熱旁路在精餾塔操作中的應(yīng)用

曹 蕾 張峰燕 范曉志

(河北正元化工工程設(shè)計(jì)有限公司 河北石家莊050061)

0 前言

在精餾操作中，習(xí)慣上將回流罐放置于塔頂冷凝器下面，回流罐置于地面，冷凝器置于框架上，此種布置有利于冷凝器中的冷凝液及時(shí)排至回流罐，保證了冷凝器氣相冷凝的傳熱面積。在實(shí)際操作中，冷凝器的檢修和清洗頻率較為頻繁，所以安裝在框架二層操作非常不便。增設(shè)熱旁路，即在精餾塔塔頂與回流罐之間增加1根管線，可成功解決此問題。

1 熱旁路對(duì)冷凝器換熱面積的控制作用

熱旁路控制方案流程見圖1。

圖1 熱旁路控制方案流程

正常生產(chǎn)時(shí)，熱旁路使回流罐上部形成一個(gè)氣液相界面，根據(jù)伯努利方程可知：

(1)

式中：p冷凝器——冷凝器壓力；

H冷凝器——冷凝器液位高度；

hf——摩擦損失；

p回流罐——回流罐壓力；

H回流罐——回流罐液位高度；

ρ——冷凝液的密度；

g——重力加速度。

忽略摩擦損失，由于H回流罐>H冷凝器，則p冷凝器>p回流罐，而這部分壓差即為回流罐與冷凝器之間的液位高差，由此解決了回流罐置于冷凝器之上和冷凝器有效面積縮小的問題。而且冷凝器放置于地面上，便于安裝和檢修；提高了回流罐的高度，即回流泵的凈正吸入壓頭，可減少運(yùn)行費(fèi)用。由于p冷凝器>p回流罐，冷凝器出口冷凝液壓力大于回流罐中氣液接觸界面冷凝液的泡點(diǎn)壓力，即冷凝器中的冷凝液離開時(shí)為過冷狀態(tài)，否則進(jìn)入回流罐會(huì)汽化。

2 熱旁路對(duì)精餾塔塔頂壓力的調(diào)節(jié)

精餾塔的壓力是非常重要的操作參數(shù)，其壓力的波動(dòng)會(huì)直接影響精餾塔內(nèi)的氣液平衡，從而影響精餾塔塔頂產(chǎn)出的成品質(zhì)量，設(shè)置熱旁路可以方便地調(diào)節(jié)精餾塔塔頂壓力。

當(dāng)精餾塔塔頂壓力大于設(shè)定值時(shí)，減小熱旁路控制閥開度，則進(jìn)入回流罐的熱旁路氣體流量減少，氣、液兩相界面間的液體溫度降低，部分氣相冷凝為液體，使回流罐氣相壓力降低。由于回流罐液位受液位控制閥的控制，可以認(rèn)為保持不變，且冷凝器壓力在調(diào)節(jié)過程中也基本保持不變。由公式(1)可知：在忽略摩擦損失且回流罐液位、冷凝器壓力保持不變的情況下，冷凝器液位隨回流罐的壓力降低而下降，說明了隨著熱旁路控制閥開度減小，冷凝器內(nèi)液位降低；這意味著冷凝器被冷凝液浸沒的傳熱面積減少，氣相冷凝速率提高，使塔內(nèi)氣相儲(chǔ)量減少，進(jìn)而塔頂壓力逐漸降低，直至達(dá)到設(shè)定值。

在精餾塔塔頂壓力低于設(shè)定值時(shí)，熱旁路控制閥開度增大，回流罐氣相壓力提高，冷凝器液位升高，氣相冷凝速率降低，塔內(nèi)氣相儲(chǔ)量增加，塔頂壓力逐漸回升至設(shè)定值。由于熱旁路在壓力調(diào)節(jié)時(shí)改變了冷凝器的有效傳熱面積，所以在冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，傳熱面積應(yīng)有富裕量。

