精馏塔压力热旁通系统设备及管道布置研究

黄俊文

(惠生工程中国有限公司，上海 201210

精馏，在某些化工生产中是至关重要的一步，经过该步骤可以实现混合物的分离，从而制得不同浓度的化工产品。要进行精馏，得到所需目标产物，离不开精馏塔这一载体。精馏塔的选型是决定产品质量的重要因素之一,而另一个十分重要的因素就是精馏塔的压力，压力的改变会影响塔内的气液平衡，最终影响产品质量和经济性。由此可见，一个合适的精馏塔压力控制方案十分关键。

在精馏塔的压力控制方案中，热旁通压力控制方案比较适合塔顶冷凝器全冷的情况，精馏塔的压力是通过调节换热器的冷凝表面积来调节的[1]。它的优点是：回流罐置于高处，高于冷凝器，对于回流泵来说，净正吸入压头较大；冷凝器可直接放置在地上，省去了支撑构架，节约了投资成本，并且方便换热的检修操作；调节阀安装在冷凝器的热旁通管道处，较大地减小了尺寸[1]。因为热旁通控制的优点，目前已经被石化行业大范围地采用。

1 热旁通控制的原理

热旁通控制是在精馏塔塔顶与回流罐之间增加一条物流线，通过该管线的调节作用改变冷凝器的换热面积以及液位高度，最终实现对精馏塔压力的控制。其流程简图如图1所示。

当塔顶压力低于设定压力时，增大热旁通调节阀的开度，使得回流罐中的压力升高，回流罐中的液体会倒流到冷凝器中;冷凝器中的冷凝液不断增加，气体的冷凝速度降低，使得塔内的气体不断在塔内积累，塔顶压力也由此不断升高。同理，当塔顶压力高于设定压力时，减小热旁通调节阀的开度，会有更多的冷凝液进入回流罐中;气体冷凝的速度上升，塔内的气相能较快进入冷凝器中，塔顶压力不断较小[2]。

图1 热旁通控制方案

2 热旁通系统设备的布置

与控制气相采出、补充氮气控制压力、负压塔压力控制等常规精馏塔压力控制系统相比，热旁通系统的设备布置的特点就是把回流罐布置在冷凝器上方。本文以某烯烃分离装置的丙烯精馏塔系统为例。图2塔压是用丙烯产品的采出来控制，通过丙烯精馏塔塔顶冷凝器溢流操作实现，在该控制方式下，丙烯精馏塔塔顶冷凝器的布置一定要比回流罐高。为了保证丙烯精馏塔塔顶馏出物进回流泵时不汽化，回流罐C必须布置在框架上，安装标高为 9.2 m，冷凝器则相应布置在 18.3 m 处，才能满足泵所需的汽蚀余量。图3是采用热旁通方案，在该方案中，冷凝器B1和B2布置在地面上，即减少了钢结构的用量，也方便换热器的冲洗、检修。

但是，热旁通控制也存在局限。由于空冷器管束不同于管壳式换热器，液位变化的灵敏度较难满足要求，需将空冷器倾斜来满足调节液位的要求。

图2 丙烯精馏塔塔顶冷凝器及回流罐布置方案一

图3 丙烯精馏塔塔顶冷凝器及回流罐布置方案二

3 热旁通系统的管道布置

由于冷凝器的压力大于回流罐内液体的泡点压力，需保证出口冷凝液为过冷状态，以防止冷凝液在进入回流罐时发生闪蒸。在做热旁通系统管道及阀组的布置时，应注意对系统液位的影响，以及冷凝液出口液体过冷度的保证[3]。

3.1 热旁通管道及冷凝液管道的布置

在热旁通控制方案中，过冷液体由冷凝器进入回流罐，气液两相处在一个不平衡的状态。由于这种不平衡状态，在化工生产时，若触及没有保温的罐体时，时常感觉到罐体的上半部温度高，而下半部温度低。在回流罐中存在一层“液膜”，该液膜会与来自塔顶的气相保持着气液平衡。若该液膜发生波动，会引起冷凝液液位的波动，从而引起回流罐和塔顶压力的变化。因此保持该液膜的温度十分重要，这就需要在设计的过程中考虑保持回流罐中的液位稳定[4]。在进行热旁通管道和冷凝液管道的布置时，需注意以下几点：

1)冷凝器出口液体，应尽量从回流罐底部进入罐体(图4)。若只能从顶部进入回流罐时，入口的管道应该延伸至罐底部位置，尽量减少由于冷凝液进料对罐液位造成的波动(图5)。

