熱旁路在精餾塔操作中的應用

曹 蕾 張峰燕 范曉志

(河北正元化工工程設計有限公司 河北石家莊050061)

0 前言

在精餾操作中，習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排至回流罐，保證了冷凝器氣相冷凝的傳熱面積。在實際操作中，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

正常生產時，熱旁路使回流罐上部形成一個氣液相界面，根據伯努利方程可知：

(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，可減少運行費用。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壓力，即冷凝器中的冷凝液離開時為過冷狀態，否則進入回流罐會汽化。

2 熱旁路對精餾塔塔頂壓力的調節

精餾塔的壓力是非常重要的操作參數，其壓力的波動會直接影響精餾塔內的氣液平衡，從而影響精餾塔塔頂產出的成品質量，設置熱旁路可以方便地調節精餾塔塔頂壓力。

當精餾塔塔頂壓力大于設定值時，減小熱旁路控制閥開度，則進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，可以認為保持不變，且冷凝器壓力在調節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，使塔內氣相儲量減少，進而塔頂壓力逐漸降低，直至達到設定值。

在精餾塔塔頂壓力低于設定值時，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，塔內氣相儲量增加，塔頂壓力逐漸回升至設定值。由于熱旁路在壓力調節時改變了冷凝器的有效傳熱面積，所以在冷凝器設計時，傳熱面積應有富裕量。

3 熱旁路設計和安裝時的注意事項

(1)回流罐上部的氣體與下部的冷凝液氣、液兩相達到平衡，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保溫，以減少外界溫度的干擾，打破氣液平衡，同時要求熱旁路物料從回流罐頂部進入，冷凝液應從回流罐底部進入；如果冷凝液從罐頂部進入，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，調節器為反作用，當精餾塔塔頂壓力增大時，調節器輸出信號減小，熱旁路調節閥開度減小；反之，精餾塔塔頂壓力降低時，調節器輸出信號增大，熱旁路調節閥開度增大。

(3)采用熱旁路調節時，回流罐內壓力非常重要，若系統運行一段時間后，罐內不凝氣增多，導致回流罐壓力升高，熱旁路調節閥(PV101A)起不到維持塔壓力的作用，而精餾塔塔內壓力會繼續升高，此時可增加1組調節閥(PV101B)。增加調節閥(PV101B)流程見圖2。

圖2 增加調節閥(PV101B)流程

隨著精餾塔塔內壓力的升高，調節器輸出信號減小，調節閥(PV101A)開度逐漸減小，直至完全關閉；如果精餾塔塔內壓力繼續升高，調節器輸出信號減小，調節閥(PV101B)開度逐漸增大，直至塔內的壓力恢復正常。調節閥(PV101A)選氣開(FC)，調節閥(PV101B)選氣關(FO)。

(4)生產中，精餾塔塔頂氣相中經常含有微量不凝氣，如果這些不凝氣不能及時排出系統，會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，冷凝器內壓力升高，造成精餾塔塔內壓力升高，干擾熱旁路調節。當精餾塔塔內壓力升高到一定值，冷凝器中的塔頂餾出物已不能全凝，此時必須手動放空不凝氣。其操作方法：關閉熱旁路，打開回流罐的放空閥，待壓力降低到一定值時，冷凝器中的凝液排至回流罐，塔頂餾出氣相進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，關閉回流罐放空閥，打開熱旁路，系統恢復正常。運行一段時間后，再次出現不凝氣在冷凝器中聚集的問題，需再次重復如上操作，給生產帶來不便。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)，閥門可設置為手動或者遙控，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，應盡量保證回流罐液位穩定，因為回流罐液位會直接影響到冷凝器的液位，從而影響到塔內的操作壓力。

4 結語

目前尚無準確的計算方法來確定熱旁路的管徑，根據企業反饋的意見，一般認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，減小了調節閥組尺寸，降低了安裝成本，而且便于操作和檢修、降低了運行成本、增加了精餾塔的穩定性。