導(dǎo)致蒸汽用量和冷卻負(fù)荷的增加，最佳抽空蒸汽壓力為1.0 MPa。

表 1 不同抽空蒸汽壓力下的蒸汽用量、冷卻負(fù)荷

注：真空度10mmHg；抽氣量：4643.6 Nm3/h。

蒸汽飽和度也對(duì)抽空系統(tǒng)的穩(wěn)定性及真空度有明顯影響。過飽和蒸汽中往往含有微小水珠，在噴嘴處高真空狀態(tài)下，微小水珠進(jìn)入抽空器噴嘴處會(huì)迅速氣化，體積的瞬時(shí)膨脹會(huì)導(dǎo)致抽空器發(fā)生較大的噪聲，同時(shí)，迅速膨脹的水蒸氣會(huì)占據(jù)抽空器空間，大大降低抽空器的抽空能力。由于蒸汽中的水珠時(shí)有時(shí)無，當(dāng)無水珠時(shí)，抽空性能良好，而一旦含有水珠，抽空能力便會(huì)下降，因而影響蒸餾系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，減頂抽真空系統(tǒng)的動(dòng)力蒸汽上游應(yīng)設(shè)分水設(shè)施，最好采用過熱5～10℃的蒸汽[3]。

2 冷凝冷卻器的影響

減頂油氣出塔后經(jīng)過一級(jí)抽空器增壓，將減頂油氣的壓力提高到常規(guī)冷卻介質(zhì)所能達(dá)到的冷卻溫度下，從而塔頂油氣和一級(jí)抽空器的動(dòng)力蒸汽被冷凝為液體，進(jìn)入下一級(jí)抽空器。如果一級(jí)冷凝器的出口壓力較低，在油氣分壓作用下還有較多的水蒸氣沒有被冷凝下來，會(huì)導(dǎo)致下一級(jí)抽空器的負(fù)荷較高，抽真空的動(dòng)力消耗增大。因此，必須降低水的飽和蒸汽壓，即降低冷凝器的出口溫度(見表2)，以達(dá)到降低抽空器負(fù)荷的目的。

降低冷凝冷卻器的出口溫度，關(guān)系到冷卻器的選型和冷卻介質(zhì)的條件，比較干燥的地區(qū)可以采用濕空冷，濕空冷的出口溫度可以達(dá)到35～36℃。若裝置有低溫水供應(yīng)，采用水冷器是最理想的選擇，抽空系統(tǒng)的動(dòng)力消耗會(huì)大幅度的降低[4]。若采用循環(huán)水冷卻，因循環(huán)水的溫度通常為30～32℃，夏季普通水冷卻器難以達(dá)到40℃以下，并且要消耗大量的循環(huán)水，若采用表面冷凝冷卻器，由于其具有一定的逆流傳熱作用，可以使冷凝冷卻器的出口溫度達(dá)到38℃以下，循環(huán)水的耗量也會(huì)有較大幅度降低，近年來這種高效水冷器得到了廣泛應(yīng)用。

表2 不同溫度下水的飽和蒸汽壓

因此，充分利用當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和公用工程條件，恰當(dāng)?shù)倪x擇冷凝冷卻器的型式，有效的降低冷凝冷卻器的出口溫度，對(duì)降低抽真空系統(tǒng)的動(dòng)力消耗十分重要。

3 抽空器壓縮比的影響

壓縮比是指抽空設(shè)備的排出壓力(絕壓)與吸入口壓力(絕壓)的比值。單級(jí)抽空器的壓縮比通常不大于8，而減頂抽真空系統(tǒng)需要的壓縮比較大，一般采用兩級(jí)或多級(jí)抽空器串聯(lián)操作。過高或過低的壓縮比會(huì)帶來蒸汽消耗過大而不經(jīng)濟(jì)，因此需要對(duì)減頂抽真空系統(tǒng)的各級(jí)抽空器的壓縮比進(jìn)行優(yōu)化，從而降低真空系統(tǒng)的能耗[5]。

表3為某1200萬t/a常減壓裝置減壓塔頂物流工藝參數(shù)，減壓塔頂采用三級(jí)蒸汽抽真空系統(tǒng)。為更加直觀的探究規(guī)律，此處做如下假設(shè)：抽真空系統(tǒng)各級(jí)抽空器之間(包括冷卻器、工藝管道)阻力降為零，減壓塔頂各級(jí)壓力可簡(jiǎn)化為表4所示，各級(jí)壓縮比具有如下關(guān)系：N1*N2*N3=Po/Pt。

