改造完脱水塔，我想对设计手册说……

✪ 导语 ✪

设计手册是我们进行化工设计的依据，但是当我们的设计手册不能回答塔压为什么升高、为什么冷却水阀门全开塔顶还冷不下来、为什么一定要采用放空手段等问题时，我们该怎么办呢？小七觉得大胆创新改革，是首先应该坚持的。

我们都在相信的设计资料：

先看“石油化工自动控制设计手册”(陆德民主编 石油化工自动控制设计手册（第三版）)中对精馏塔压力控制的介绍

馏出物中含有少量不凝性气体，用分程控制方案控制塔的压力

当塔顶气相中不凝气体的含量小于塔顶气相总量的2%时，或者在塔的操作中预计只在部分时间里产生不凝气体时，就不能采用将不凝气体放空的方法控制压力。

因为这样做损失太大，会有大量未被冷凝下来的产品被排放掉。此时可采用分程控制方案对塔压进行控制，首先用冷却水调节阀控制塔压，如冷却水阀全开塔压还降不下来时，再打开放空阀，以维持塔压的恒定。

馏出物中有较多不凝性气体，用回流罐气相排放量控制塔压的方案

当馏出物中含有不凝气体比较多时，塔压可以通过改变回流罐的气相排放量来实现。

在上述两种情况下，资料指出可以直接打开放空阀，用放空来控制压力。同时也指出放空会造成很大损失。

石化生产中精馏塔基本上也都是按照这样的方案做设计。设计资料是被大家公认为正确的技术，因此在生产中连续放空也被认为是一种正常操作，很少有人提出质疑。

然而问题来了，资料却不能解释，怎么办？

资料不能解释塔压为什么升高？为什么冷却水阀门全开还冷不下来？为什么一定要采用放空手段？

脱水塔采取的工艺流程和控制方案

设计工艺流程

塔顶气相进入列管式冷凝器壳程，尾气和冷凝液从下出口流出。

从回流罐上排出的大量放空尾气全部送入火炬焚烧。脱水塔进料中除含有微量水外，其余都是在操作条件下易冷凝的有机组分。

实际生产中遇到的问题

运行时水调节阀全开，回流罐上的尾气放空阀也全开，还需要打开部分放空付线才能使塔顶压力稳定。

根据对冷凝器面积和冷却水流量的核算，设计有很大富裕度。后来又增加了一台0℃盐水冷凝器，放空现象仍没有好转。而塔顶气相冷凝液（回流罐液相）温度常年在20℃上下。连续放空使丁二烯和溶剂的消耗居高不下。

深入分析脱水塔的放空，来揭开这些疑问

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丁二烯──己烷温度组成图

假设塔的进料为由丁二烯（a组分）与己烷（b组分）组成的二元组分理想溶液。设定总压Ｐ=0.3Mpa。

解说从C—E的变化过程：

1. 从汽相线上Ｃ点到液相线上Ｅ点表示二元组分的冷凝冷却过程。

2. 在C-Ｅ点之间的“部分”冷凝阶段,始终存在平衡的气液二相，气液相温度总是高于泡点E的温度Tb（Tb=56℃）。

3. 在泡点Ｅ物料“完全”冷凝，因此泡点温度可作为气相达到完全冷凝的标志。

对脱水塔而言，塔顶气相浓度Xa=40%时，在0.3Mpa压力下，冷凝液达到56℃时塔顶气相完全冷凝。在设定的操作压力下，精馏塔塔顶组成确定后，冷凝液的泡点也被确定。

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压力控制的目的就是将蒸汽冷凝到泡点

在全凝器中，压力控制的原理是调节制冷剂的流量，使冷凝器的全部热负荷与从塔顶蒸出的饱和蒸汽潜热正好相等，那时饱和蒸汽“完全”冷凝。冷凝下来的液体是饱和的泡点下的液体，它所具有的饱和蒸汽压等于所设定的压力即为塔压。

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脱水塔压力过程分析

采用调节冷凝器水流量和放空量的分程控制过程分析：

正常操作的精馏塔，如果冷凝器水量的不足只能使气相部分冷凝（如冷凝停留在Ｄ点），在Ｋ点的剩余气相的积累使塔压升高，这时调节系统自动增加水量，使积聚的气相完全冷凝，压力下降。

