利用熱平衡和試差法核算分餾塔頂注水量

藺峰濤

（中國(guó)石化滄州煉化公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北 滄州 061000）

0 引言

分餾塔頂注水是控制塔頂?shù)蜏夭课桓g的重要工藝防腐措施，在常減壓裝置“三頂”（初餾塔、常壓塔、減壓塔）、催化裂化和延遲焦化裝置的分餾塔頂、臨氫裝置的空冷、汽提塔和分餾塔頂?shù)炔课欢加袘?yīng)用。注水位置一般在塔頂揮發(fā)線或多列塔頂冷換設(shè)備的入口。注水的作用主要有稀釋酸性物質(zhì)，提高初凝區(qū)pH值，將沉積的鹽洗走，以及從氣相中洗去可能結(jié)鹽的物質(zhì)。注水量應(yīng)使注入點(diǎn)存在足量液態(tài)水，典型的注水量應(yīng)使注水點(diǎn)氣相水達(dá)到飽和所需水量再加上25%[1,2]。注水量不足，尤其是在回用本裝置含硫污水的情況下，不僅起不到預(yù)期的效果，甚至可能產(chǎn)生副作用，增加塔頂系統(tǒng)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。目前由于缺乏較為通用的注水量核算方法，一些裝置在注水管理方面較為粗放，在工藝條件變化時(shí)不能及時(shí)核算理論注水量，造成注水量調(diào)整比較隨意，不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效的控制[3,4]。

1 原理

注水進(jìn)入塔頂揮發(fā)線后，受熱氣化，塔頂氣相中水蒸氣分壓增大，當(dāng)水蒸氣的分壓達(dá)到此刻溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，繼續(xù)增加注水量，就會(huì)產(chǎn)生液態(tài)水。我們的期望值是液態(tài)水達(dá)到總注水量的25%以上[5,6]。

在這一過(guò)程中，塔頂氣相溫度降低，放出熱量。注入的水溫度升高，部分氣化，吸收熱量。根據(jù)能量守恒原理，放熱量等于吸熱量，這樣就可建立等式，計(jì)算出我們需要的注水未氣化率。

1.1 吸熱和放熱的主要計(jì)算方法：

放熱方：

（1）富氣（或干氣+液化氣）組分熱量可使用比熱（查常用氣體比熱表，或用理想氣體比熱計(jì)算公式）、流量、溫降計(jì)算；

（2）汽油組分熱量可通過(guò)焓差（由密度、餾程得到，查焓圖或使用擬合公式）、流量計(jì)算；

（3）油氣中水蒸氣組分熱量可通過(guò)焓差（由溫度、壓力得到）、流量計(jì)算。

吸熱方：

（1）注水蒸發(fā)部分熱量可使用氣、液相焓差、流量計(jì)算；

（2）注水未蒸發(fā)部分熱量可使用液相焓差、流量計(jì)算。

1.2 計(jì)算過(guò)程的主要步驟

第一步：根據(jù)塔頂油氣組成和流量計(jì)算油氣體積流量、摩爾流量；

第二步：估計(jì)注水后溫度 ，查蒸汽表（或用擬合公式）得到此溫度水的飽和蒸氣壓；

第三步：做熱平衡計(jì)算，得到注水的氣化和未氣化量；

第四步：如注水的未氣化量（即液態(tài)水量）大于總注水量的25%，適當(dāng)提高注水后的估值溫度，反之降低注水后的估值溫度，重復(fù)第二步和第三步計(jì)算；

通過(guò)幾次試差，即可得到準(zhǔn)確值。

注意：計(jì)算中不考慮注水前后汽油組分的冷凝。在流程模擬計(jì)算中也可以發(fā)現(xiàn)汽油組分基本沒有發(fā)生冷凝。其主要原因是注水后由于水的蒸發(fā)使汽油分壓降低，汽油組分露點(diǎn)溫度相應(yīng)降低。

2 計(jì)算舉例

我們以某催化裂化裝置分餾塔頂注水為例，具體說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。

2.1 計(jì)算所需工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)

表1 分餾塔頂油氣組成（包括終止劑汽油）

表2 操作條件

所需的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)：干氣和液化氣的體積組成（氣相色譜）；汽油的密度和餾程。（數(shù)據(jù)略）

以上為計(jì)算所需全部數(shù)據(jù)。

2.2 核算的詳細(xì)過(guò)程

第一步：首先計(jì)算塔頂物料的平均分子量和摩爾流量（干氣、液化氣的平均分子量由體積組成得到，汽油平均分子量由密度和餾程得到）：

表3 塔頂物料的組成和流量

其中，油氣（干氣+液化氣+汽油）摩爾流量合計(jì)1687.50kmol/h。

第二步：估計(jì)注水后溫度。估算的溫度不影響最終結(jié)果，只是影響插值的計(jì)算次數(shù)。第一次估值，可以參考注水點(diǎn)3～5m后的管壁溫度（實(shí)測(cè)）。