表3 減壓塔頂物流工藝參數(shù)

表4 減壓塔頂抽真空系統(tǒng)操作壓力

在減頂抽真空系統(tǒng)中，一級(jí)抽空器占主要作用，消耗蒸汽量最大，一級(jí)抽空器就有增壓作用，若排出壓力過低，后級(jí)抽空器吸氣負(fù)荷過大，因此將一級(jí)抽空器壓縮比定為5～10，通過抽真空系統(tǒng)的計(jì)算，得到一級(jí)抽空器壓縮比為5～8時(shí)，抽真空系統(tǒng)蒸汽總用量，如圖1所示，一級(jí)抽空器壓縮比在7～8之間時(shí)，總能耗最低。在一級(jí)壓縮比為7和8的前提下，計(jì)算了不同二三級(jí)抽空器壓縮比下的蒸汽消耗量，如圖2～3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，減頂二級(jí)抽空器壓縮比2～4、三級(jí)抽空器壓縮比為3～4時(shí)，蒸汽消耗量最低。

圖1 一級(jí)抽空器不同壓縮比下的系統(tǒng)能耗

圖2 一級(jí)抽空器壓縮比為7時(shí)的系統(tǒng)能耗

圖3 一級(jí)抽空器壓縮比為8時(shí)的系統(tǒng)能耗

蒸汽+液環(huán)泵組合抽真空系是用液環(huán)真空泵代替第三級(jí)蒸汽抽空器，該系統(tǒng)能夠大幅降低動(dòng)力蒸汽消耗量，同時(shí)大大降低了酸性水的排放，因此廣泛應(yīng)用于新建常減壓裝置及現(xiàn)有裝置的節(jié)能改造中[6]。為最大限度節(jié)省蒸汽的消耗，在用液環(huán)真空泵替代三級(jí)抽空器的同時(shí)，需要將二級(jí)抽空器作相應(yīng)改造，即通過更換抽空器或者噴嘴的手段優(yōu)化抽空系統(tǒng)的壓縮比?？蛇m當(dāng)提高液環(huán)泵壓縮比，降低二級(jí)抽空器壓縮比，從而節(jié)省更多蒸汽，同時(shí)也要考慮到液環(huán)泵壓縮比過大對(duì)選型投資造成的影響。

4 結(jié)論

減壓塔頂抽真空系統(tǒng)的真空度及能耗除與抽真空設(shè)備本身有關(guān)外，與抽空動(dòng)力蒸汽質(zhì)量、冷凝器形式、冷卻水溫度及抽空器壓縮比也有直接關(guān)系。合適的蒸汽壓力、過熱的動(dòng)力飽和度、較低的冷卻水溫度、表面蒸發(fā)冷凝技術(shù)以及合理的抽空器壓縮比都有利于提高塔頂真空度，降低抽真空系統(tǒng)的能耗。其中，蒸汽抽真空系統(tǒng)中，一、二、三級(jí)抽空器的壓縮比分別取7～8、2～4、3～4時(shí)，減頂抽真空系統(tǒng)的消耗最低。若液環(huán)真空泵替代第三級(jí)抽空器，則可以將液環(huán)泵的壓縮比提高，二級(jí)抽空器的壓縮比降低，從而最大限度的降低蒸汽的消耗，達(dá)到節(jié)能目的。

[1]李志強(qiáng).原油蒸餾工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2007:487-496.

[2]趙 曼,李來廣.蒸汽噴射真空泵的影響因素及解決途徑[J].糧食流通技術(shù),2006(3):18-19.

[3]周友軍,方杞青,張 明,等.影響蒸汽噴射真空泵真空度的主要因素[J].重型機(jī)械,2013(S1):336-338.

[4]吳衍興,嚴(yán)易明,張道光.減壓蒸餾塔頂抽空冷凝器采用淺冷技術(shù)的探討[J].石油化工設(shè)計(jì),2010,27(1):36-38.

[5]唐孟海,胡兆靈.常減壓蒸餾裝置技術(shù)問[M].2版.北京：中國石化出版社,2015:151-160.

[6]李 琳,于會(huì)泳.液環(huán)真空泵在常減壓蒸餾裝置中的應(yīng)用[J].石化技術(shù),2008,15(1):36-38.