3 熱旁路設(shè)計(jì)和安裝時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)回流罐上部的氣體與下部的冷凝液氣、液兩相達(dá)到平衡，并在界面形成一層極薄的液膜，液膜的溫度高于回流罐主體的溫度，所以熱旁路管線和回流罐均應(yīng)保溫，以減少外界溫度的干擾，打破氣液平衡，同時(shí)要求熱旁路物料從回流罐頂部進(jìn)入，冷凝液應(yīng)從回流罐底部進(jìn)入；如果冷凝液從罐頂部進(jìn)入，接管也要伸至罐的底部。

(2)熱旁路控制精餾塔塔頂壓力操作時(shí)，調(diào)節(jié)器為反作用，當(dāng)精餾塔塔頂壓力增大時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小，熱旁路調(diào)節(jié)閥開度減?。环粗?，精餾塔塔頂壓力降低時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)增大，熱旁路調(diào)節(jié)閥開度增大。

(3)采用熱旁路調(diào)節(jié)時(shí)，回流罐內(nèi)壓力非常重要，若系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，罐內(nèi)不凝氣增多，導(dǎo)致回流罐壓力升高，熱旁路調(diào)節(jié)閥(PV101A)起不到維持塔壓力的作用，而精餾塔塔內(nèi)壓力會(huì)繼續(xù)升高，此時(shí)可增加1組調(diào)節(jié)閥(PV101B)。增加調(diào)節(jié)閥(PV101B)流程見圖2。

圖2 增加調(diào)節(jié)閥(PV101B)流程

隨著精餾塔塔內(nèi)壓力的升高，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小，調(diào)節(jié)閥(PV101A)開度逐漸減小，直至完全關(guān)閉；如果精餾塔塔內(nèi)壓力繼續(xù)升高，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小，調(diào)節(jié)閥(PV101B)開度逐漸增大，直至塔內(nèi)的壓力恢復(fù)正常。調(diào)節(jié)閥(PV101A)選氣開(FC)，調(diào)節(jié)閥(PV101B)選氣關(guān)(FO)。

(4)生產(chǎn)中，精餾塔塔頂氣相中經(jīng)常含有微量不凝氣，如果這些不凝氣不能及時(shí)排出系統(tǒng)，會(huì)在冷凝器殼程中聚集，隨著不凝氣的增多，冷凝器的有效傳熱面積縮小，冷凝器內(nèi)壓力升高，造成精餾塔塔內(nèi)壓力升高，干擾熱旁路調(diào)節(jié)。當(dāng)精餾塔塔內(nèi)壓力升高到一定值，冷凝器中的塔頂餾出物已不能全凝，此時(shí)必須手動(dòng)放空不凝氣。其操作方法：關(guān)閉熱旁路，打開回流罐的放空閥，待壓力降低到一定值時(shí)，冷凝器中的凝液排至回流罐，塔頂餾出氣相進(jìn)入冷凝器置換不凝氣，不凝氣被吹至回流罐放空，不凝氣排放完畢，關(guān)閉回流罐放空閥，打開熱旁路，系統(tǒng)恢復(fù)正常。運(yùn)行一段時(shí)間后，再次出現(xiàn)不凝氣在冷凝器中聚集的問題，需再次重復(fù)如上操作，給生產(chǎn)帶來不便。這種情況下，在冷凝器殼程增加1條至回流罐的不凝氣排放管線即可(圖3)，閥門可設(shè)置為手動(dòng)或者遙控，只需定期排放不凝氣即可，此管線的管徑不必太大，一般DN20 mm即可。

圖3 冷凝器殼程增加放空管流程

(5)操作中，應(yīng)盡量保證回流罐液位穩(wěn)定，因?yàn)榛亓鞴抟何粫?huì)直接影響到冷凝器的液位，從而影響到塔內(nèi)的操作壓力。

4 結(jié)語

目前尚無準(zhǔn)確的計(jì)算方法來確定熱旁路的管徑，根據(jù)企業(yè)反饋的意見，一般認(rèn)為熱旁路流量為塔頂餾出物流量的15%～25%最適宜。熱旁路管徑小于精餾塔塔頂氣相餾出管徑，減小了調(diào)節(jié)閥組尺寸，降低了安裝成本，而且便于操作和檢修、降低了運(yùn)行成本、增加了精餾塔的穩(wěn)定性。