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精餾塔壓力熱旁路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：
2023-06-12 16:52
精餾塔壓力熱旁路控制主要用于塔頂氣相全冷凝的工況。其主要優(yōu)點(diǎn)有：回流罐置于冷凝器之上可提供給回流泵較高的凈正吸入壓頭；冷凝器可安裝在地面，不需要設(shè)置支撐構(gòu)架，降低了投資費(fèi)用，且使冷凝器檢修和清洗更加方便；調(diào)節(jié)閥安裝在熱旁路管線上，尺寸可大幅度降低。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，熱旁路控制塔壓已被廣泛用于石油化工裝置中。
一、熱旁路控制的原理及特點(diǎn)
圖1為熱旁路控制系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)圖。當(dāng)塔頂壓力小于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開度增大，進(jìn)人回流罐的熱旁路氣體流量增大，回流罐中氣、液兩相界面間的液體溫度升高，回流罐壓力PB隨之升高，由于回流罐中液位高度HB受回流罐液位調(diào)節(jié)閥的控制，可以認(rèn)為保持不變，且冷凝器壓力PC在調(diào)節(jié)過程中也基本保持不變。在忽略摩擦損失的情況下，根據(jù)伯努利方程可列出下式：
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由式(1)可知，在HB、PC保持不變的情況下，HC隨PB升高而上升，說明了隨著熱旁路調(diào)節(jié)閥開度增大，回流罐內(nèi)液體將倒流至冷凝器中，冷凝器內(nèi)液位升高，被液體浸沒的傳熱面積增加，使氣相冷凝速率降低，塔內(nèi)氣相儲(chǔ)量增加導(dǎo)致壓力升高。
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當(dāng)塔頂壓力高于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥開度降低，回流罐壓力降低，冷凝器和回流罐間的壓差增加，更多的冷凝液被壓送至回流罐中，冷凝器內(nèi)液位就會(huì)下降，氣體冷凝速率加大，使塔壓逐漸下降直至恢復(fù)到設(shè)定值。
熱旁路控制系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)：
(1)冷凝器出口的冷凝液處于過冷狀態(tài)。否則，壓力為PC的飽和冷凝液從冷凝器流至壓力為PB的回流罐時(shí)會(huì)閃蒸、汽化。
(2)回流罐中的熱旁路氣體除和“氣墊控制系統(tǒng)”中充當(dāng)“氣墊”的惰性氣體所起近似作用外，還可與冷凝液一起在氣、液兩相界面間形成一層極薄的“液膜”。該“液膜”溫度高于回流罐冷凝液主體溫度并與回流罐上部的氣體呈平衡狀態(tài)。
(3)由于空冷器管束內(nèi)冷凝液液位變化遠(yuǎn)不如管殼式換熱器液位變化靈敏，故當(dāng)塔頂冷凝器為空冷器時(shí)不宜采用圖1所示的熱旁路控制流程。如采用時(shí)須將空冷器傾斜一定角度，以增加液位調(diào)節(jié)的靈敏度。
(4)熱旁路控制塔壓是通過改變冷凝器內(nèi)液位進(jìn)而改變塔頂氣體的冷凝面積來實(shí)現(xiàn)的，故在冷凝器選型時(shí)，其傳熱面積要有一定的富裕量。
二、熱旁路控制系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)
1、工藝管道設(shè)置和配管
在熱旁路控制系統(tǒng)中，由于回流罐的液位波動(dòng)會(huì)引起冷凝器液位的變化，使回流罐和塔頂壓力控制不穩(wěn)定，故回流罐液位應(yīng)盡量保持穩(wěn)定。為減少對(duì)回流罐液位的擾動(dòng)，冷凝液應(yīng)從罐底部進(jìn)入回流罐，即便從罐頂部進(jìn)料，進(jìn)料管線也應(yīng)伸入到回流罐底部。熱旁路管線則應(yīng)從回流罐頂部進(jìn)入，且配管時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)任何形式的袋形以防止積液，對(duì)于水平管段也要有2‰～3‰的坡度并坡向回流罐，以便使可能存在的凝液能自流至回流罐中。
