CN103239876A - 避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法，是为稳定控制精馏塔塔釜温度和确保产品质量合格的目的而设计的，其采用“加热介质部分循环部分补充”的温度控制及设置旁路压差调节阀的方法，使重沸侧换热管壁面温度与操作压力下重沸介质液体的饱和温度之差Δt小于临界温差Δt_c，从而能确保精馏塔釜温控、精馏操作及传热速率的稳定。发明方法可操作性能强、调节灵敏、控制性能好、可使产品质量提高以及节省能量。

Description

避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法

技术领域

本发明涉及一种避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法，属于炼油技术领域。

背景技术

当精馏塔塔釜温度较高、且蒸汽温位过低而不能用做重沸器热源时，炼油厂往往采用导热油、高温工艺液体等作为重沸器加热介质，且该加热介质一般兼有回收热量和节省投资的优点。这些加热介质一般不发生相变，重沸器传热速率由改变加热介质的流量来调节。当增加加热介质的流量时，重沸器的传热系数和传热温差增大，传热速率随之增加，反之亦然。显热加热重沸器的使用已被广泛应用于石油化工装置中。但是，如果传热处在过渡沸腾区(也称为不稳定膜状沸腾区)中，传热速率不再随管、壳程温差Δt(重沸侧换热管壁面温度与操作压力下重沸介质液体的饱和温度之差)的增加而增加，而是随Δt增加而下降，这将使精馏操作不稳定。

重沸器在不稳定的过渡沸腾区传热，气层和液层交替地覆盖换热管外表面，会使重沸器表面温度发生波动，传热速率下降。例如，精馏塔塔釜温度过低时，进入重沸器的加热介质流量增大，Δt相应增加，但传热速率不升反降，造成塔釜温度进一步下降。影响过渡沸腾的一些因素为：(1)表面条件(核化点密度)；(2)温差(重沸侧换热管壁面温度与操作压力下重沸介质液体的饱和温度之差)；(3)液体的热物性；(4)换热表而的热物性；(5)在任何给定位置的液体与管壁之间的接触频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法，其可使重沸侧换热管壁面温度与操作压力下重沸介质液体的饱和温度之差小于临界温差，确保精馏塔釜温控制的稳定和产品质量的合格。

重沸器加热介质侧的基本传热方程(显热)如公式1所示：

q＝K×A×MTD＝W×C_p×(T_i-T_o)         (1)

式中：

q-重沸器传热速率，W；   K-重沸器总传热系数，W/m².℃；

A-重沸器传热面积，m²；  MTD-重沸器对数平均温差，℃；

W-重沸器加热介质流量，kg/s；C_p-重沸器加热介质平均比热，J/kg.℃；

T_i-加热介质进重沸器温度，℃；T_o-加热介质出重沸器温度，℃。

一般来说，当重沸器传热处于泡核沸腾区时，工艺介质沸腾侧的膜传热系数h_o远大于加热介质侧(显热侧)的膜传热系数h_i，故h_i的大小对K值的大小起到关键的作用。此时，公式(1)中，传热速率q随重沸器加热介质流量W的增减而呈近似线性增减，这是由于h_i随加热介质流速的增减而呈近似线性增减、而h_i对K值起主导作用的缘故。因此，当精馏塔釜温小于给定值时，只要将设在加热介质主管线上的调节阀开大，加热介质的流量W随之增大，加热介质重沸器出口温度T_o、重沸器对数平均温差MTD及传热系数K也将增大，总的结果重沸器传热速率q增大，使精馏塔釜温度逐渐上升直至达到给定值为止；反之亦然。

