精馏塔压力热旁路控制系统中热旁路气体流量的计算

刘成军　温世昌　周　璇　宋丰来

中国石油工程建设公司华东设计分公司　青岛　266071

精馏塔压力热旁路控制系统中热旁路气体流量的计算

刘成军*温世昌周璇宋丰来

中国石油工程建设公司华东设计分公司青岛266071

摘要精馏塔压力热旁路控制系统已被广泛用于石油化工装置中。热旁路气体的流量是热旁路控制系统的一个重要参数，是保证该系统正常操作的关键因素。本文介绍了两种用于计算热旁路气体流量的经验方法，即回流罐内气、液介质混合后全部变为饱和液体的方法和维持回流罐内气、液界面“液膜”温度恒定的方法。以某MTBE装置催化蒸馏塔热旁路控制系统为具体实例，分别计算出热旁路气体的流量并与工艺包数据作比较。结果表明用前一种方法计算的数据与工艺包数据相贴近。实际设计过程中热旁路气体流量可按塔顶气体总量的15%～25%取值。

关键词热旁路控制气体流量冷凝液回流罐液膜传热系数

精馏塔压力热旁路控制主要用于塔顶气相全冷凝的工况。该控制方案可将回流罐置于冷凝器之上，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，且方便冷凝器检修和清洗；调节阀安装在热旁路管线上，尺寸可大幅度降低；避免某些控制方案因压力升高而将塔顶产品排往火炬而造成的损失。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。

热旁路气体的流量是热旁路控制系统的一个重要参数，若该流量取值过小，就会造成热旁路管线和调节阀尺寸设计过小，在需要提高塔压时，即使热旁路调节阀全部打开，也不能快速地将塔压提高到正常值，造成精馏塔压力控制不稳定；若该流量取值过大，则热旁路管线和调节阀尺寸过大，不但造成了投资增加，而且在塔压偏低时，热旁路调节阀开度增大，大量的热旁路气体就会进入回流罐中，如果没有足够的冷凝液吸收热旁路气体过多的潜热，积聚于回流罐的气相量增加，导致塔压升高直至超过设定值，使热旁路管线调节阀关小，又易造成塔压下降直至低于设定值，如此反复，造成塔压呈锯齿形变化。迄今为止，尚无一种准确的计算方法用于确定热旁路气体的流量。本文根据相关文献，介绍了两种经验方法，即回流罐内气、液介质混合后全部变为饱和液体的方法和维持回流罐内气、液界面“液膜”温度恒定的方法。并以某引进工艺包的MTBE装置催化蒸馏塔热旁路控制系统为具体实例，分别采用这两种方法计算出热旁路气体的流量并与工艺包数据作简要比较。

1热旁路控制的原理

热旁路控制方案的流程简图见图1。

图1　热旁路控制方案

当塔顶压力小于设定值时，热旁路调节阀开度增大，进入回流罐的热旁路气体流量增加，气、液两相界面间的液体温度升高，使回流罐压力PD升高。由于回流罐液位HD受液位调节阀的控制，可以认为保持不变，且冷凝器压力PE在调节过程中也基本保持不变。根据贝努利方程可知，在忽略摩擦损失且在HD、PE保持不变的情况下，冷凝器液位HE随PD升高而上升，说明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，被冷凝液浸没的传热面积增加，气相冷凝速率就会降低，使塔内气相储量增加导致压力逐渐升高直至达到设定值。

当塔顶压力高于设定值时，热旁路调节阀开度关小，回流罐压力PD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，冷凝器内液位下降，气体冷凝速率加大，使塔压降低至设定值[1～6]。

2回流罐内气、液介质混合后全部变为饱和液体的方法

在回流罐内气、液两相界面间存在一层厚度为25mm左右的“液膜”[7]，该“液膜”的温度高于回流罐冷凝液的主体温度。热旁路气体自回流罐顶部进回流罐后，通过“液膜”向过冷的冷凝液传递热量并被冷凝，冷凝液吸收热旁路气体的潜热后温度逐渐升高，其饱和蒸气压相应升高，由于冷凝液饱和蒸气压即为回流罐压力，故回流罐压力升高；反之亦然。于是可假定过冷的冷凝液通过“液膜”吸收全部热旁路气体，热旁路气体的冷凝热用于过冷的冷凝液升温，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气体的流量[6,7]。由热量平衡可得：

