精馏塔重沸系统的工艺模拟与设计.pdf

精馏塔重沸系统的工艺模拟与设计曹克腾，杜翔，邓方义，李和杰（中石化广州工程有限公司，广东省广州市 ）摘要：介绍了精馏塔重沸系统中不同重沸器及塔釜结构型式的特点，采用 和 软件对不同再沸比的重沸体系进行了模拟计算和设计选型，分析比较了不同重沸系统的性能表现（热负荷、重沸器温度、换热面积等）。结果表明：以吸收稳定系统解吸塔为例，对于中等再沸比体系，塔釜设置开孔式静置隔板能显著改善重沸系统的分离性能，同时可以减小重沸器需要的换热面积；对于低再沸比体系，选用釜式重沸器和一次通过式重沸器较为合适；对于高再沸比体系，则优选塔釜无隔板或带恒压头隔板的热虹吸式重沸器。此外，通过对精馏塔底层塔盘液相短路的研究，发现短路比例对于一次通过式重沸系统和塔釜带静置隔板的热虹吸式重沸系统的影响较为显著。研究以再沸比为判断依据，为精馏塔重沸系统的选择和工业设计提供了一定的理论指导。关键词：精馏塔重沸系统重沸器结构塔釜结构再沸比液相短路重沸系统包括塔釜结构、重沸器和连接管线，是精馏塔的重要组成部分，其设计运行情况直接影响精馏塔的分离效果和操作稳定性。分析了 多项精馏塔失效的案例，发现与重沸器相关的高达 。文中将重沸器、塔釜结构和连接管线作为整体系统进行工艺模拟，将再沸比作为重要工艺参数，研究不同型式的重沸器和塔釜结构对操作性能的影响，为精馏塔重沸系统的设计提供指导。重沸器及塔釜结构型式简介 重沸器的型式沈洋 总结了不同类型重沸器结构特点，根据结构特点将重沸器分为釜式重沸器、热虹吸式重沸器、强制循环式重沸器和内置式重沸器等。表 为几种重沸器的性能特点。表 各种重沸器性能特点 项目热虹吸式重沸器立式卧式釜式重沸器强制循环式重沸器立式卧式内置式重沸器沸腾侧管程壳程壳程管程管程壳程传热速率高高较低高高较低汽化率上限，无单台传热面积中等大大大大小是否需要泵否否否是是否介质停留时间短短长短短长结垢倾向低低高低低高占地面积小大大小大无设备费用低中等高中等中等低清洗检修困难容易容易困难容易困难热虹吸式重沸器应用广泛，按操作方式可分为循环式热虹吸重沸器和一次通过式热虹吸重沸器（见图 ）。二者的区别在于：循环式热虹吸重沸器的进料来自于塔釜，经重沸器加热后返回塔内进行气液分离，部分重沸器出口液相循环回重沸器再次加热；一次通过式热虹吸重沸器的进料来自塔底最后一层塔盘，重沸器出口物料返塔后，液相直接作为产品采出，不再循环回重沸器。收稿日期：。作者简介：曹克腾，工程师，硕士，年毕业于天津大学化学工艺专业，主要从事石化工艺设计工作。联系电话：，：。红色虚线表示液相短路，下同。图 热虹吸式重沸器 精馏塔塔釜结构型式塔釜为重沸器提供进料、气液两相的分离空间和稳定操作所需的停留时间。塔釜结构按隔板结构可分为无隔板塔釜、恒压头隔板塔釜、开孔式静置隔板塔釜和溢流式静置隔板塔釜 ，其结构型式如图 所示。图 塔釜结构型式示意 无隔板塔釜是最常见的塔釜结构，可与多种型式的重沸器结合使用。无隔板塔釜应用于循环式热虹吸重沸系统时，底层塔盘溢流的液相与重沸器返回的液相混合作为采出产品和重沸器进料；与一次通过式重沸器搭配使用时，塔釜液体不再返回重沸器，塔釜相当于一块理论塔板；若底层塔盘抽出斗设计不合理，可能存在液相短路混入产品的情况，影响塔釜的分离效果。恒压头隔板塔釜底层塔盘溢流的液相和重沸器返塔的液相进入重沸器抽出釜混合，超过重沸器抽出量的液体会溢流到产品抽出釜，两部分物料组成一致。