当加热介质进重沸器温度高至某一数值时，换热管壁面上的汽化核心增多，气泡在脱离换热管壁面之前便相互连接，形成气膜，把换热管壁面与液体隔开。由于形成的气膜很不稳定，随时可能破裂变为大气泡离开加热面，又因气体热导率远小于液体，故传热系数K值不稳定且反而大幅度下降，使传热在过渡沸腾(不稳定膜状沸腾)内进行。从核状沸腾变为过渡沸腾的转折点称为临界点。临界点所对应的传热速率和温差分别称为临界传热速率q_c和临界温差Δt_c。当重沸器传热处于过渡沸腾区时，h_o和h_i都对K值或仅h_o对K值起到关键的作用，当精馏塔釜温小于给定值时，随着加热介质的流量W增大，h_o及K值均下降，造成传热速率q本应增大却反而减少，导致塔釜温度控制的失败。

为避免上述现象发生，本发明采用的技术方案是：

采用“加热介质部分循环部分补充”的温度控制方法，将重沸器出口的温度较低的加热介质与自系统(界区)来的温度较高的加热介质按一定比例混合，使进重沸器的加热介质温度适度降低，以达到重沸侧换热管壁面温度与操作压力下重沸介质液体的饱和温度之差Δt小于临界温差Δt_c的目的。

在加热介质主管线上设置流量调节阀，在旁路线上设置压差调节阀，由两调节阀共同控制重沸器传热速率来调节精馏塔塔釜温度。

本发明能使精馏塔在稳定的状态下操作，其主要优点如下：

(1)可操作性能强

温度较低的加热介质自重沸器出口进入缓冲罐，再由泵升压后与界区来的高温加热介质混合，再由精馏塔塔釜温度与进重沸器的加热介质的温度串级控制自界区来的加热介质流量，操作简单、实用性能强。

(2)控制性能好

精馏塔塔釜温度通过加热介质主管线上的流量调节阀和旁路线上的压差调节阀共同控制重沸器传热速率的方式来调节，调节更加灵敏、控制性能良好。

(3)产品质量提高

当重沸器处于过渡沸腾区操作时，精馏塔釜温无法得到有效控制，操作人员只能通过控制室内的DCS显示屏观察釜温变化情况进行手动控制。相应地，产品质量得不到保障，经济效益也受到影响；采用本发明提出的控制方法后，可自动控制精馏塔塔釜温度，减少操作人员的劳动量。

(4)进、出界区的加热介质流量可降低

由于部分加热介质循环操作，可使进、出重沸器的加热介质温度均有所下降，其结果是进、出界区的加热介质流量降低，节省能量。

附图说明

图1是避免重沸器在不稳定过渡沸腾区操控方法的流程示意图。

图2是重沸器传热曲线。

具体实施方式

先结合附图2对重沸器的传热过程进行说明。

附图2中各个区域的特性分析如下：

AB区为自然对流区。管子表面的液体没有过热到足以产生泡核，因此没有汽泡产生，这时热量靠自然对流传递。

BC区为初始沸腾区。随着沸腾温差Δt的升高，开始有汽泡产生，并通过液体而上升。在C点附近汽泡在上升的过程中逐渐消失，此时的热量传递是自然对流和泡核沸腾的结合。

CD区为泡核沸腾区。传热速率随Δt上升而上升，这是由于气泡的产生和脱离对加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故。在此区中，传热稳定，传热系数大。

DE区为过渡沸腾区，也称为不稳定膜状沸腾区。在此区中，传热速率不再随Δt增加而增加，而是随着Δt的增加，气层和液层交替地覆盖换热管外表面，致使表面温度发生波动，传热速率下降、操作高度不稳定。因此在设计中，应尽量避开此区。

EF区为膜状沸腾区。加热表面上形成一层稳定的气膜，把液体和加热表面完全隔开。但此时壁温较高，辐射传热的作用变得更加重要，故传热速率再度随Δt的增加而增加。但温度过高会使壁面损坏。没有特殊要求，一般不将重沸器设计在膜状沸腾区。

