真空精馏塔塔顶系统的设计和优化
钱俊明;任曙霞
【摘 要】Vacuum distillation was widely applied in chemical industry.Reasonable and optimized design can reduce unit investment and operation cost , which was helpful to stable operating.Good engineering practices , including the estimation of vacuum load , lection of vacuum equipment , description of different pressure control plan , and vacuum condenr design , and pipe routing optimization , were summarized.%真空精馏是一种应用非常广泛的化工单元操作，真空精馏系统的优化设计可以改进操作的稳定性和经济性。文章概括了真空精馏塔顶系统的组成和特点，针对真空精馏系统中如何减小压降和稳定操作总结了可靠、良好的工程应用，包括真空负荷的估算、真空设备的选择，不同压力控制方案的比较，真空冷凝器的结构，塔顶配管的优化、设计等。
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2014(000)014
【总页数】4页(P159-161,186)
【关键词】真空精馏;优化设计;真空冷凝器;压力控制
【作 者】钱俊明;任曙霞
【作者单位】英威达管理上海有限公司，上海 200021;帝斯曼中国有限公司，上海 201023
【正文语种】中 文
【中图分类】TB21
真空精馏是石油化工和医药化工行业中使用非常普遍的一种单元操作。真空操作可以降低塔内操作物料的泡点和露点，减少一些物料，尤其是热敏性物料在高温下发生化学反应产生杂质的机会。例如，常压下乙苯、苯乙烯的分离容易在塔釜产生重组分焦油，采用真空精馏可以减少杂质，提高苯乙烯的产品纯度。又如原油的减压精馏可以减少残油的热分解，提高瓦斯油的质量。塔釜泡点的降低也有助于选择常规的加热方式对塔釜加热。在低压下，一些物料的相对挥发度也会增加，这样会提高分离效果。
利用不同真空度下物料的沸点、相对挥发度的不同，真空精馏技术还可以应用于共沸物的分离，高效节能等。中国石化集团上海工程有限公司和天津新天进集团联合开发的50万吨苯乙烯高效节能工艺，将乙苯苯乙烯塔设计为两个串联的A，B塔，A，B塔的真空度不同，利用高真空度的B塔塔釜料对A塔的塔顶气相冷凝，大量节约了蒸汽和冷却水的使用量。双十一海报
相比常压精馏，真空精馏的缺点是投资和操作成本更大，尤其是随着真空度的增加，投资费用甚至会指数上升。通过对精馏塔塔顶真空系统的合理设计，包括真空设备的选择，冷凝器，压力控制以及配管等的设计，将有助于降低系统的投资和操作费用，并有助于真空塔的稳定操作。
真空精馏塔塔顶系统通常由真空设备、塔顶冷凝器、回流系统等组成。
she中国话1 真空设备选型
根绝ISO的定义，真空设备指的是用于产生、提高或维持真空状态的设备。真空设备的选择需考虑吸入压力、流量负荷、工艺特性、公用工程条件等。根据真空系统绝压的大小可将真空系统分为高真空(10～1 torr)，中真空(100～10 torr)和低真空(760 ～100 torr)［1]。
在确定真空设备吸入负荷时，通常需要考虑两种工况:第一种是开车工况，即在开车时真空设备有能力在要求时间内将工艺系统从常压抽到工艺要求的真空度。第二种工况是在正常操作时，真空设备能持续稳定维持工艺系统的真空度，并能满足工艺设计范围内的压力控制要求。
正常操作的吸入负荷往往要考虑以下因素:
(1)补入气的影响。在某些控制方案中，会在真空泵的入口处加入补入气，补入气可以是蒸汽或氮气等惰性气体，通常由压力控制单元控制其补入流量。
