精餾塔壓力熱旁通系統(tǒng)設(shè)備及管道布置研究

黃俊文

(惠生工程中國有限公司，上海 201210

精餾，在某些化工生產(chǎn)中是至關(guān)重要的一步，經(jīng)過該步驟可以實現(xiàn)混合物的分離，從而制得不同濃度的化工產(chǎn)品。要進(jìn)行精餾，得到所需目標(biāo)產(chǎn)物，離不開精餾塔這一載體。精餾塔的選型是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一,而另一個十分重要的因素就是精餾塔的壓力，壓力的改變會影響塔內(nèi)的氣液平衡，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。由此可見，一個合適的精餾塔壓力控制方案十分關(guān)鍵。

在精餾塔的壓力控制方案中，熱旁通壓力控制方案比較適合塔頂冷凝器全冷的情況，精餾塔的壓力是通過調(diào)節(jié)換熱器的冷凝表面積來調(diào)節(jié)的[1]。它的優(yōu)點是：回流罐置于高處，高于冷凝器，對于回流泵來說，凈正吸入壓頭較大；冷凝器可直接放置在地上，省去了支撐構(gòu)架，節(jié)約了投資成本，并且方便換熱的檢修操作；調(diào)節(jié)閥安裝在冷凝器的熱旁通管道處，較大地減小了尺寸[1]。因為熱旁通控制的優(yōu)點，目前已經(jīng)被石化行業(yè)大范圍地采用。

1 熱旁通控制的原理

熱旁通控制是在精餾塔塔頂與回流罐之間增加一條物流線，通過該管線的調(diào)節(jié)作用改變冷凝器的換熱面積以及液位高度，最終實現(xiàn)對精餾塔壓力的控制。其流程簡圖如圖1所示。

當(dāng)塔頂壓力低于設(shè)定壓力時，增大熱旁通調(diào)節(jié)閥的開度，使得回流罐中的壓力升高，回流罐中的液體會倒流到冷凝器中;冷凝器中的冷凝液不斷增加，氣體的冷凝速度降低，使得塔內(nèi)的氣體不斷在塔內(nèi)積累，塔頂壓力也由此不斷升高。同理，當(dāng)塔頂壓力高于設(shè)定壓力時，減小熱旁通調(diào)節(jié)閥的開度，會有更多的冷凝液進(jìn)入回流罐中;氣體冷凝的速度上升，塔內(nèi)的氣相能較快進(jìn)入冷凝器中，塔頂壓力不斷較小[2]。

圖1 熱旁通控制方案

2 熱旁通系統(tǒng)設(shè)備的布置

與控制氣相采出、補充氮氣控制壓力、負(fù)壓塔壓力控制等常規(guī)精餾塔壓力控制系統(tǒng)相比，熱旁通系統(tǒng)的設(shè)備布置的特點就是把回流罐布置在冷凝器上方。本文以某烯烴分離裝置的丙烯精餾塔系統(tǒng)為例。圖2塔壓是用丙烯產(chǎn)品的采出來控制，通過丙烯精餾塔塔頂冷凝器溢流操作實現(xiàn)，在該控制方式下，丙烯精餾塔塔頂冷凝器的布置一定要比回流罐高。為了保證丙烯精餾塔塔頂餾出物進(jìn)回流泵時不汽化，回流罐C必須布置在框架上，安裝標(biāo)高為 9.2 m，冷凝器則相應(yīng)布置在 18.3 m 處，才能滿足泵所需的汽蝕余量。圖3是采用熱旁通方案，在該方案中，冷凝器B1和B2布置在地面上，即減少了鋼結(jié)構(gòu)的用量，也方便換熱器的沖洗、檢修。