结合附图1说明本发明的具体实施方法：

1)根据精馏塔1的操作条件，即加热介质的流量、温度、压力、重沸器的规格等基本数据求出Δt、Δt_c：

Δt可采用基本的传热方程或换热器专用模拟软件如HTRI计算出；

Δt_c可查相关图表或采用换热器专用模拟软件如HTRI计算出；

如果计算的Δt≥Δt_c，则进行第2)步。

2)根据实际的重沸器2的操作情况，按W₁为原值的0.8～1.0倍、W₂为原W₁值的0.1～0.3倍，给出初估的W₁和W₂值。

根据公式(1)及以下公式(2)和(3)计算重沸器进、出口的加热介质进、出重沸器2的温度值。

W₁+W₂＝W                              (2)

W₁×C_p1×(T_S-T_i)＝W₂×C_p2×(T_i-T_o)    (3)

公式中：

W₁-自界区来的加热介质流量，kg/s；

W₂-自重沸器2来的加热介质循环量，kg/s；

C_p1-在温度T_i至T_R范围内加热介质平均比热，J/kg.℃；

C_p2-在温度T_o至T_i范围内加热介质平均比热，J/kg.℃；

T_S-加热介质自界区来的温度，℃。

3)再次采用基本的传热方程或换热器专用模拟软件如HTRI计算出新的Δt值，如果该值小于Δt_c，则步骤2)初估的W₁和W₂等参数合适；否则重新假定W₁和W₂等值，返回步骤2)。

4)按正常流量为W₁、正常压差值为0.06MPa选用温差调节阀3；

按正常流量为W₂、正常压差值为0.06MPa选用液位调节阀10；

按正常流量为W₂、正常压差值为0.06MPa选用流量调节阀7；

压差调节阀4正常压差值按0.10MPa设计，正常流量应根据系统加热介质总量、能量消耗、调节灵敏性等实际情况综合考虑，一般按W值的(0.3～1.0)倍进行设计。

如所加热的重沸器2并非加热介质的唯一供热点，且在加热介质总进口5和总出口6的旁路线上已设置调节阀，本发明所设的压差调节阀4可取消，否则，不能取消。

5)缓冲罐9容积按正常流量为W2、停留时间10分钟、正常液位50％设计。

6)升压泵8的压差(扬程)按((加热介质在重沸器2入口处的压力-缓冲罐底部压力)+管路系统摩擦压降+流量调节阀正常压差)的1.1倍确定；

升压泵8的正常流量按W₂、额定流量按1.25倍的W₂确定。

7)然后，采用精馏塔1塔釜温度调节器11与重沸器加热介质入口温度调节器12对来自界区的加热介质流量进行串级控制。其中塔釜温度调节器11是主调节器，重沸器加热介质入口温度调节器12是副调节器。主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

精馏塔塔釜温度控制器11的输出作为重沸器加热介质入口温度控制器12的给定值，亦即重沸器加热介质入口温度控制器12的给定值由塔釜温度控制的需要来决定它应该‘变”或‘不变”，以及变化的‘大”或‘小”。通过该串级控制系统，在塔釜温度平稳时重沸器加热介质入口温度和自界区来的加热介质流量均保持不变，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，则要求重沸器加热介质入口温度和自界区来的加热介质流量作相应的变化，使能量的需要和供给之间得到平衡，将塔釜温度稳定在给定值上，以保证精馏塔的分离质量，提高产品质量。

8)在加热介质主管线上设置流量调节阀7，在旁路管线上设置压差调节阀4，由两调节阀共来同控制精馏塔塔釜温度。

当精馏塔1塔釜温度高于设定值时，减小流量调节阀7开度，使进入重沸器2中的加热介质的流量减少，重沸器的传热量随之下降，使温度逐渐下降直至达到设定值。与之同时，随着流量调节阀7开度减小，其压差增大，当旁路调节阀两侧的测压仪表测出压降值大于设定值时，增大旁路压差调节阀4开度，使流经旁路的加热介质流量增大。反之，当塔釜温度低于设定值时，增大主路流量调节阀7开度，降低旁路压差调节阀4开度。