GHH1+(GT-GH)H2=H3GT

(1)

整理得：

GH=(H3-H2)/(H1-H2)GT

(2)

式中,H1为入冷凝器的塔顶气体的焓，J/kg；H2为冷凝器出口过冷液体的焓，J/kg；H3为与回流罐操作压力相对应的饱和温度下的液体焓，kJ/kg；GH为热旁路气体质量流量，kg/s；GT为塔顶馏出气体总量，kg/s。

冷凝器出口液体的过冷度越大，H2越小，所需的热旁路气体质量流率越大。如文献8采用与本方法相似的方法计算出某装置脱丙烯塔热旁路气体量与塔顶气相馏出量的比值，当冷凝温度为40℃、35℃、30℃时，该比值分别为7.0%、11.0%、14.5%。

在式(2)中变量仅有4个，而且具体数值也很容易得到，因此采用该经验公式可方便、快速地计算出热旁路气体的流量。

3维持回流罐内气、液界面“液膜”温度恒定的方法

如前所述，位于回流罐气、液两相界面之间的“液膜”与回流罐上部的热旁路气体呈平衡状态，该液膜的温度高于回流罐冷凝液的主体温度，且对应的饱和蒸气压即为回流罐的压力，也就是说，无论冷凝液是饱和的还是过冷的，只要维持该“液膜”温度恒定就能维持回流罐压力稳定，但维持该温度需消耗一定量的热旁路气体，其冷凝潜热用于补偿向冷凝液主体和外界散热而造成的热损失，所消耗的气体量可由以下各式计算：

QH=QC+QL

(3)

Qc=hC·AC·(T1-T2)

(4)

QL=hL·AL·(T1-TA)

(5)

GH=QH/(H1-H3)

(6)

式中，QH为热旁路气体冷凝所产生的热量，W；Qc为热旁路气体向“液膜”下方冷凝液主体传递的热量，W；QL为热旁路气体通过“液膜”上方气相空间向外界传递的热量，W；hC为通过传导和对流向“液膜”下方冷凝液传热的传热系数，W/(m2·℃)；hL为通过对流和辐射向外界传热的传热系数，W/(m2·℃)；AC为回流罐气、液两相界面 “液膜”的表面积，m2；AL为回流罐气相空间所占表面积，m2；T1为回流罐气、液两相界面 “液膜”的温度，℃；T2为“液膜”下方冷凝液主体温度，℃；TA为环境温度，℃。

文献9提供了与气、液两相雷诺数相关联的hC经验计算公式：

hC=0.282ReL0.286ReG-0.017

(7)

式中，ReL为液相雷诺数；ReG为气相雷诺数。

根据式(7)计算出某脱丙烷塔、某脱丁烷塔的hC值，分别为9.6～9.8、6.0～6.4 W/(m2·℃)。但未提计算ReL及ReG的方法，因此式(7)无法直接应用。

在式(4)中，气、液两相界面间的“液膜”是一种良好的隔热体，故hC值较小，文献7给出的经验值为10～55 W/(m2·℃)。当气、液两相界面的“液膜”保持稳定时，hC值就不会有大的波动。T2是“液膜”下方冷凝液的温度，该温度也可近似认为保持不变。只有T1随着塔压的变化而出现较明显的变化，当塔压提高时，T1必然提高，反之亦然。T1的提高或降低是通过增大或减少热旁路气体的流量GH来实现的。

在式(5)中，hL值与回流罐是否保温有直接关系。根据文献7，当回流罐未保温且外界无风时，hL经验值约为10～17W/(m2·℃)，有风时约为28～40W/(m2·℃)，当下雨时增大至85～115W/(m2·℃)，在暴风雨天气时，hL值更大，甚至高达hC值的数十倍；当回流罐保温时，hL值较小，仅为1～2W/(m2·℃)。可见，在回流罐未保温时，热旁路气体流量GH受环境因素影响较大。