但是，熱旁通控制也存在局限。由于空冷器管束不同于管殼式換熱器，液位變化的靈敏度較難滿足要求，需將空冷器傾斜來滿足調(diào)節(jié)液位的要求。

圖2 丙烯精餾塔塔頂冷凝器及回流罐布置方案一

圖3 丙烯精餾塔塔頂冷凝器及回流罐布置方案二

3 熱旁通系統(tǒng)的管道布置

由于冷凝器的壓力大于回流罐內(nèi)液體的泡點壓力，需保證出口冷凝液為過冷狀態(tài)，以防止冷凝液在進(jìn)入回流罐時發(fā)生閃蒸。在做熱旁通系統(tǒng)管道及閥組的布置時，應(yīng)注意對系統(tǒng)液位的影響，以及冷凝液出口液體過冷度的保證[3]。

3.1 熱旁通管道及冷凝液管道的布置

在熱旁通控制方案中，過冷液體由冷凝器進(jìn)入回流罐，氣液兩相處在一個不平衡的狀態(tài)。由于這種不平衡狀態(tài)，在化工生產(chǎn)時，若觸及沒有保溫的罐體時，時常感覺到罐體的上半部溫度高，而下半部溫度低。在回流罐中存在一層“液膜”，該液膜會與來自塔頂?shù)臍庀啾３种鴼庖浩胶?。若該液膜發(fā)生波動，會引起冷凝液液位的波動，從而引起回流罐和塔頂壓力的變化。因此保持該液膜的溫度十分重要，這就需要在設(shè)計的過程中考慮保持回流罐中的液位穩(wěn)定[4]。在進(jìn)行熱旁通管道和冷凝液管道的布置時，需注意以下幾點：

1)冷凝器出口液體，應(yīng)盡量從回流罐底部進(jìn)入罐體(圖4)。若只能從頂部進(jìn)入回流罐時，入口的管道應(yīng)該延伸至罐底部位置，盡量減少由于冷凝液進(jìn)料對罐液位造成的波動(圖5)。

圖4 冷凝液管道從底部進(jìn)入回流罐

圖5 冷凝液管道從頂部進(jìn)入回流罐

2)熱旁通管線應(yīng)盡量從回流罐的頂部進(jìn)料。該段管道在配管設(shè)計時應(yīng)注意避免出現(xiàn)液袋，水平管道應(yīng)增加坡向回流罐的坡度(坡度一般為2‰～3‰)，使積聚在管道中的液體能自流回到罐體中。熱旁通管線上的調(diào)節(jié)閥，組宜安裝在回流罐的上一層平臺(圖6)，或回流罐同層平臺上(圖7)。

圖6 熱旁通閥組布置在回流罐上一層平臺

圖7 熱旁通閥組布置在回流罐同層平臺

3)對熱旁通的管道及回流罐進(jìn)行保溫。由于極小的溫度變化，如下雨等，都會對整個系統(tǒng)的控制造成影響，因此需在設(shè)計過程充分考慮溫度對系統(tǒng)壓力的影響。

4)熱旁通管線不能先與冷凝液管道混合，然后再進(jìn)入回流罐的方法。圖8是兩種氣液先混合再分別從罐底、罐頂進(jìn)入回流罐的方式，這樣是為了除去罐內(nèi)氣液兩相的溫差，更易于調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力。但在實際的生產(chǎn)過程中，若將兩股物料先混合，再進(jìn)入回流罐，首先會造成回流罐內(nèi)液位的波動，其次在混合過程中，塔頂?shù)臍庀鄷焕淠斐蓳Q熱器冷量的波動。因此，若用圖8的方法，會對控制塔頂壓力造成困難，且在關(guān)閉熱旁通的調(diào)節(jié)閥時，調(diào)節(jié)閥閥后的氣體會冷凝，發(fā)生“水錘”。

圖8 兩種不合理的熱旁通工藝流程

3.2 不凝氣管道的布置

在實際生產(chǎn)中，塔頂氣相中?；熘僭S的不凝氣。不凝氣會順著管線進(jìn)入下游設(shè)備，若不能及時地將不凝氣排出，氣體會一直在系統(tǒng)中積聚。而在熱旁通系統(tǒng)中，不凝氣會積聚在冷凝器的殼程中，隨著不凝氣越積越多，冷凝器的有效傳熱面積會不斷下降，壓力會不斷增大，同時也會造成塔內(nèi)壓力不斷增大。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以通過手動調(diào)節(jié)，將不凝氣排出系統(tǒng)。主要流程是：將熱旁通關(guān)閉，打開回流罐的調(diào)節(jié)閥，此時，塔頂?shù)臍庀嗖粩噙M(jìn)入冷凝器，將不凝氣趕入回流罐，然后放空口排出；觀察壓力的變化，當(dāng)壓力降到一定值時，可關(guān)閉放空閥，打開熱旁通，開始運行。