如果水量调节到最大仍不能使压力下降时，只能打开放空阀，从而发生因可凝气积聚引起的连续放空，可凝气积聚放空的特点是冷凝液的温度一定高于泡点温度。

如果冷凝器的水过量将使达到泡点的冷凝液温度继续下降，此时塔压下跌，通过自控调节逐渐减少水量，提升温度回复至正常操作压力。

而实际生产中

脱水塔冷凝液温度为20℃，已远远低于泡点，表示塔顶气相已完全冷凝，水的过量已导致了冷凝液的过冷，在这种情况下塔压应该下跌，实际上反而超标引起放空，这是十分矛盾的现象。

冷凝液过冷的事实清楚地说明脱水塔放空不是因可凝气积聚所引起，因而与冷凝能力无关。此种情况下无论采取增加冷凝面积或增加水流量对改善超压现象都是无效的。

 冷凝器中不凝气积聚的发现和发生原因

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理论推导有未知气体C

连续进料和出料的精馏塔处在稳定操作过程，对冷凝系统的压力，可作稳态过程来研究。20℃时，丁二烯饱和蒸汽压为0.24Mpa，己烷饱和蒸汽压为0.016Mpa，假定冷凝液组成为含30%丁二烯和70%己烷，经计算该液相的饱和蒸汽压之和只有0.083Mpa，与塔压0.3 Mpa相差甚远，说明冷凝系统应有未知气体C存在，理论推导形成分压Pc为0.217Mpa，占气相百分浓度约72.3%。

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实验验证未知气体C是什么

从盐水冷凝器尾部取得一组气相样品，经气相色谱分析，分析数据证实了在冷凝器中存在的未知气体就是以N2为主的不凝气体，实际含量与未知气体的理论推导数据接近。这样我们才知道N2是系统中存在的不凝气。

原来脱水塔的原料粗溶剂油来自罐区，为防止挥发，贮槽内用 N2保压，因此微量N2被溶解在原料中带入了脱水塔。

深度解析脱水塔压力为什么升高？

为什么冷却水阀门全开还冷不下来？

为什么一定要采用放空手段？

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为什么冷凝液过冷

根据脱水塔冷凝液过冷现象，对其放空形成过程作如下解释：

冷凝器的压力为各组分蒸汽分压之和ΣPi。当不凝气存在时会产生分压PN2，所以总压为两项分压之和：P=ΣPi+ PN2 。

脱水塔开始运行，进料中含有的微量N2，随着进料F连续进行，蒸馏过程的变化：

这个过程不断重复,直至冷却水调节阀全部打开,溶液降至某温度(如20℃)不再变化，饱和蒸汽压ΣPi不再下降，而不凝气分压PN2仍继续上升，当压力达到控制上限0.3+0.02Mpa时， 

控制系统只能启动放空调节阀，开始发生因不凝气积聚形成的放空。它的特点是冷凝液温度一般低于泡点温度，呈现过冷。 

这样从理论上解释了为什么冷凝液过冷，而塔顶压力反而超标的矛盾现象，推理符合逻辑也符合生产实际。

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为什么打开放空阀

同时推理解释了设计资料中，为什么冷却水阀全开，塔压降不下来，一定要打开放空阀的道理。

不凝气积聚：

是指气相完全冷凝后，有一部分不凝气分子逐渐在冷凝器中集结的过程。冷凝器中的流通死角是会发生积聚的地方。一旦放空，积聚宣告结束。

放空泄压使回流罐液相大量汽化，尾气排出时夹带走气相物料和N2，尾气含N2量与进料中含N2量保持平衡。放空只是使不凝气不再继续积聚，分压PN2不再增加，生产中溶液始终保持过冷状态，N2的分压始终存在，说明放空并不排出已积聚的N2，积聚的不凝气可以比喻象一个无外膜的气囊一样一直留存于某一个死角。因此随着N2的连续进入，放空也连续进行。

在冷凝器内，作为轻组分的不凝气有向上自然流动的特性，如果没有出口，就会滞留在容器内。这是不凝气发生积聚的设备原因。冷凝器是一种有特殊要求的换热器，不是所有的换热器都可以拿来用作冷凝器。

精馏塔的压力控制是针对可凝气的调节设计，而忽视了不凝气的客观存在，这样的调节系统不能区分引起压力升高的气体的性质，因此在降低温度的同时反而帮助了不凝气在冷凝器中的积聚，这是发生不凝气积聚的工艺原因。

