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精馏塔压力热旁路控制系统的设计

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发表于 2021-10-26 15:40:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
大家好,今天来分享一篇技术文章,精馏塔压力热旁路控制系统的设计。
精馏塔压力热旁路控制主要用于塔顶气相全冷凝的工况。其主要优点有:回流罐置于冷凝器之上可提供给回流泵较高的净正吸入压头;冷凝器可安装在地面,不需要设置支撑构架,降低了投资费用,且使冷凝器检修和清洗更加方便;调节阀安装在热旁路管线上,尺寸可大幅度降低。由于具有以上优点,热旁路控制塔压已被广泛用于石油化工装置中。
一、热旁路控制的原理及特点
图1为热旁路控制系统的流程简图。当塔顶压力小于设定值时,热旁路调节阀开度增大,进人回流罐的热旁路气体流量增大,回流罐中气、液两相界面间的液体温度升高,回流罐压力PB随之升高,由于回流罐中液位高度HB受回流罐液位调节阀的控制,可以认为保持不变,且冷凝器压力PC在调节过程中也基本保持不变。在忽略摩擦损失的情况下,根据伯努利方程可列出下式:
由式(1)可知,在HBPC保持不变的情况下,HCPB升高而上升,说明了随着热旁路调节阀开度增大,回流罐内液体将倒流至冷凝器中,冷凝器内液位升高,被液体浸没的传热面积增加,使气相冷凝速率降低,塔内气相储量增加导致压力升高。
当塔顶压力高于设定值时,热旁路调节阀开度降低,回流罐压力降低,冷凝器和回流罐间的压差增加,更多的冷凝液被压送至回流罐中,冷凝器内液位就会下降,气体冷凝速率加大,使塔压逐渐下降直至恢复到设定值。
热旁路控制系统主要有如下特点:
(1)冷凝器出口的冷凝液处于过冷状态。否则,压力为PC的饱和冷凝液从冷凝器流至压力为PB的回流罐时会闪蒸、汽化。
(2)回流罐中的热旁路气体除和“气垫控制系统”中充当“气垫”的惰性气体所起近似作用外,还可与冷凝液一起在气、液两相界面间形成一层极薄的“液膜”。该“液膜”温度高于回流罐冷凝液主体温度并与回流罐上部的气体呈平衡状态。
(3)由于空冷器管束内冷凝液液位变化远不如管壳式换热器液位变化灵敏,故当塔顶冷凝器为空冷器时不宜采用图1所示的热旁路控制流程。如采用时须将空冷器倾斜一定角度,以增加液位调节的灵敏度。
(4)热旁路控制塔压是通过改变冷凝器内液位进而改变塔顶气体的冷凝面积来实现的,故在冷凝器选型时,其传热面积要有一定的富裕量。
二、热旁路控制系统的工艺流程设计
1、工艺管道设置和配管
在热旁路控制系统中,由于回流罐的液位波动会引起冷凝器液位的变化,使回流罐和塔顶压力控制不稳定,故回流罐液位应尽量保持稳定。为减少对回流罐液位的扰动,冷凝液应从罐底部进入回流罐,即便从罐顶部进料,进料管线也应伸入到回流罐底部。热旁路管线则应从回流罐顶部进入,且配管时不应出现任何形式的袋形以防止积液,对于水平管段也要有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。
图2为两种不合理的热旁路控制工艺流程设置。图2(a)和图2(b)都先将热旁路管线接至冷凝液管线上,然后再分别从罐底、罐顶进入回流罐。这样设置的目的被认为是可消除回流罐内气、液两相的温差,能更加灵活地调节回流罐内冷凝液的温度,有利于塔压的控制。但实践证明,如此设置不但破坏了回流罐液位的稳定,且饱和的热旁路气体与过冷的冷凝液在管线中混合,热旁路气体很容易被冷凝,冷凝程度与冷凝液的过冷度、冷凝液与热旁路气体的流量之比等有关。由于热旁路气体在管线中不断被冷凝且冷凝量不断变化,采用图2所示流程很难将塔压控制平稳。当热旁路调节阀关闭时,也可导致阀下游的热旁路气体快速冷凝而引起“水锤”现象发生。
另外,为防止气温骤变如下雨等对控制的干扰,热旁路气体管线及回流罐应保温。特别是当操作压力较高且馏出液为窄馏分时更需保温,因为在这种情况下,温度微小的变化就会引起热旁路气体与冷凝液流量之比的较大变化,造成系统压力波动。
2、热旁路调节阀设计
正确地设计热旁路调节阀是保证热旁路控制正常操作的关键因素之一。对式(1)进行整理:
由式(2)可见,在忽略冷凝器和管道摩擦损失情况下,热旁路调节阀压差在数值上等于回流罐与冷凝器间的静压差。设计时,可将调节阀最小压差取值为回流罐液位与冷凝器完全浸没时的液位之间的静压差。
迄今为止,尚无一种准确的计算方法来确定热旁路调节阀的流量。一般假定热旁路气体通过回流罐气、液界面与过冷的冷凝液进行热量交换并被冷凝,冷凝热用于加热冷凝液,直至两者的温度达到回流罐操作压力下相应的饱和温度为止。
根据此假定,可近似地求出热旁路调节阀气体的流量。由热量平衡可得:
用式(4)计算的VH一般占VT的8%~15%,但实际设计过程中一般按VT的15%~25%取值,该值作为热旁路调节阀设计的正常流量值可较好地满足实际操作要求。有文献指出调节阀设计最大量按塔顶气相总量计算,但会造成调节阀尺寸选型过大,最大流量按正常量的1.5倍取值一般可满足要求。
3、增设冷凝液调节阀
在图1所示的热旁路控制流程中,塔压控制响应是非线性的,在需要提高塔压时响应很快,因为开大热旁路调节阀时,由于回流罐压力提高,液体可快速从回流罐倒流至冷凝器以降低冷凝器冷凝速率,提高塔压。但是在需要降低塔压时响应很慢,因为热旁路调节阀关小后,回流罐内气相需通过罐内气、液两相界面与过冷状态的液体换热被冷凝、冷却到一定温度后才能降低塔的压力。另外,当塔顶产品纯度很高时,也不能快速、有效地控制塔压。对此,在冷凝液管线上增设1台调节阀可弥补热旁路控制在这些方面的不足(如图3所示)。当塔压降低时,回流罐压力也随之降低,此时冷凝液管线调节阀将关小,热旁路管线调节阀将开大,从而使冷凝器内液位上升,冷凝速率下降,塔顶气体冷凝量减少,塔压和回流罐压力将回升。反之,当塔和回流罐压力增加时,冷凝液管线调节阀将开大,热旁路管线调节阀将关小,冷凝器内液位下降,冷凝速率也相应增加,结果塔和回流罐压力下降并恢复到给定值。由于采用两台调节阀共同调节,其调节灵敏度大幅度提高。在图3所示的控制流程中,冷凝器也可置于回流罐之上,调节阀也可增设在冷凝器上方的塔顶气相管线上。
4、增设自冷凝器至回流罐的不凝气线
实践表明,冷凝器壳程上部不凝气无法排出是造成热旁路控制不稳定的原因之一。由于塔顶气相馏出物中常含有微量的不凝气,如果这些不凝气不及时排出,就会越来越多地积聚于冷凝器壳程的上部,使冷凝器的传热系数大幅度降低,塔顶气相馏出物不能被完全冷凝,造成塔顶压力升高。当压力升高到一定程度时,只能手动关闭热旁路调节阀并打开回流罐上的放空阀来降低压力。当压力降低到一定程度时,积存于冷凝器壳程中的冷凝液首先被压送至回流罐,然后是不凝气被塔顶气相馏出物置换出,进人回流罐后被放空。排完不凝气后关闭回流罐上的放空阀,并打开热旁路控制阀,系统恢复正常。
随着操作时间的增加,塔顶气相馏出物中不凝气体再次积聚于冷凝器壳程的上部,经过一段时间后又会进行新一轮的重复操作。这种不稳定的操作造成了产品质量下降、产品收率降低。在这种情况下,增设一条自冷凝器壳程出口至回流罐的不凝气线(公称直径为DN20mm)是十分必要的。这样,周期性地开启设在该不凝气线上的遥控阀.将积聚于冷凝器壳程上部的不凝气排送到回流罐,并将热旁路调节阀与回流罐不凝气线上的调节阀分程控制(如图4所示),可有效地解决压力控制不稳的问题。
三、结语
(1)热旁路控制塔压实质上是通过控制冷凝器的液位进而改变气体冷凝的面积来实现的。其优点:投资低,回流罐置于冷凝器之上可提供给回流泵较高的净正吸人压头,需要频繁清洗时冷凝器可置于地面。
(2)冷凝液不应与热旁路气相混合后再进入回流罐,应单独从罐底进料,即使从罐顶进料,进料管线也应伸人到回流罐底部,以减少对回流罐液位的扰动。
(3)当塔顶馏出物为高纯度产品时,在冷凝液管线上增设一台调节阀可更加快速、有效地控制塔压。
(4)在忽略摩擦损失的情况下,热旁路调节阀设计最小压差可取值为回流罐液位与冷凝器完全浸没时的液位之间的静压差。热旁路调节阀的正常流量值可按塔顶气体总量的15%-25%设计。
(5)塔顶气相馏出物中不凝气积聚于冷凝器壳程的上部,会造成冷凝器传热系数的降低和热旁路控制不稳定,增设一条自冷凝器壳程出口至回流罐的不凝气放空线是十分必要的。


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