恒压头隔板塔釜与无隔板塔釜的物料循环方式一致，其优点在于重沸器抽出釜液位恒定，重沸系统的操作比较稳定；缺点在于重沸器抽出釜占用了部分塔釜体积，若要维持产品停留时间，需要较大的塔釜空间。静置隔板结构将来自底层塔盘的液相与重沸器返回的液相分隔开来，两部分物料组成不同，产品抽出釜物料比重沸器抽出釜更“重”，仅部分液体再循环回重沸器。静置隔板有两种型式：开孔式静置隔板塔釜，产品抽出釜部分液体经隔板上的开孔流入重沸器抽出釜，两侧液位基本相同；溢流式静置隔板塔釜，产品抽出釜液位超出溢流高度，部分液体以溢流形式进入重沸器抽出釜，维持重沸系统稳定操作。为论述方便，根据重沸器出口液相返回方式，将与无隔板或恒压头隔板塔釜搭配使用的称为全循环式热虹吸重沸器，将与静置隔板塔釜搭配使用的称为部分循环式热虹吸重沸器。流程模拟与研究方法以某 延迟焦化装置吸收稳定部分的解吸塔和脱丙烷塔为例，使用 软件进行流程模拟，并对重沸器进行设计选型。解吸塔进料为富吸收油，其中 质量分数 ，质量分数 ；脱丙烷塔进料为液化石油气，其中质量分数 ，质量分数 ，相关工艺模拟参数见表 。表 工艺模拟参数 项目解吸塔脱丙烷塔进料量（）理论塔板 层 进料板位置 层 塔顶回流罐压力 塔顶压力 塔底压力 采用 软件搭建模拟流程，详细模拟不同塔釜结构和重沸器型式的工艺操作。流程一为釜式重沸器或一次通过式热虹吸重沸器流程。流程二为全循环式热虹吸重沸器流程。流程三为部分循环式热虹吸重沸器流程。图 分别为流程一、二、三示意。图 流程一 图 流程二 图 流程三 结果与讨论按照 软件定义，精馏塔的再沸比为重沸器蒸发的气相量与塔釜产品流量的比值。对于一定塔板数的精馏塔，分离精度要求越高，需要的再沸比就越大。低再沸比精馏体系以解吸塔为例，分别以上述 种流程进行工艺模拟，设置分离目标为塔釜产品中 质量分数不高于 ，模拟计算结果列于表 。由表 可知：对于釜式重沸器和一次通过式热虹吸重沸器，其进出口物料的温度最低；对于全循环式热虹吸重沸器，其进出口物料温度最高；对于部分循环式热虹吸重沸器，其进出口物料温度居中，所需热负荷最大。这是因为低再沸比情况下，重沸器进料流量低于底层塔盘液相流量，部分液相短路进入产品抽出釜，即流经隔板开孔的物流流向发生了翻转，从而影响了分离性能。表 低再沸比精馏系统的模拟结果 项目流程一流程二流程三再沸比 底层塔盘温度 重沸器入口温度 重沸器出口温度 重沸器汽化率，重沸器热负荷 塔釜产品流量（）返塔气相流量（）以 蒸汽作为热源，根据相关设计规范 ，对几种型式的重沸器进行设计选型：流程一，釜式重沸器 ，釜径 ，一次通过式热虹吸重沸器 ；流程二，全循环式热虹吸重沸器 ；流程三，部分循环式热虹吸重沸器 。全循环式热虹吸重沸器需要使用 蒸汽加热，在能源利用上最不经济；部分循环式热虹吸重沸器所需热负荷最大，能耗高；釜式重沸器和一次通过式热虹吸重沸器所需的换热器面积相当。因此，对于低再沸比的重沸系统，优选釜式重沸器或一次通过式重沸器。由于釜式重沸器壳体体积大，占地和设备投资也相对较大，故通常采用一次通过式重沸器。中等再沸比精馏体系以解吸塔为例，分别以上述 种流程进行工艺模拟，设置分离目标为塔釜产品中 质量分数不高于 ，计算结果列于表 。由流程一结果可知，重沸器出口汽化率超过了一次通过式重沸器 汽化率的上限。