圖2為兩種不合理的熱旁路控制工藝流程設(shè)置。圖2(a)和圖2(b)都先將熱旁路管線接至冷凝液管線上，然后再分別從罐底、罐頂進(jìn)入回流罐。這樣設(shè)置的目的被認(rèn)為是可消除回流罐內(nèi)氣、液兩相的溫差，能更加靈活地調(diào)節(jié)回流罐內(nèi)冷凝液的溫度，有利于塔壓的控制。但實(shí)踐證明，如此設(shè)置不但破壞了回流罐液位的穩(wěn)定，且飽和的熱旁路氣體與過冷的冷凝液在管線中混合，熱旁路氣體很容易被冷凝，冷凝程度與冷凝液的過冷度、冷凝液與熱旁路氣體的流量之比等有關(guān)。由于熱旁路氣體在管線中不斷被冷凝且冷凝量不斷變化，采用圖2所示流程很難將塔壓控制平穩(wěn)。當(dāng)熱旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，也可導(dǎo)致閥下游的熱旁路氣體快速冷凝而引起“水錘”現(xiàn)象發(fā)生。
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另外，為防止氣溫驟變?nèi)缦掠甑葘?duì)控制的干擾，熱旁路氣體管線及回流罐應(yīng)保溫。特別是當(dāng)操作壓力較高且餾出液為窄餾分時(shí)更需保溫，因?yàn)樵谶@種情況下，溫度微小的變化就會(huì)引起熱旁路氣體與冷凝液流量之比的較大變化，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)。
2、熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)
正確地設(shè)計(jì)熱旁路調(diào)節(jié)閥是保證熱旁路控制正常操作的關(guān)鍵因素之一。對(duì)式(1)進(jìn)行整理：
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由式(2)可見，在忽略冷凝器和管道摩擦損失情況下，熱旁路調(diào)節(jié)閥壓差在數(shù)值上等于回流罐與冷凝器間的靜壓差。設(shè)計(jì)時(shí)，可將調(diào)節(jié)閥最小壓差取值為回流罐液位與冷凝器完全浸沒時(shí)的液位之間的靜壓差。
迄今為止，尚無一種準(zhǔn)確的計(jì)算方法來確定熱旁路調(diào)節(jié)閥的流量。一般假定熱旁路氣體通過回流罐氣、液界面與過冷的冷凝液進(jìn)行熱量交換并被冷凝，冷凝熱用于加熱冷凝液，直至兩者的溫度達(dá)到回流罐操作壓力下相應(yīng)的飽和溫度為止。
根據(jù)此假定，可近似地求出熱旁路調(diào)節(jié)閥氣體的流量。由熱量平衡可得：
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用式(4)計(jì)算的VH一般占VT的8％～15％，但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中一般按VT的15％～25％取值，該值作為熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的正常流量值可較好地滿足實(shí)際操作要求。有文獻(xiàn)指出調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)最大量按塔頂氣相總量計(jì)算，但會(huì)造成調(diào)節(jié)閥尺寸選型過大，最大流量按正常量的1.5倍取值一般可滿足要求。
3、增設(shè)冷凝液調(diào)節(jié)閥
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在圖1所示的熱旁路控制流程中，塔壓控制響應(yīng)是非線性的，在需要提高塔壓時(shí)響應(yīng)很快，因?yàn)殚_大熱旁路調(diào)節(jié)閥時(shí)，由于回流罐壓力提高，液體可快速?gòu)幕亓鞴薜沽髦晾淠饕越档屠淠骼淠俾剩岣咚骸５窃谛枰档退簳r(shí)響應(yīng)很慢，因?yàn)闊崤月氛{(diào)節(jié)閥關(guān)小后，回流罐內(nèi)氣相需通過罐內(nèi)氣、液兩相界面與過冷狀態(tài)的液體換熱被冷凝、冷卻到一定溫度后才能降低塔的壓力。