1. 中国石油工程建设公司华东设计分公司;
2. 中国石油华北石化公司
Design for maintaining the stability of gas-liquid interface in the reflux drum or the steam condensate pot
1. CPECC East-China Design Branch, Qingdao 266071, China;
2. PetroChina North China Petrochemical Company, Renqiu 062552, China
Abstract: Both the reflux drum of the pressure hot vapor bypass control system and the condensate pot of the reboiler system in distillation column system at least have a gas and a liquid feed line, the gas feeding medium is condensable and the liquid feed medium is usually sub-cooled. This characteristic determines the gas-liquid interface in the drum or the pot must be stable to ensure the normal operation of system. Examples are introduced to show the significant fluctuation of the tower pressure under the hot vapor bypass control system, and the water hammer occurred frequently in the condensate pot if the gas or liquid nozzle positions are not well designed, which can lead to the gas-liquid interface instability. The design principle of gas into the gas phase space and liquid into the liquid phase space were put forward finally.
精馏塔压力热旁路控制方法已被广泛应用于塔顶气相全冷凝的工况，而用蒸汽作热源的重沸器系统常常采用凝结水罐代替疏水阀为重沸器提供液封。尽管两种工艺过程看似关系不大，但有一点却是相同的，即回流罐和凝结水罐均有两股进料线，一股为气相线，分别为热旁路线和蒸汽平衡线，另一股为液相线，分别为冷凝液线和凝结水线，且热旁路气体和水蒸气均为可凝，而冷凝液和凝结水通常是过冷的。这一特点决定了回流罐和凝结水罐气、液两相界面稳定才能保证系统正常操作。以下举例说明两种工艺过程对气相线和液相线在回流罐或凝结水罐上开口位置的特殊要求。如果设计不当，则无法保证回流罐或凝结水罐内气、液界面的稳定，进而会造成热旁路控制下的塔压大幅度波动、重沸器系统凝结水罐频繁发生水锤现象，严重影响到精馏系统的正常操作，导致控制系统失败。为减少对罐内气、液界面的扰动，冷凝液或凝结水应从罐底部进入回流罐或凝结水罐的液相空间，而热旁路气体或蒸汽则应从罐顶部进入罐的气相空间。
1 热旁路气体与冷凝液分别单独从回流罐顶部、底部进料
精馏塔压力热旁路控制方案的主要优点有：①回流罐置于冷凝器之上且冷凝液处于过冷状态，可提供给回流泵较高的净正吸入压头；②冷凝器可安装在地面，不需要设置较高的支撑构架，降低了投资费用；③调节阀安装在热旁路管线上，尺寸可大幅度降低。由于具有上述优点，热旁路控制塔压已被广泛用于炼油化工装置中。
如图 1所示，热旁路控制方案是通过改变冷凝器内冷凝液的液位进而改变塔顶气体的有效冷凝面积实现的，当塔顶压力高于设定值时，热旁路调节阀开度减小，回流罐压力就会降低，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，被冷凝液浸没的面积减少，用于气体冷凝的有效面积增大，故气体被冷凝速率加大，塔内储存的气体量降低，使塔压逐渐下降直至恢复到设定值；反之亦然。