重沸器所需热负荷排序为全循环式热虹吸重沸器 釜式重沸器 部分循环式热虹吸重沸器，重沸器物料温度的排序为全循环式热虹吸重沸器 部分循环式热虹吸重沸器 釜式重沸器。可见对于中等再沸比的精馏系统，设置塔釜静置隔板可以获得较高的分离效率和较低的重沸器物料温位。以 蒸汽作为热源，对几种型式的重沸器进行设计选型：流程一，釜式重沸器 ，釜径 ；流程二，全循环式热虹吸重沸器 ；流 程 三，部 分 循 环 式 热 虹 吸 重 沸 器 。其中，全循环式热虹吸重沸器需要 蒸汽加热，且需要的热负荷和换热器面积都最大，不具优势；部分循环式热虹吸重沸器虽然物料温度要高于釜式重沸器，但由于传热效率高于釜式重沸器，所需换热面积最小，在中等再沸比的精馏系统中具有较为明显的优势。表 中等再沸比精馏系统模拟结果 项目流程一流程二流程三再沸比 底层塔盘温度 重沸器入口温度 重沸器出口温度 重沸器汽化率，重沸器热负荷 塔釜产品流量（）返塔气相流量（）高再沸比精馏体系以脱丙烷塔作为高再沸比精馏体系进行模拟研究，设置分离目标为塔顶产品中 质量分数不高于 ，塔釜产品中 质量分数不高于 ，计算结果见表 。由于塔釜产品相对纯度较高，在产品质量一定的情况下，底层塔盘及塔釜温度相差较小，从而使得几种流程的重沸器热负荷和温位接近。以 蒸汽作为热源，对比设计选型结果得知，两种热虹吸重沸器的设备尺寸更小。全循环式热虹吸重沸器可以采用无隔板的塔釜结构，降低精馏塔的制造难度和设备投资。若该类系统采用带隔板的塔釜结构，可选用恒压头式塔釜隔板，在保证分离和传热效率的前提下，增加了重沸系统操作的稳定性。底层塔盘液相短路对重沸系统的影响若塔釜结构设计不合理，底层塔盘部分液相可能短路进入产品，造成分离效率下降。定义液相短路部分占底层塔盘液相的比例为短路比例。低再沸比体系以一次通过式热虹吸重沸器、中等再沸比体系以部分循环式热虹吸重沸器及高再沸比体系以全循环式热虹吸重沸器为研究对象，考察短路比例对重沸系统的影响，如图 所示。表 高再沸比精馏系统的模拟结果 项目流程一流程二流程三再沸比 底层塔盘温度 重沸器入口温度 重沸器出口温度 重沸器汽化率，重沸器热负荷 塔釜产品流量（）返塔气相流量（）图 短路比例对重沸系统操作的影响 由图 可见：对低再沸比体系，短路比例增加，重沸器的热负荷增加，对数传热温差明显降低，因此该系统的塔釜结构必须严防泄漏，底层塔盘可用集液箱代替抽出斗，以减少液体的短路量；对中等再沸比体系，一定程度的短路比例对热负荷的影响较小，对传热温差的影响较大，此时塔釜可采用不容易发生短路的开孔式静置隔板；对高再沸比体系，短路比例对塔和重沸系统操作的影响较小。结论（）对于相同精馏体系，采用不同的塔釜结构和重沸器型式，其分离效率、传热温差及热负荷可能存在较大差异，重沸系统的设计必须与工艺流程模拟结合，同时要考虑塔釜结构型式的影响。（）精馏塔的再沸比是重沸系统设计的重要判据，低再沸比体系优选釜式重沸器和一次通过式重沸器，中等再沸比体系优选塔釜带静置隔板的热虹吸式重沸器，高再沸比体系优选塔釜无隔板或带恒压头隔板的热虹吸式重沸器。（）对于一次通过式重沸系统和塔釜带静置隔板的热虹吸式重沸系统，塔釜结构要尽量避免底层塔盘溢流的液体发生短路现象。参考文献？，（）：沈洋 再沸器设计研究 炼油与化工，（）：塔器设计手册：下册 中国石化集团公司 精馏技术协作组，译 北京：中国石化出版社，：全国锅炉压力容器标准化技术委员会（）热交换器：北京：中国标准出版社，：（编辑胡艳芳），（，）：（，），：，