热旁路在精馏塔操作中的应用

曹 蕾 张峰燕 范晓志

(河北正元化工工程设计有限公司 河北石家庄050061)

0 前言

在精馏操作中，习惯上将回流罐放置于塔顶冷凝器下面，回流罐置于地面，冷凝器置于框架上，此种布置有利于冷凝器中的冷凝液及时排至回流罐，保证了冷凝器气相冷凝的传热面积。在实际操作中，冷凝器的检修和清洗频率较为频繁，所以安装在框架二层操作非常不便。增设热旁路，即在精馏塔塔顶与回流罐之间增加1根管线，可成功解决此问题。

1 热旁路对冷凝器换热面积的控制作用

热旁路控制方案流程见图1。

图1 热旁路控制方案流程

正常生产时，热旁路使回流罐上部形成一个气液相界面，根据伯努利方程可知：

(1)

式中：p冷凝器——冷凝器压力；

H冷凝器——冷凝器液位高度；

hf——摩擦损失；

p回流罐——回流罐压力；

H回流罐——回流罐液位高度；

ρ——冷凝液的密度；

g——重力加速度。

忽略摩擦损失，由于H回流罐>H冷凝器，则p冷凝器>p回流罐，而这部分压差即为回流罐与冷凝器之间的液位高差，由此解决了回流罐置于冷凝器之上和冷凝器有效面积缩小的问题。而且冷凝器放置于地面上，便于安装和检修；提高了回流罐的高度，即回流泵的净正吸入压头，可减少运行费用。由于p冷凝器>p回流罐，冷凝器出口冷凝液压力大于回流罐中气液接触界面冷凝液的泡点压力，即冷凝器中的冷凝液离开时为过冷状态，否则进入回流罐会汽化。

2 热旁路对精馏塔塔顶压力的调节

精馏塔的压力是非常重要的操作参数，其压力的波动会直接影响精馏塔内的气液平衡，从而影响精馏塔塔顶产出的成品质量，设置热旁路可以方便地调节精馏塔塔顶压力。

当精馏塔塔顶压力大于设定值时，减小热旁路控制阀开度，则进入回流罐的热旁路气体流量减少，气、液两相界面间的液体温度降低，部分气相冷凝为液体，使回流罐气相压力降低。由于回流罐液位受液位控制阀的控制，可以认为保持不变，且冷凝器压力在调节过程中也基本保持不变。由公式(1)可知：在忽略摩擦损失且回流罐液位、冷凝器压力保持不变的情况下，冷凝器液位随回流罐的压力降低而下降，说明了随着热旁路控制阀开度减小，冷凝器内液位降低；这意味着冷凝器被冷凝液浸没的传热面积减少，气相冷凝速率提高，使塔内气相储量减少，进而塔顶压力逐渐降低，直至达到设定值。

在精馏塔塔顶压力低于设定值时，热旁路控制阀开度增大，回流罐气相压力提高，冷凝器液位升高，气相冷凝速率降低，塔内气相储量增加，塔顶压力逐渐回升至设定值。由于热旁路在压力调节时改变了冷凝器的有效传热面积，所以在冷凝器设计时，传热面积应有富裕量。

3 热旁路设计和安装时的注意事项

(1)回流罐上部的气体与下部的冷凝液气、液两相达到平衡，并在界面形成一层极薄的液膜，液膜的温度高于回流罐主体的温度，所以热旁路管线和回流罐均应保温，以减少外界温度的干扰，打破气液平衡，同时要求热旁路物料从回流罐顶部进入，冷凝液应从回流罐底部进入；如果冷凝液从罐顶部进入，接管也要伸至罐的底部。

(2)热旁路控制精馏塔塔顶压力操作时，调节器为反作用，当精馏塔塔顶压力增大时，调节器输出信号减小，热旁路调节阀开度减小；反之，精馏塔塔顶压力降低时，调节器输出信号增大，热旁路调节阀开度增大。

(3)采用热旁路调节时，回流罐内压力非常重要，若系统运行一段时间后，罐内不凝气增多，导致回流罐压力升高，热旁路调节阀(PV101A)起不到维持塔压力的作用，而精馏塔塔内压力会继续升高，此时可增加1组调节阀(PV101B)。增加调节阀(PV101B)流程见图2。

图2 增加调节阀(PV101B)流程

随着精馏塔塔内压力的升高，调节器输出信号减小，调节阀(PV101A)开度逐渐减小，直至完全关闭；如果精馏塔塔内压力继续升高，调节器输出信号减小，调节阀(PV101B)开度逐渐增大，直至塔内的压力恢复正常。调节阀(PV101A)选气开(FC)，调节阀(PV101B)选气关(FO)。

(4)生产中，精馏塔塔顶气相中经常含有微量不凝气，如果这些不凝气不能及时排出系统，会在冷凝器壳程中聚集，随着不凝气的增多，冷凝器的有效传热面积缩小，冷凝器内压力升高，造成精馏塔塔内压力升高，干扰热旁路调节。当精馏塔塔内压力升高到一定值，冷凝器中的塔顶馏出物已不能全凝，此时必须手动放空不凝气。其操作方法：关闭热旁路，打开回流罐的放空阀，待压力降低到一定值时，冷凝器中的凝液排至回流罐，塔顶馏出气相进入冷凝器置换不凝气，不凝气被吹至回流罐放空，不凝气排放完毕，关闭回流罐放空阀，打开热旁路，系统恢复正常。运行一段时间后，再次出现不凝气在冷凝器中聚集的问题，需再次重复如上操作，给生产带来不便。这种情况下，在冷凝器壳程增加1条至回流罐的不凝气排放管线即可(图3)，阀门可设置为手动或者遥控，只需定期排放不凝气即可，此管线的管径不必太大，一般DN20 mm即可。

图3 冷凝器壳程增加放空管流程

(5)操作中，应尽量保证回流罐液位稳定，因为回流罐液位会直接影响到冷凝器的液位，从而影响到塔内的操作压力。

4 结语

目前尚无准确的计算方法来确定热旁路的管径，根据企业反馈的意见，一般认为热旁路流量为塔顶馏出物流量的15%～25%最适宜。热旁路管径小于精馏塔塔顶气相馏出管径，减小了调节阀组尺寸，降低了安装成本，而且便于操作和检修、降低了运行成本、增加了精馏塔的稳定性。