精餾塔進料系統(tǒng)水力學(xué)計算優(yōu)化

曾 明

（上?？圃蓟こ淘O(shè)計有限公司，上海 200124）

塔器可實現(xiàn)蒸餾和吸收2 種分離操作，其性能對整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量﹑質(zhì)量﹑生產(chǎn)能力﹑消耗定額以及三廢處理和環(huán)境保護等，都有重大的影響。因此，塔器的相關(guān)設(shè)計和研究，受到化工﹑煉油等行業(yè)的極大重視[1]。精餾塔是進行精餾的一種塔式氣液接觸裝置。有研究表明，在整個生產(chǎn)的能源消耗中，精餾塔能耗的占比超過了35%。如何減少精餾塔的能源消耗量是化工行業(yè)的關(guān)鍵問題[2]。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在進行精餾生產(chǎn)時，裝置操作都偏向于保守，因操作方法及操作參數(shù)的設(shè)置不夠合理，過分離現(xiàn)象普遍存在[3]。由于精餾過程消耗的能量絕大部分不是用于組分分離，而是被冷卻水或分離組分帶走，因此目前精餾過程的節(jié)能技術(shù)，主要包括分離序列的選擇和操作條件的優(yōu)化[4-6]。

分離序列的選擇和操作條件的優(yōu)化固然能夠產(chǎn)生較好的節(jié)能降耗效應(yīng)，但是風(fēng)險很大。對于成熟的工藝路線，若沒有專利商的經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)支持，設(shè)計院不敢輕易改變精餾塔及其內(nèi)件的設(shè)計。因此，精料塔進料泵水力學(xué)的計算多由設(shè)計院完成，但對它的優(yōu)化則少有人觸及。

1 精餾塔的進料流程和水力學(xué)計算

精餾塔的進料可以借助上下游設(shè)備的工作壓力差或高程差來實現(xiàn)，最典型的還是通過輸送泵＋控制閥來實現(xiàn)進料的精準控制。根據(jù)蒸發(fā)器的相對位置不同，可以將精餾塔進料流程分為以下3 種情況（圖1），其中圖1(C)是最常見的流程，也是本文討論和分析的重點，其他2 種流程的計算優(yōu)化可以參考進行。

圖1 常見的精餾塔進料流程

針對普通離心泵的水力學(xué)計算，各家設(shè)計院在管件當(dāng)量長度的選取﹑管道摩擦阻力的計算上，都有各自獨特的經(jīng)驗，但是萬變不離柏努利方程。

其中z 為位能，m；u 為流體在管道里的流速，m?s-1；P 為壓強，Pa；He為輸送設(shè)備對流體提供的有效壓頭，本文中即為泵的揚程，m；Hf為壓頭損失，本文中即為管道阻力，m。

泵的水力學(xué)計算終點的選取，包括實際終點﹑管道路程中的最高點﹑氣液分離點等。圖1(A)的流程中，泵的水力學(xué)計算終點為換熱器E-001 工藝的側(cè)入口處。換熱器的布置常與塔T-002 的進料管口等高，氣液兩相出口到塔，可以通過自流來實現(xiàn)。按照圖1(B)的流程，也常把控制閥LCV-001 布置在管口附近，計算的終點即為控制閥的入口。液體的密度分為2 段，即E-001 之前和E-001 之后。升溫會降低液體密度，采用分段計算，使用不同溫度下的密度和黏度，即可獲得所需揚程。對于圖1(C)的流程，飽和液體沿著立管進塔的過程中，壓力既會隨著高程的增加而減少，又會因流經(jīng)管道﹑管件及控制閥LCV-001 而減少。對于飽和液體，壓力降低意味著可能會發(fā)生閃蒸。閃蒸后的流體呈現(xiàn)氣液兩相，其混合密度遠比普通液體要低，而且越靠近T-002 的進料管口，密度越低。一般來說，設(shè)計院的泵的水力學(xué)計算書，僅能涵蓋泵出口到控制閥入口這一區(qū)間的計算。

2 精餾塔進料的水力學(xué)計算

上述理論分析表明，在圖1(C)的流程中，泵的水力學(xué)計算與控制閥LCV-001 的位置有很大的關(guān)系?？刂崎y的安裝位置低，液相段短，兩相段長；控制閥的安裝位置高，液相段長，兩相段短，從而衍生出工程實踐中2 種不同的設(shè)計思路。

方案1：LCV-001 靠近下游精餾塔T-002 進行布置，以確?？刂崎y前的管線內(nèi)部為液體，閃蒸發(fā)生在閥門之后。好處是精餾塔進料管線內(nèi)的流體是均相，管線不易發(fā)生震動。此外，由于閃蒸需要的擴徑發(fā)生在閥門之后，粗管長度較短，如果管線材質(zhì)為特種鋼，在投資上較有優(yōu)勢。

方案2：LCV-001 靠近地面安裝。流體從控制閥后開始閃蒸。這種設(shè)計的優(yōu)勢將在后面通過項目實踐詳述。

某項目的常壓精餾塔到減壓精餾塔之間就有1臺這樣的輸送泵。流體在上下游設(shè)備中的狀態(tài)和物理屬性見表1。

表1 流體在T-001 塔釜出料和T-002 進料時的物料屬性

按方案1 的要求，將控制閥LCV-001 設(shè)置在30.2m 高程處。T-001 到LCV-001 之間可按照普通泵的水力學(xué)計算程序進行計算，由式(1)變形計算而獲得揚程信息。