气体积聚是引起精馏塔放空的根本原因，根据气体的性质可分可凝气积聚和不凝气积聚二大类。

表可凝气积聚与不凝气积聚放空特征的比较

名称	可凝气积聚	不凝气积聚
放空气体性质及成分	在冷凝条件下的可凝气体，气体的“部分”冷凝引起的积聚	进料中带入的不凝气，包括无机气体及一些难冷凝的轻组分（C1，C2等）在冷凝器中的积聚
相同表现特征	1. 用作控制致冷剂流量、冷凝面积等的调节阀开在最大阀位上，失去调节功能 2  放空调节阀打开，连续大量排放尾气	1. 用作控制致冷剂流量、冷凝面积等的调节阀开在最大阀位上，失去调节功能  2.  放空调节阀打开，连续大量排放尾气
不同表现特征	1. 气相为多元组分时，冷凝液温度高于泡点温度 。（气相为纯组分时冷凝液温度不变） 2. 停进出料，全回流自循环时，若进入冷凝器气相量不变，仍连续放空	1  气相无论为纯组分或多元组分，冷凝液温度一般都低于泡点温度  2. 停进出料，全回流自循环时，若进入冷凝器气相量不变，因不凝气不再积聚，放空停止
处理办法	1.检查冷凝器有否堵塞，冷凝面积是否足够 2.检查制冷剂流量，温度是否符合要求 3.检查塔顶气相流量，回流量，进料量，釜温等的变化	1.改进设备和冷凝工艺流程，引出不凝气

脱水塔改造后的效果

回收工段继脱水塔改造后，提浓塔也进行了改造。放空阀门从全开到20%的开度，放空气中含N2量在50%上下，冷却水阀门开度从全开到50%以下,冷凝液温度提升到50℃。

装置顺丁橡胶耗丁二烯从1080公斤/吨下降到1025公斤/吨，丁二烯收率提高了5%，年回收丁二烯825吨，增加收益达600万多元，回收的溶剂油和节约的大量冷凝用水尚未计算在内，原本焚烧处理的废气完全得到回收，因此给企业带来良好的经济效益和社会效益。

对一些设计手册的意见

当我们认识了不凝气积聚，掌握了放空发生规律，发现国内有关冷凝工艺和冷凝设备的设计手册有很多需要修正和规范的地方。

a.  冷凝器的设计。

下图是从“冷换设备工艺计算手册”（刘巍等  冷换设备工艺计算手册 [M]）中下载

，这些被认为可以选择用作冷凝器的图例(K除外)违背冷凝器的设计原则，因此在设备内都会存在不凝气积聚点。

 

TEMA换热器型式

b. 重叠式冷凝流程

 下图在第三版《化工工艺设计手册》中所示重叠浮头式冷凝器。在冷凝器中有不凝气积聚点。

c.热旁通压力控制讨论

下图是浸没式冷凝器塔压控制方案。热旁通压力控制原理是利用调节主、付管线内通过的气相物料量，通过改变冷凝器内传热面积，使进入冷凝器的饱和蒸汽“完全”冷凝从而达到压力控制。

由于在冷凝器中有不凝气的积聚，它的排出还需要通过排液管形成的液封，释放的阻力极大，为了降低塔压，不得不打开热旁通阀门，让塔顶蒸汽直接排入回流罐，因此热旁通法的放空情况比其他压力控制法 更为严重。

d.  减压塔的工艺设计   

下图是从“石油化工自动控制设计手册”下载。在这样的流程中，抽真空会消耗更多动力和排出更多尾气。

结束语

脱水塔是一个因不凝气积聚导致超压放空的典型例子，它的改造帮助我们解释了设计手册中的许多疑难问题，让我们认识到在自然流动的冷凝器中，含有不凝气的尾气如果没有出路，就会被留存在某个死角。入塔的不凝气产生积聚使塔压升高，它不会随放空散去，随着不凝气的连续进入，因此使放空连续进行。

石油和化工生产中许多精馏塔广泛采用与脱水塔类似的各式冷凝器和工艺流程，因此精馏塔放空成为行业的共性问题，给国家和企业带来严重的经济损失和对环境的严重污染。脱水塔改造给我们提供了一项实用技术，可以视冷凝器的实际情况选择改造或更新，不要增加日常运行费用，利用精馏塔自身能力，进行工艺改造解决精馏塔的连续放空。

这是一项精馏塔VOCs治理的专有技术，采用吸收，吸附，冷凝等通用的回收方法或者焚烧手段都是无可比拟的。希望石油和化工企业在火炬治理中，紧紧抓住源头治理，应用“不凝气积聚”的观点，治理精馏塔放空。

不迷信引进技术，不迷信设计资料，大胆创新改革，共同促进化工技术的进步和做好环境保护的工作。

本文来源： 葛怡君投稿。如有更多专业问题讨论，请联系化工707或 葛怡君 老师，手机 [phone]， Email  [e-mail].