实施例1和比较例1

某气体分馏装置的丙烷-丙烯分馏塔底重沸器型号为BJS500-2.5-55-6.0/25-4(标准换热器)，管束排列形式为正方形转45°，折流板形式为单弓板、中心间距为350mm、切口方位为竖直。作为重沸介质的丙烷、丙烯混合物在重沸器的壳程侧，其操作压力为2.0MPaG、临界压力为3.59MPaG、入、出口温度分别为59.0℃和59.1℃，质量气化分率为0.25，传热负荷为3600kW。

重沸器的管程侧的加热介质为某催化汽油加氢脱硫装置的一股汽油组分，操作压力为1.1MPaG、流量为97.6t/h，进料温度为166℃。

实施例1按本发明流程(图1)操作，比较例1按由塔釜温度控制加热介质流量的常规控制流程操作，两种流程主要操作参数及经济效益对比如表1所示。

表1 两种流程主要操作参数及经济效益对比

从表1可以看出，比较例1中重沸器壳程工艺介质沸腾侧部分区域的Δt大于Δt_c，造成丙烷-丙烯分馏塔底重沸器在不稳定的过渡沸腾区操作，塔釜温度难以控制平稳，产品质量合格率低；当实施例1采用本发明提供的流程后，重沸器壳程工艺介质沸腾侧的Δt小于Δt_c，使重沸器在稳定的泡核沸腾区操作，丙烷-丙烯分馏塔控制平稳，产品质量合格率提高到99.9％，使经济效益大幅度提高。

实施例2和比较例2

某催化轻汽油醚化装置的甲醇回收塔重沸器采用来自催化裂化装置来的一股柴油组分作为加热介质(温度为192℃)，以达到回收热量、降低能耗的目的。甲醇回收塔釜温为104.2℃。比较例2采用由塔釜温度控制加热介质流量的常规控制方法，但由于重沸器壳程工艺介质沸腾侧部分区域的Δt为21.6℃，大于临界温差19.1℃，造成甲醇回收塔控制不稳定，塔顶回收的甲醇中含大量的水，当返回至反应部分进一步反应时，水与催化轻汽油中的叔戊烯在催化剂的作用下生成叔戊醇，使产品质量不合格。

实施例2采用本发明提供的流程，采用“加热介质部分循环部分补充”的温度控制方法，且通过设在加热介质主管线上的主流量调节阀和旁路线上的压差调节阀共同控制精馏塔1塔釜温度。实施例2实施后，重沸器壳程工艺介质沸腾侧最大的Δt值为18.7℃；甲醇回收塔操作平稳，循环甲醇中基本不含水，产品质量合格率达到99.9％以上；而且，由于进、出重沸器的加热介质温度均有所下降，使来自系统的总加热介质流量降低了8.7％，节省了能量。

Claims (4)

1.一种避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法，其特征在于：

本发明的具体方法步骤如下：

1)根据精馏塔1的操作条件，即加热介质的流量、温度、压力、重沸器的规格等基本数据求出Δt、Δt_c：

Δt可采用基本的传热方程或换热器专用模拟软件如HTRI计算出；

Δt_c可查相关图表或采用换热器专用模拟软件如HTRI计算出；

基本传热方程(显热)如公式1所示：

q＝K×A×MTD＝W×C_p×(T_i-T_o)    (1)

式中：

q-重沸器传热速率，W；  K-重沸器总传热系数，W/m².℃；

A-重沸器传热面积，m²； MTD-重沸器对数平均温差，℃；

W-重沸器加热介质流量， kg/s；C_p-重沸器加热介质平均比热，J/kg.℃；

T_i-加热介质进重沸器温度，℃；T_o-加热介质出重沸器温度，℃。

如果计算的Δt≥Δt_c，则进行第2)步；

2)根据实际的重沸器(2)的操作情况，按W₁为原值的0.8～1.0倍、W₂为原W₁值的0.1～0.3倍，给出初估的W₁和W₂值； 

根据以下公式(2)、(3)计算重沸器进、出口的加热介质进、出重沸器(2)的温度值：

W₁+W₂＝W                              (2)