图4 冷凝液管道从底部进入回流罐

图5 冷凝液管道从顶部进入回流罐

2)热旁通管线应尽量从回流罐的顶部进料。该段管道在配管设计时应注意避免出现液袋，水平管道应增加坡向回流罐的坡度(坡度一般为2‰～3‰)，使积聚在管道中的液体能自流回到罐体中。热旁通管线上的调节阀，组宜安装在回流罐的上一层平台(图6)，或回流罐同层平台上(图7)。

图6 热旁通阀组布置在回流罐上一层平台

图7 热旁通阀组布置在回流罐同层平台

3)对热旁通的管道及回流罐进行保温。由于极小的温度变化，如下雨等，都会对整个系统的控制造成影响，因此需在设计过程充分考虑温度对系统压力的影响。

4)热旁通管线不能先与冷凝液管道混合，然后再进入回流罐的方法。图8是两种气液先混合再分别从罐底、罐顶进入回流罐的方式，这样是为了除去罐内气液两相的温差，更易于调节塔内压力。但在实际的生产过程中，若将两股物料先混合，再进入回流罐，首先会造成回流罐内液位的波动，其次在混合过程中，塔顶的气相会被冷凝造成换热器冷量的波动。因此，若用图8的方法，会对控制塔顶压力造成困难，且在关闭热旁通的调节阀时，调节阀阀后的气体会冷凝，发生“水锤”。

图8 两种不合理的热旁通工艺流程

3.2 不凝气管道的布置

在实际生产中，塔顶气相中常混着少许的不凝气。不凝气会顺着管线进入下游设备，若不能及时地将不凝气排出，气体会一直在系统中积聚。而在热旁通系统中，不凝气会积聚在冷凝器的壳程中，随着不凝气越积越多，冷凝器的有效传热面积会不断下降，压力会不断增大，同时也会造成塔内压力不断增大。为了确保系统的稳定，可以通过手动调节，将不凝气排出系统。主要流程是：将热旁通关闭，打开回流罐的调节阀，此时，塔顶的气相不断进入冷凝器，将不凝气赶入回流罐，然后放空口排出；观察压力的变化，当压力降到一定值时，可关闭放空阀，打开热旁通，开始运行。

该操作方法也存在问题:第一并非一劳永逸，需要隔一段时间，就不断地重复该操作，排放系统中的不凝气；第二，手动调节势必会造成不稳定性的提高，而该不稳定性可能会造成产品质量的下降。因此，制定一个减少人为手动操作，提高系统的稳定性的方法势在必行。

经过实践，增加一条从冷凝器到回流罐的不凝气管线，就可有效解决压力控制不稳的问题(图9)。该方法只需定期打开不凝气线路上的遥控阀即可实现不凝气的排空。

图9 增设自冷凝器至回流罐的不凝气线

不凝气管道及阀门的布置应注意以下几点：

1) 冷凝器壳程设置不凝气排放管道时，不应留有死角。如果冷凝器壳程内有挡板结构，则应在挡板两侧的高点分别设置不凝气排放管口，如图10所示。

2) 不凝气排放管线从冷凝器到下游回流罐的走向，应满足自流无袋型，以防止液相积聚在管道内低点。

3) 不凝气排放管线上的阀门，宜选用电动或启动的开关阀。如果选用手阀，则应保证该阀门便于操作。通常，采用热旁通压力控制的冷凝器，其直径都较大，因此一般需要在手阀处设置固定操作平台。

图10 冷凝器不凝气排放管口的设置

3.3 冷凝器循环冷却水管道的布置

冷凝器循环冷却水管道的设置时应注意以下几点：

1) 冷凝器循环冷却水侧的流速应≥ 1 m/s。如果循环冷却水在冷凝器内流速较低，会导致循环水内的泥沙在换热器内沉积，阻力增大，流量降低。而循环水流量降低，则会导致循环水出口温度较高，造成换热器结垢严重，影响冷凝器的正常运行，无法保证精馏塔的压力。

2) 循环水管道的布置应便于冷凝器封头拆卸清洗，必要时在管道上增设拆卸法兰。图11中的循环水管道布置，选用了对夹式蝶阀作为切断阀，却没有在管道上设置拆卸法兰，导致冷凝器需要拆封头清洗时循环水管路无法切断拆除，使得换热器的检修清洗无法进行。

图11 循环冷却水管道错误布置示例

4 结语

当精馏塔压力采用热旁通控制方案时，应先根据工艺物料特性计算回流泵所需的净正吸入压头，从而确定回流罐的安装高度;再根据压差计算冷凝器和回流罐的高度差，并尽量把冷凝器布置在地面上，以便于冷凝器的检修和清洗。在做冷凝液管道、热旁通管道、不凝气排放管道和循环冷却水管道的设计时，应注意保证回流罐内液位的稳定以及冷凝液管道的过冷度，严格满足工艺要求的管道、阀组自流无袋型要求，并充分考虑冷凝器的检修冲洗方便。