由于T-001 塔釜出料管口的管徑（2”）和泵出口的管徑接近（1~1/2”），u1和u2流速相差無幾，。

由于計算終點是控制閥LCV-001 的入口，且液體恰好不閃蒸，因此控制閥的入口壓力和密度與物料起點處的狀態(tài)一致，。

Hf包括泵入口管道的阻力降和出口管道的阻力降，由計算可得1.8m。

因此，泵的He≈30.2-4＋1.8＝28m。

在不考慮合理裕度（下文計算均不含裕度）的前提下，應(yīng)選擇1 臺揚程為28m 的泵。此時控制閥LCV-001 的阻力降約為93kPa。

按照方案2 的設(shè)計，LCV-001 之后即可能發(fā)生閃蒸。兩相流情況下，不能采用傳統(tǒng)的泵的水力學(xué)計算方式。相關(guān)實踐表明，將微元法和Taitel-Dukler 方法組合使用，是一個比較好的解決思路。具體過程如下：

1）假定各項物性隨壓力變化的規(guī)律屬于線性變化，根據(jù)流體在T-001 塔釜出料和T-002 進料時的物料屬性，可以擬合出物料的各項屬性與流體壓力之間的關(guān)系。其中?P＝P’-P2，式(2)~式(7)的適用范圍為P2＜P’＜P1。

借助理想氣體狀態(tài)方程，可以獲得氣體密度方程。

其中l(wèi)e為當(dāng)量長度，m；dP 為管道的百米阻力降，kPa?(100m)-1。

∑le×dP/100 即對流程上每一微元下的管道阻力進行求和。

2）Taitel 和Dukler 把兩相管路的流型分為5種，假設(shè)管內(nèi)的氣液兩相為一維的穩(wěn)態(tài)流動，從分層流入手，研究流型轉(zhuǎn)換機理與分界準則，在此基礎(chǔ)上提出Taitel-Dukler 方法，并獲得了廣泛的認同[7]。根據(jù)已知的氣體﹑液體的流量和密度，利用Taitel-Dukler 方法辨識流體形態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)的流體形態(tài)選擇合適的計算公式，從而獲得dP。其中Taitel-Dukler 方法的計算過程由上海科元燃化工程設(shè)計有限公司自主研發(fā)的軟件Line Sizing 完成。以T-002 進料口的物性為輸入，可以獲得在靠近T-002進料管口處的立管的dP 為95.2kPa（Line Sizing 計算報告略，下文同）。

3）根據(jù)管道的實際路徑和長度，結(jié)合合適的dP，即可獲得流體在這一區(qū)間內(nèi)的壓力降。由實際配管可知，控制閥LCV-001 到T-002 進料口之間的布管大體分為3段：從2.0m高程（LCV-001安裝位置）到18.2m 高程為立管；在18.2m 高程，管道水平敷設(shè)近20m；從18.2m 高程到30.2m 高程之間又是立管。

微元法是解決物理問題時常用的一種解題思想，即先分割逼近，找到規(guī)律，再累計求和，了解整體。通過試算，在立管上選取4m 為1 段微元，即能較好地反映工程實際；水平管由于距離較短，壓降變化較小，故不作分割。相關(guān)的計算結(jié)果見表2。

表2 不同高程下的物料屬性模擬

3 結(jié)果分析和系統(tǒng)優(yōu)化

由表2 可知，當(dāng)控制閥LCV-001 布置在2.0m高程處時，其閥后壓力僅為40.62kPa。假定閥門阻力降為60kPa（工程實際常以50~70kPa 的壓力降作為控制閥的設(shè)計條件），則閥門入口壓力為100.6kPa。這一結(jié)果甚至小于T-001 的操作壓力103kPa。再將塔內(nèi)液位高度（4.0m）計入，則閥門的入口壓力可以達到120kPa[103＋877×(4-2)×9.8/1000]，因閥門入口管線較短，管道阻力可以忽略不計?？梢园l(fā)現(xiàn)，按照方案2 去布置LCV-001，正常操作條件下，無需泵驅(qū)動即可實現(xiàn)精餾塔T-001 向T-002 輸送物料，且驅(qū)動力尚有接近20kPa 的裕度。而根據(jù)前面的分析，方案1 需要配備1 臺揚程為28m 的輸送泵。

需要指出的是，上述方案2 的計算僅適用于正常運行工況，可能并不適用于某些特定的工況比如開停車。此時，上下游精餾塔的穩(wěn)態(tài)尚未建立，輸送物料中的輕組分濃度較低，控制閥后的閃蒸量少，僅憑T-001 和T-002 之間的壓力差或1 臺揚程較小的泵，不足以推動足夠的物料進入下游，或者推遲穩(wěn)態(tài)建立的時間。此時就需要工藝工程師與業(yè)主﹑專利商充分溝通，去判定這些特定工況對泵能力和揚程的需求，也可以選擇1 臺適用特定工況的泵現(xiàn)場備用，既滿足業(yè)主多工況的需求，又能達到節(jié)能降耗的目的。