W₁×C_p1×(T_S-T_i)＝W₂×C_p2×(T_i-T_o)    (3)

式中：

W₁-自界区来的加热介质流量，kg/s；

W₂-自重沸器2来的加热介质循环量，kg/s；

C_p1-在温度T_i至T_R范围内加热介质平均比热，J/kg.℃；

C_p2-在温度T_o至T_i范围内加热介质平均比热，J/kg.℃；

T_S-加热介质自界区来的温度，℃；

3)再次采用基本的传热方程或换热器专用模拟软件如HTRI计算出新的Δt值，如果该值小于Δt_c，则步骤2)初估的W₁和W₂等参数合适；否则重新假定W₁和W₂等值，返回步骤2)；

4)按正常流量为W₁、正常压差值为0.06MPa选用温差调节阀(3)；

按正常流量为W₂、正常压差值为0.06MPa选用液位调节阀(10)；

按正常流量为W₂、正常压差值为0.06MPa选用流量调节阀(7)；

压差调节阀(4)正常压差值按0.10MPa设计，正常流量应根据系统加热介质总量、能量消耗、调节灵敏性等实际情况综合考虑，按W值的(0.3～1.0)倍进行设计；

5)缓冲罐(9)容积按正常流量为W2、停留时间10分钟、正常液位50％设计； 

6)升压泵(8)的压差(扬程)按((加热介质在重沸器(2)入口处的压力-缓冲罐(9)底部压力)+管路系统摩擦压降+流量调节阀(7)正常压差)的1.1倍确定；

升压泵(8)的正常流量按W₂、额定流量按1.25倍的W₂确定；

7)然后，采用精馏塔塔釜温度调节器(11)与重沸器加热介质入口温度调节器(12)对来自界区的加热介质流量进行串级控制；其中塔釜温度调节器(11)是主调节器，重沸器加热介质入口温度调节器(12)是副调节器；

8)在加热介质主管线上设置流量调节阀(7)，在旁路管线上设置压差调节阀(4)，由两调节阀共来同控制精馏塔塔釜温度。

2.如权利要求1避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法中4)所述的压差调节阀(4)，其特征在于：

如所加热的重沸器(2)并非加热介质的唯一供热点，且在加热介质总进口(5)和总出口(6)的旁路线上已设置调节阀，本发明所设的压差调节阀(4)可取消，否则，不能取消。

3.如权利要求1避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法中7)所述的塔釜温度调节器(11)与重沸器加热介质入口温度调节器(12)，其特征在于：

塔釜温度控制器(11)的输出作为重沸器加热介质入口温度控制器(12)的给定值，亦即重沸器加热介质入口温度控制器(12)的给定值由塔釜温度控制的需要来决定它应该‘变”或‘不变”，以及变化的‘大”或‘小”；通过该串级控制系统，在塔釜温度平稳时重沸器加热介质入口温度和自界区来的加热介质流量均保持不变，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，则要求重沸器加热介质入口温度和自界区来的加热介质流量作相应的变化，使能量的需要和供给之间得到平衡，将塔釜温度稳定在给定值上。 

4.如权利要求1避免重沸器在不稳定过渡沸腾区的操控方法8)中所述的流量调节阀(7)和压差调节阀(4)的设置，其特征在于：

当精馏塔(1)塔釜温度高于设定值时，减小流量调节阀(7)开度，使进入重沸器(2)中的加热介质的流量减少，重沸器(2)的传热量随之下降，使温度逐渐下降直至达到设定值；与之同时，随着流量调节阀(7)开度减小，其压差增大，当旁路调节阀两侧的测压仪表测出压降值大于设定值时，增大旁路压差调节阀(4)开度，使流经旁路的加热介质流量增大；反之，当塔釜温度低于设定值时，增大主路流量调节阀(7)开度，降低旁路压差调节阀(4)开度。 

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