精餾塔壓力熱旁路控制系統的設計

發布時間：

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。其主要優點有：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，不需要設置支撐構架，降低了投資費用，且使冷凝器檢修和清洗更加方便；調節閥安裝在熱旁路管線上，尺寸可大幅度降低。由于具有以上優點，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

圖1為熱旁路控制系統的流程簡圖。當塔頂壓力小于設定值時，熱旁路調節閥開度增大，進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受回流罐液位調節閥的控制，可以認為保持不變，且冷凝器壓力PC在調節過程中也基本保持不變。在忽略摩擦損失的情況下，根據伯努利方程可列出下式：

由式(1)可知，在H_B、P_C保持不變的情況下，H_C隨P_B升高而上升，說明了隨著熱旁路調節閥開度增大，回流罐內液體將倒流至冷凝器中，冷凝器內液位升高，被液體浸沒的傳熱面積增加，使氣相冷凝速率降低，塔內氣相儲量增加導致壓力升高。

當塔頂壓力高于設定值時，熱旁路調節閥開度降低，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，冷凝器內液位就會下降，氣體冷凝速率加大，使塔壓逐漸下降直至恢復到設定值。

熱旁路控制系統主要有如下特點：

(1)冷凝器出口的冷凝液處于過冷狀態。否則，壓力為P_C的飽和冷凝液從冷凝器流至壓力為P_B的回流罐時會閃蒸、汽化。

(2)回流罐中的熱旁路氣體除和“氣墊控制系統”中充當“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。

(3)由于空冷器管束內冷凝液液位變化遠不如管殼式換熱器液位變化靈敏，故當塔頂冷凝器為空冷器時不宜采用圖1所示的熱旁路控制流程。如采用時須將空冷器傾斜一定角度，以增加液位調節的靈敏度。

(4)熱旁路控制塔壓是通過改變冷凝器內液位進而改變塔頂氣體的冷凝面積來實現的，故在冷凝器選型時，其傳熱面積要有一定的富裕量。

二、熱旁路控制系統的工藝流程設計

1、工藝管道設置和配管

在熱旁路控制系統中，由于回流罐的液位波動會引起冷凝器液位的變化，使回流罐和塔頂壓力控制不穩定，故回流罐液位應盡量保持穩定。為減少對回流罐液位的擾動，冷凝液應從罐底部進入回流罐，即便從罐頂部進料，進料管線也應伸入到回流罐底部。熱旁路管線則應從回流罐頂部進入，且配管時不應出現任何形式的袋形以防止積液，對于水平管段也要有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、罐頂進入回流罐。這樣設置的目的被認為是可消除回流罐內氣、液兩相的溫差，能更加靈活地調節回流罐內冷凝液的溫度，有利于塔壓的控制。但實踐證明，如此設置不但破壞了回流罐液位的穩定，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。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。當熱旁路調節閥關閉時，也可導致閥下游的熱旁路氣體快速冷凝而引起“水錘”現象發生。

另外，為防止氣溫驟變如下雨等對控制的干擾，熱旁路氣體管線及回流罐應保溫。特別是當操作壓力較高且餾出液為窄餾分時更需保溫，因為在這種情況下，溫度微小的變化就會引起熱旁路氣體與冷凝液流量之比的較大變化，造成系統壓力波動。

2、熱旁路調節閥設計

正確地設計熱旁路調節閥是保證熱旁路控制正常操作的關鍵因素之一。對式(1)進行整理：

由式(2)可見，在忽略冷凝器和管道摩擦損失情況下，熱旁路調節閥壓差在數值上等于回流罐與冷凝器間的靜壓差。設計時，可將調節閥最小壓差取值為回流罐液位與冷凝器完全浸沒時的液位之間的靜壓差。

迄今為止，尚無一種準確的計算方法來確定熱旁路調節閥的流量。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，直至兩者的溫度達到回流罐操作壓力下相應的飽和溫度為止。

根據此假定，可近似地求出熱旁路調節閥氣體的流量。由熱量平衡可得：

用式(4)計算的V_H一般占V_T的8％～15％，但實際設計過程中一般按V_T的15％～25％取值，該值作為熱旁路調節閥設計的正常流量值可較好地滿足實際操作要求。有文獻指出調節閥設計最大量按塔頂氣相總量計算，但會造成調節閥尺寸選型過大，最大流量按正常量的1.5倍取值一般可滿足要求。

3、增設冷凝液調節閥

在圖1所示的熱旁路控制流程中，塔壓控制響應是非線性的，在需要提高塔壓時響應很快，因為開大熱旁路調節閥時，由于回流罐壓力提高，液體可快速從回流罐倒流至冷凝器以降低冷凝器冷凝速率，提高塔壓。但是在需要降低塔壓時響應很慢，因為熱旁路調節閥關小后，回流罐內氣相需通過罐內氣、液兩相界面與過冷狀態的液體換熱被冷凝、冷卻到一定溫度后才能降低塔的壓力。另外，當塔頂產品純度很高時，也不能快速、有效地控制塔壓。對此，在冷凝液管線上增設1臺調節閥可彌補熱旁路控制在這些方面的不足(如圖3所示)。當塔壓降低時，回流罐壓力也隨之降低，此時冷凝液管線調節閥將關小，熱旁路管線調節閥將開大，從而使冷凝器內液位上升，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，當塔和回流罐壓力增加時，冷凝液管線調節閥將開大，熱旁路管線調節閥將關小，冷凝器內液位下降，冷凝速率也相應增加，結果塔和回流罐壓力下降并恢復到給定值。由于采用兩臺調節閥共同調節，其調節靈敏度大幅度提高。在圖3所示的控制流程中，冷凝器也可置于回流罐之上，調節閥也可增設在冷凝器上方的塔頂氣相管線上。

4、增設自冷凝器至回流罐的不凝氣線

實踐表明，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排出，就會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。當壓力升高到一定程度時，只能手動關閉熱旁路調節閥并打開回流罐上的放空閥來降低壓力。當壓力降低到一定程度時，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，進人回流罐后被放空。排完不凝氣后關閉回流罐上的放空閥，并打開熱旁路控制閥，系統恢復正常。

隨著操作時間的增加，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，經過一段時間后又會進行新一輪的重復操作。這種不穩定的操作造成了產品質量下降、產品收率降低。在這種情況下，增設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，并將熱旁路調節閥與回流罐不凝氣線上的調節閥分程控制(如圖4所示)，可有效地解決壓力控制不穩的問題。

三、結語

(1)熱旁路控制塔壓實質上是通過控制冷凝器的液位進而改變氣體冷凝的面積來實現的。其優點：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，需要頻繁清洗時冷凝器可置于地面。

(2)冷凝液不應與熱旁路氣相混合后再進入回流罐，應單獨從罐底進料，即使從罐頂進料，進料管線也應伸人到回流罐底部，以減少對回流罐液位的擾動。

(3)當塔頂餾出物為高純度產品時，在冷凝液管線上增設一臺調節閥可更加快速、有效地控制塔壓。

(4)在忽略摩擦損失的情況下，熱旁路調節閥設計最小壓差可取值為回流罐液位與冷凝器完全浸沒時的液位之間的靜壓差。熱旁路調節閥的正常流量值可按塔頂氣體總量的15％-25％設計。

(5)塔頂氣相餾出物中不凝氣積聚于冷凝器殼程的上部，會造成冷凝器傳熱系數的降低和熱旁路控制不穩定，增設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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