另外，在热旁路控制系统中，位于回流罐气、液两相界面处存在一层厚度约为25 mm的“液膜”[1]。该“液膜”的温度高于回流罐冷凝液的主体温度，并与回流罐上部的热旁路气体呈平衡状态，且对应的饱和蒸气压即为回流罐的操作压力，也就是说，回流罐压力仅与“液膜”温度有关，而与过冷的冷凝液温度无关[1-6]。故当塔顶压力高于设定值时，伴随着热旁路调节阀开度的减小，热旁路气体进罐流量降低，则气、液两相界面间“液膜”温度降低；反之亦然。要维持回流罐压力稳定，就必须保持“液膜”的温度稳定，否则，当“液膜”受扰动导致“液膜”温度波动时，塔压必然随之波动，造成热旁路控制塔压失败[5-8]。
图 2为某石化公司MTBE装置催化蒸馏塔采用的热旁路控制流程。该流程在冷凝液管线上增设了1台调节阀以改善调节效果。与常规流程不同的是，该流程在设计时将热旁路管线接至冷凝液管线上，使热旁路气体与冷凝液混合后再从罐底进入回流罐。这种设置的目的是消除回流罐内气、液两相的温差，可更加灵活地调节回流罐内冷凝液的温度，有利于控制塔压。
但诸多文献认为，这种设置与热旁路控制的原理不符，饱和的热旁路气体与过冷的冷凝液在管线中混合后被快速冷凝且冷凝量不断变化，导致气、液两相界面间“液膜”温度不断变化，其后果是塔压难以控制平稳[1-5]。
图 3所示为该塔压力波动情况截图，其横坐标为时间，纵坐标为塔压。
在上述控制方案中，塔压波动的主要原因是，当需要提高塔压时，热旁路和冷凝液管线上的调节阀分别开大和关小，热旁路气体的流量增大，但在气、液混合过程中被冷凝液迅速冷凝，冷凝液温度升高，塔压和回流罐压力上升；同时，冷凝器内液位上升，气体冷凝速率下降，也使塔压上升，在强大的惯性和滞后因素下，压力很容易升至超过设定值，迫使热旁路管线调节阀关小，冷凝液管线调节阀开大，使塔压快速下降，直至低于设定值，如此反复，造成塔压呈波浪形变化。
此外，这种设置还存在如下隐患或缺点：
(1) 当热旁路调节阀关闭时，管路内热旁路气体被周边过冷液体冷凝，热旁路气体所占区域便形成真空，周边的冷凝液将以极高的速度冲向该区域，产生瞬时压力很大的冲击，引起“水锤”或“水击”现象发生。
(2) 将整个回流罐中的冷凝液加热至饱和温度，导致回流泵的有效汽蚀余量NPSHa大幅度降低，甚至会低于回流泵的必须汽蚀余量NPSHr，从而引发气蚀现象。
可见，在热旁路塔压控制系统中，维持回流罐两相界面的稳定非常重要。为减少对两相界面的扰动，热旁路管线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。水平管段要有2‰~3‰的坡度，并坡向回流罐，以便使可能存在的凝液不受约束地自流至回流罐中；自冷凝器来的冷凝液进罐管线应从罐底部进入回流罐，即便从罐顶部进入，也应伸入到回流罐的底部。上述设计原则可以概括为“气相进气相空间、液相进液相空间”。
2 凝结水应从凝结水罐的底部进料
由于蒸汽疏水阀存在易泄漏的缺点，用蒸汽作为热源的重沸器常常采用凝结水罐代替疏水阀为其提供液封，以防止大量蒸汽未经冷凝直接排至凝结水管网而造成的损失和凝结水水击或水锤现象的发生。凝结水罐典型的工艺流程如图 4所示，来自重沸器底部的凝结水自流进入凝结水罐，然后再在凝结水罐中经液位控制送至凝结水管网，在凝结水罐顶设置与重沸器蒸汽入口线相连的平衡线。
为保证凝结水罐的正常操作，凝结水罐管路系统的设计也要遵循“气相进气相空间、液相进液相空间”的原则。在凝结水罐管路系统中，平衡线的主要作用与前述热旁路控制系统的热旁路线相同：使凝结水罐维持一定的气相空间，并维持汽、水界面“液膜”的温度。平衡线应从罐的顶部接至凝结水罐中，自平衡线来的蒸汽只与汽、水界面接触，不与过冷的凝结水直接接触；过冷的凝结水自罐底进入凝结水罐液相空间，且设计时应尽量缩短其在罐中的停留时间，使其在未接触到汽、水界面时就从罐底离开凝结水罐，以减少对汽、水界面的扰动。在正常操作状态下，凝结水罐的操作压力同样为汽、水界面“液膜”温度下的饱和蒸汽压，而不是底部过冷凝结水的蒸汽压。该“液膜”也是一个良好的隔热体，且传热表面积较小，平衡线中的蒸汽通过冷凝的方式向“液膜”下方凝结水主体传递的热量也很少，维持“液膜”温度所需的蒸汽量也很小，故平衡线公称直径为DN25 mm即可满足要求。