在计算热旁路气体流量时，hC、hL应按最苛刻的条件下取值。

4应用比较

某MTBE装置采用国外Axens公司的技术和工艺包，其催化蒸馏塔的塔顶压力采用热旁路进行控制，该塔的相关操作条件如下：

塔顶介质为混合碳四及甲醇的混合物，塔顶压力为0.75MPa，回流罐压力为0.70MPa，塔顶馏出气体总量GT为14.163kg/s，入冷凝器的塔顶气体的焓H1为-1202400J/kg，冷凝器出口过冷液体的焓H2为-1577800J/kg，与回流罐操作压力相对应的饱和温度下的液体焓H3为-1523400kJ/kg，回流罐气、液两相界面 “液膜”的温度T1为60.5℃，“液膜”下方冷凝液主体温度T2为40.0℃，TA取最苛刻条件下的环境温度，即TA为-18.2℃。

回流罐为卧式容器，直径为2.2m，长度为6.9m，未保温。正常液位控制在回流罐的正中间位置。根据以上参数，可求得AC为18.9m2，AL为38.8m2。

热旁路气体的流量基于较苛刻的条件下确定，故hC、hC分别取值为55W/m2.℃、115W/(m2.℃)。

将上述数据分别代入式(2)～(6)，可求得热旁路气体质量流量GH值，将计算结果整理并与工艺包数据进行比较，结果见表1。

由表1可见，用方法1计算的热旁路气体量与塔顶气相馏出量的比值为14.49%，用方法2计算的为8.19%，工艺包数据为15.00%。用方法1计算的数据与工艺包数据相贴近。用方法2计算的数据偏小，是由于hC、hL取值过小造成的，建议在采用该公式时，应适当加大hC、hL取值。

表1　采用不同方法求得的热旁路气体质量流量的比较

备注：方法1指回流罐内气、液介质混合后全部变为饱和液体的方法；方法2指维持回流罐内气、液界面“液膜”温度恒定的方法。

许多文献和资料将热旁路气体量与塔顶气相馏出量的比值控制在15%～25%之间，如 CDTECH公司在其提供的多套催化轻汽油醚化装置工艺包数据中，将催化蒸馏塔和甲醇回收塔热旁路气体量分别取为塔顶气相馏出量的20%、25%。可见当缺乏物性数据或用于估算时，GH可按GT的15%～25%取值，该值作为热旁路调节阀设计的正常流量值一般能满足实际操作要求。

另外，文献10指出热旁路气体的最大流量应按塔顶气相馏出量计算，但该值太大，将导致热旁路调节阀尺寸选型过大而造成不必要的浪费。实践证明，最大流量按正常量的1.5倍取值可保证热旁路控制系统正常操作。

5结语及建议

(1)本文提供两种用于热旁路气体流量计算的经验方法。以某引进工艺包的MTBE装置催化蒸馏塔热旁路控制系统为例进行计算，两种方法计算的热旁路气体量与塔顶气相馏出量的比值分别为14.49%和8.19%。工艺包数据为15%，采用前一种方法计算的数值与工艺包数值相贴近，采用后一种方法计算的数值偏小，在计算时应适当加大hC、hL取值。

(2)在缺乏物性数据或用于估算时，热旁路气体正常流量可按塔顶气体总量的15%～25%估值，最大流量按正常流量的1.5倍取值，这些值作为热旁路调节阀设计值一般能满足正常操作需要。

(3)为保持热旁路气体流量的稳定，防止气温骤变如下雨等对控制的干扰，建议对回流罐及相应管线保温。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。

(4)目前，用于计算hC、hL的经验公式很少，建议通过对正在运行的热旁路控制系统进行现场实验和数据采集，对影响热旁路控制系统的各个变量进行定量分析，进一步研究热旁路气体向冷凝液主体及外部环境进行传热的机理，找出hC、hC值与工艺介质物性、外部环境条件等因素相关联的计算公式，为精确计算热旁路气体流量打下良好的基础。

参考文献

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10龚剑平.精馏塔的自动调节[M].化学工业出版社，1984:176-186.

(收稿日期2016-02-24)

*刘成军：教授级高级工程师。1989年毕业于成都科技大学， 2002年毕业于石油大学(华东)，获硕士学位。一直从事炼油化工专业设计工作,曾发表论文40余篇。联系电话：(0532)80950783，E-mail：liuchengjun@cnpccei.cn。