本例假設(shè)注水后溫度為99℃。

第三步：熱平衡計(jì)算

（1）塔頂油氣放熱計(jì)算：

合計(jì)放熱量：4483184+1997008=6480192 kJ/h

（2）注水的吸熱計(jì)算：

注水后99℃水的飽和蒸氣壓（分壓）：0.0979MPa（查焓圖或使用擬合公式）

油氣分壓（總壓減去水蒸汽分壓）：

注水后水蒸汽的摩爾流量（分壓的比值即為摩爾流量的比值）：

注水后水的氣化量（即為水蒸氣流量前后的差值）：

氣化部分水的吸熱量（由焓差和流量計(jì)算）：

忽略散熱量，根據(jù)熱量守恒，未氣化部分水的吸熱量：

表4 汽油和水蒸氣組分放熱量

表5 干氣和液化氣組分放熱量

表6 注水的吸熱量

除以前后焓差，即為未氣化部分水的流量：

水的未氣化率：11319.99/12729.57=88.9%

也就是說(shuō)，當(dāng)注水量為13.3t/h時(shí)，注水點(diǎn)后液態(tài)水為注水量的88.9%，此時(shí)注水點(diǎn)后溫度為99℃。

此時(shí)，過(guò)量水超過(guò)25%的目標(biāo)，我們可以逐步提高假設(shè)的注水溫度，重復(fù)第二步以后的計(jì)算過(guò)程。隨著假設(shè)注水溫度的提高，計(jì)算出的注水量將降低，注水后液態(tài)水的比例也會(huì)相應(yīng)降低。如表7所示。

表7 注水溫度與注水量的關(guān)系

當(dāng)注水溫度提高至99.9℃以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)塔頂油氣的放熱量低于注水氣化至飽和狀態(tài)時(shí)所需的熱量，其意義代表注水全部氣化，無(wú)液態(tài)水存在。

當(dāng)注水量為3.28t/h時(shí)，注水點(diǎn)后液態(tài)水比例為25%。

注水量2.54t/h為臨界點(diǎn)。低于此注水量時(shí)，注水點(diǎn)后無(wú)液態(tài)水存在，注水接近全部氣化。高于此注水量時(shí)，注水點(diǎn)后開始出現(xiàn)液態(tài)水。

不同注水量與注水點(diǎn)后液態(tài)水比例的關(guān)系如圖1所示：

圖1 注水量與注水點(diǎn)后液態(tài)水比例對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

3 影響注水量的綜合因素

首先應(yīng)保證注水點(diǎn)后液態(tài)水量不低于注水量的25%，這是基本要求。由于數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算過(guò)程的誤差以及生產(chǎn)工藝的波動(dòng)，實(shí)際控制不宜太保守。另外，應(yīng)注意單臺(tái)冷換設(shè)備的平均注水量不應(yīng)低于溶解、清洗鹽垢所需水量。多臺(tái)并列冷換設(shè)備會(huì)產(chǎn)生分配不均問(wèn)題，隨著并列臺(tái)數(shù)的增加，應(yīng)增加總注水量。

對(duì)于回收塔頂?shù)蜏責(zé)岬难b置來(lái)說(shuō)，不必?fù)?dān)心注水量影響塔頂取熱。從以上的計(jì)算過(guò)程可以看到，當(dāng)注水量在臨界點(diǎn)前時(shí)，每增加注水1t/h，塔頂溫降約10℃，溫降較大。當(dāng)越過(guò)臨界點(diǎn)出現(xiàn)液態(tài)水后，塔頂溫降大幅趨緩。本例中，增加注水10t/h，溫降也只有約1℃，對(duì)塔頂?shù)蜏責(zé)峄赜糜绊懞苡邢蕖?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

文章提供一種核算塔頂注水量的方法，主要依據(jù)為熱平衡核算，這是基礎(chǔ)的工藝計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程相對(duì)比較容易，可以不依賴流程模擬類專用軟件，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。試差計(jì)算過(guò)程非常直觀，接近實(shí)際過(guò)程的物理變化，對(duì)于工藝人員理解注水的過(guò)程和原理也有幫助。

塔頂注水是一項(xiàng)重要的工藝防腐措施，不同塔頂氣組成和不同的的工藝條件，尤其是水蒸氣含量，對(duì)所需注水量的影響很大。當(dāng)工藝參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)核算理論注水量，以實(shí)現(xiàn)注水量的精細(xì)化管理。

塔頂注水應(yīng)服從“宜大不宜小”的原則，考慮各種變化因素，實(shí)際控制量不宜太保守。當(dāng)注水量越過(guò)臨界點(diǎn)出現(xiàn)液態(tài)水后，增加注水量塔頂溫降趨緩，對(duì)塔頂?shù)蜏責(zé)峄赜糜绊懞苡邢蕖?/p>