巴西Braskem公司某脱乙烷塔重沸器系统凝结水罐未按上述原则进行设计，在低负荷操作时频繁发生水锤现象，严重影响精馏塔的正常操作[9]。该塔重沸器凝结水经由DN100 mm管线从凝结水罐的顶部而不是底部进入凝结水罐。平衡线的尺寸为DN20 mm，将凝结水罐顶部与DN300 mm的重沸器蒸汽加热主管相连。凝结水罐的液位变送器下部管嘴安装在凝结水罐底部，而上部管嘴安装在立式重沸器的顶部，造成液位控制对凝结水液位调节阀开度不灵敏。该罐在发生水锤现象时的操作条件见表 1。
表 1
表 1 发生水锤现象时凝结水罐的操作条件
Table 1 Operating conditions of steam condensate pot when occurring water hammer
| 项目 |
数值 |
| 蒸汽流量/(t·h-1) |
14.1~14.5 |
| 凝结水罐顶部压力/MPa |
0.3~0.4 |
| 凝结水进罐温度/℃ |
72 |
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表 1 发生水锤现象时凝结水罐的操作条件
Table 1 Operating conditions of steam condensate pot when occurring water hammer
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在表 1中，凝结水罐顶部压力为0.3~0.4 MPa，其对应的凝结水饱和温度应为143~151 ℃，但实际进罐温度仅为72 ℃；罐顶即凝结水进罐温度为72 ℃，其对应的饱和蒸汽压(A)应为0.034 MPa，但实际罐顶压力为0.3~0.4 MPa，两者看似矛盾，但经分析后认为，凝结水进罐温度为72 ℃的原因是凝结水在离开重沸器时已处于高度过冷状态，这种过冷状态是由于重沸器选型过大，很大一部分重沸器有效传热管束浸没在凝结水中，凝结水被工艺介质过度冷却造成的；罐顶实际压力为0.3~0.4 MPa的原因是自罐顶DN20平衡线中流向凝结水罐的蒸汽流量约为0.16 t/h，与同样自罐顶来的流量为14.1~14.5 t/h、高度过冷的凝结水接触，混合后被快速冷凝，造成凝结水罐内充满液体而无气相空间，故其压力可以维持在0.3~0.4 MPa。水锤现象就发生在汽、液两相混合后蒸汽被迅速冷凝的过程中。综上所述，凝结水进入凝结水罐的位置设计不当是造成水锤现象的主要原因。Braskem公司对凝结水罐系统进行了改造，如图 5所示[9]。
改造的主要内容：将凝结水进料管线的位置由从罐上部进料改为从罐下部进料，并在进料位置增加防冲挡板；将凝结水正常液位的控制位置提高；将罐顶平衡线直径由DN20 mm改为DN25 mm。这些改造的目的主要是尽量避免凝结水进料对凝结水罐汽、水界面的冲击，确保“液膜”温度在各种扰动状态下保持稳定。改造后凝结水罐运转正常，再无水锤现象发生。
3 结论及建议
热旁路控制系统的回流罐或重沸器系统凝结水罐的共同特点是气相进料介质是可凝的，液相进料介质通常是过冷的。这一特点决定了回流罐和凝结水罐气、液两相界面稳定才能保证系统正常操作。为减少对两相界面的扰动，液体应从罐底部进入回流罐或凝结水罐，即便从罐顶部进料，进料管线也应伸入到回流罐或凝结水罐底部。热旁路管线或蒸汽平衡线则应从回流罐或凝结水罐顶部进入。
对于其他具有相同特点的设备，建议也按“气相进气相空间、液相进液相空间”的原则进行设计，以防止气、液相进料线设计不当而引发的操作压力波动或“水锤”等现象的发生。
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HARTMAN E L, BARLETTA T. Reboiler and condenser operating problems[J]. Petroleum Technology Quarterly, 2003, 8(2): 47-56. |
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2016, Vol. 45