另外，當(dāng)塔頂產(chǎn)品純度很高時(shí)，也不能快速、有效地控制塔壓。對(duì)此，在冷凝液管線上增設(shè)1臺(tái)調(diào)節(jié)閥可彌補(bǔ)熱旁路控制在這些方面的不足(如圖3所示)。當(dāng)塔壓降低時(shí)，回流罐壓力也隨之降低，此時(shí)冷凝液管線調(diào)節(jié)閥將關(guān)小，熱旁路管線調(diào)節(jié)閥將開大，從而使冷凝器內(nèi)液位上升，冷凝速率下降，塔頂氣體冷凝量減少，塔壓和回流罐壓力將回升。反之，當(dāng)塔和回流罐壓力增加時(shí)，冷凝液管線調(diào)節(jié)閥將開大，熱旁路管線調(diào)節(jié)閥將關(guān)小，冷凝器內(nèi)液位下降，冷凝速率也相應(yīng)增加，結(jié)果塔和回流罐壓力下降并恢復(fù)到給定值。由于采用兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)靈敏度大幅度提高。在圖3所示的控制流程中，冷凝器也可置于回流罐之上，調(diào)節(jié)閥也可增設(shè)在冷凝器上方的塔頂氣相管線上。
4、增設(shè)自冷凝器至回流罐的不凝氣線
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實(shí)踐表明，冷凝器殼程上部不凝氣無法排出是造成熱旁路控制不穩(wěn)定的原因之一。由于塔頂氣相餾出物中常含有微量的不凝氣，如果這些不凝氣不及時(shí)排出，就會(huì)越來越多地積聚于冷凝器殼程的上部，使冷凝器的傳熱系數(shù)大幅度降低，塔頂氣相餾出物不能被完全冷凝，造成塔頂壓力升高。當(dāng)壓力升高到一定程度時(shí)，只能手動(dòng)關(guān)閉熱旁路調(diào)節(jié)閥并打開回流罐上的放空閥來降低壓力。當(dāng)壓力降低到一定程度時(shí)，積存于冷凝器殼程中的冷凝液首先被壓送至回流罐，然后是不凝氣被塔頂氣相餾出物置換出，進(jìn)人回流罐后被放空。排完不凝氣后關(guān)閉回流罐上的放空閥，并打開熱旁路控制閥，系統(tǒng)恢復(fù)正常。
隨著操作時(shí)間的增加，塔頂氣相餾出物中不凝氣體再次積聚于冷凝器殼程的上部，經(jīng)過一段時(shí)間后又會(huì)進(jìn)行新一輪的重復(fù)操作。這種不穩(wěn)定的操作造成了產(chǎn)品質(zhì)量下降、產(chǎn)品收率降低。在這種情況下，增設(shè)一條自冷凝器殼程出口至回流罐的不凝氣線(公稱直徑為DN20mm)是十分必要的。這樣，周期性地開啟設(shè)在該不凝氣線上的遙控閥．將積聚于冷凝器殼程上部的不凝氣排送到回流罐，并將熱旁路調(diào)節(jié)閥與回流罐不凝氣線上的調(diào)節(jié)閥分程控制(如圖4所示)，可有效地解決壓力控制不穩(wěn)的問題。
三、結(jié)語
(1)熱旁路控制塔壓實(shí)質(zhì)上是通過控制冷凝器的液位進(jìn)而改變氣體冷凝的面積來實(shí)現(xiàn)的。其優(yōu)點(diǎn)：投資低，回流罐置于冷凝器之上可提供給回流泵較高的凈正吸人壓頭，需要頻繁清洗時(shí)冷凝器可置于地面。
(2)冷凝液不應(yīng)與熱旁路氣相混合后再進(jìn)入回流罐，應(yīng)單獨(dú)從罐底進(jìn)料，即使從罐頂進(jìn)料，進(jìn)料管線也應(yīng)伸人到回流罐底部，以減少對(duì)回流罐液位的擾動(dòng)。
(3)當(dāng)塔頂餾出物為高純度產(chǎn)品時(shí)，在冷凝液管線上增設(shè)一臺(tái)調(diào)節(jié)閥可更加快速、有效地控制塔壓。
(4)在忽略摩擦損失的情況下，熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)最小壓差可取值為回流罐液位與冷凝器完全浸沒時(shí)的液位之間的靜壓差。熱旁路調(diào)節(jié)閥的正常流量值可按塔頂氣體總量的15％-25％設(shè)計(jì)。
(5)塔頂氣相餾出物中不凝氣積聚于冷凝器殼程的上部，會(huì)造成冷凝器傳熱系數(shù)的降低和熱旁路控制不穩(wěn)定，增設(shè)一條自冷凝器殼程出口至回流罐的不凝氣放空線是十分必
來源：化工人club
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