該操作方法也存在問題:第一并非一勞永逸，需要隔一段時間，就不斷地重復(fù)該操作，排放系統(tǒng)中的不凝氣；第二，手動調(diào)節(jié)勢必會造成不穩(wěn)定性的提高，而該不穩(wěn)定性可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降。因此，制定一個減少人為手動操作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法勢在必行。

經(jīng)過實踐，增加一條從冷凝器到回流罐的不凝氣管線，就可有效解決壓力控制不穩(wěn)的問題(圖9)。該方法只需定期打開不凝氣線路上的遙控閥即可實現(xiàn)不凝氣的排空。

圖9 增設(shè)自冷凝器至回流罐的不凝氣線

不凝氣管道及閥門的布置應(yīng)注意以下幾點：

1) 冷凝器殼程設(shè)置不凝氣排放管道時，不應(yīng)留有死角。如果冷凝器殼程內(nèi)有擋板結(jié)構(gòu)，則應(yīng)在擋板兩側(cè)的高點分別設(shè)置不凝氣排放管口，如圖10所示。

2) 不凝氣排放管線從冷凝器到下游回流罐的走向，應(yīng)滿足自流無袋型，以防止液相積聚在管道內(nèi)低點。

3) 不凝氣排放管線上的閥門，宜選用電動或啟動的開關(guān)閥。如果選用手閥，則應(yīng)保證該閥門便于操作。通常，采用熱旁通壓力控制的冷凝器，其直徑都較大，因此一般需要在手閥處設(shè)置固定操作平臺。

圖10 冷凝器不凝氣排放管口的設(shè)置

3.3 冷凝器循環(huán)冷卻水管道的布置

冷凝器循環(huán)冷卻水管道的設(shè)置時應(yīng)注意以下幾點：

1) 冷凝器循環(huán)冷卻水側(cè)的流速應(yīng)≥ 1 m/s。如果循環(huán)冷卻水在冷凝器內(nèi)流速較低，會導(dǎo)致循環(huán)水內(nèi)的泥沙在換熱器內(nèi)沉積，阻力增大，流量降低。而循環(huán)水流量降低，則會導(dǎo)致循環(huán)水出口溫度較高，造成換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，影響冷凝器的正常運行，無法保證精餾塔的壓力。

2) 循環(huán)水管道的布置應(yīng)便于冷凝器封頭拆卸清洗，必要時在管道上增設(shè)拆卸法蘭。圖11中的循環(huán)水管道布置，選用了對夾式蝶閥作為切斷閥，卻沒有在管道上設(shè)置拆卸法蘭，導(dǎo)致冷凝器需要拆封頭清洗時循環(huán)水管路無法切斷拆除，使得換熱器的檢修清洗無法進(jìn)行。

圖11 循環(huán)冷卻水管道錯誤布置示例

4 結(jié)語

當(dāng)精餾塔壓力采用熱旁通控制方案時，應(yīng)先根據(jù)工藝物料特性計算回流泵所需的凈正吸入壓頭，從而確定回流罐的安裝高度;再根據(jù)壓差計算冷凝器和回流罐的高度差，并盡量把冷凝器布置在地面上，以便于冷凝器的檢修和清洗。在做冷凝液管道、熱旁通管道、不凝氣排放管道和循環(huán)冷卻水管道的設(shè)計時，應(yīng)注意保證回流罐內(nèi)液位的穩(wěn)定以及冷凝液管道的過冷度，嚴(yán)格滿足工藝要求的管道、閥組自流無袋型要求，并充分考慮冷凝器的檢修沖洗方便。