弹跳鱼(2)工艺系统内部由于化学分解产生的或在进料中溶解的不凝气体。
(3)未冷凝下来工艺蒸汽，根据冷凝温度下的饱和蒸汽压计算。
(4)空气泄漏的影响。由于真空系统无法做到完全气密，总归会有一定的空气泄漏。对于新项目设计的空气泄漏量，HEI(Heat Transfer Institute)根据不同系统体积和真空压力给出经验值估算［2]，而Ryans根据真空系统的法兰、阀门等不同设备连接件个数进行经验回归计算［3]。相比较而言，HEI的方法更为保守，Ryans方法则更接近实际情况。下表也是国
内设计中常用的泄漏量经验值估算，来自于《化工工艺设计手册》［4]。
表1 真空系统空气泄漏量估算表Table 1 Estimated Air Leakage in Vacuum System系统容积/m3 空气平均泄漏量/(kg/h)0.1 0.1～0.5 1.0 0.5～1.0 3 1～2 5 2～4 10 3～6 25 4～8 50 5～10 100 8～20 200 10～30
真空设备的种类有很多，常用的可分为真空泵和蒸汽喷射器。真空泵又分活塞式和转动式，其中应用较广的是液环泵和罗茨风机。根据不同的压力要求，往往可以将它们组合，如利用一级罗茨风机加两级液环真空泵组合或者多级的蒸汽喷射器组合，可以获得非常高的真空度。蒸汽喷射器因为没有机械转动部件，使用更稳定，但是需要消耗大量的蒸汽并产生工艺凝液。
2 塔顶的压力控制
真空精馏塔的压力稳定有助于塔操作的稳定性和单元收益。压力的波动会影响到塔的气相负荷和温度曲线。压力的变化会还改变组分的相对挥发度，影响塔的分离性能，比如压力下降有可能会导致单相进料的闪蒸，继而引发塔的液泛。
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真空精馏塔的压力控制可分为物料质量平衡法和能量平衡法［5]。质量平衡主要为控制塔内的气相存量，可通过控制气相的产生和塔顶下游设备的抽气量来实现。能量平衡法主要控制塔顶冷凝器的热回流，可通过冷凝器温度和有效换热面积来实现。一般来说，通过控制塔顶冷凝器的负荷和塔顶产品量是对塔顶的操作压力进行控制的有效方法。
图1 真空喷射器出口回流压力控制Fig.1 Pressure Control by Kickback from Ejector Discharger
图2 补充蒸汽压力控制Fig.2 Pressure Control by Supplement Steam
图3 真空喷射器驱动蒸汽压力控制Fig.3 Pressure Control by Driven Steam
图4 真空喷射器出口回流压力控制 (冷凝器前)Fig.4 Pressure Control by Kickback from Ejector Discharger(Prior to Condenr)
比较以上各种压力方案见表2。
对于真空精馏来说，由于空气泄露或者氮封等原因，在塔内总是会有不凝气存在的，这些不凝气必须要从塔顶采出，否则会在塔顶冷凝器中累积，对塔的分离非常不利。
Andrew Sloley根据Chin对精馏塔压力控制方法的分类，总结了一些有效的压力控制方案［5]。
表2 压力控制方案比较Table 2 Comparison of control scheme方案一 方案二 方案三 方案四优点 操作稳定 流程简单，控制阀和管道尺寸小，成本低不增加蒸汽耗量，相应冷凝器和凝液处理的负荷也低 操作稳定缺点 相对较大的循环管线和调节阀增加蒸汽消耗和冷凝器、凝液处理的负荷只适合非常小范围的压力调节相对较大的循环管线和调节阀，真空设备负荷大应用 应用广泛 常用于工艺控制改进和间歇操作过程用于竣工后的工艺调整。正常设计不推荐此控制过程。 应用较广泛其它多级喷射器的循环回路必须设在第一级的喷射器。相比方案四多了一个真空冷凝器，但减小了真空负荷补充蒸汽建议使用过热干蒸汽或者电伴热等，防止带入液滴引起腐蚀多级喷射器的循环回路必须设在第一级的喷射器。相比方案一真空负荷减小，增加了一个真空冷凝器
3 塔顶冷凝器及配管的设计
由于真空系统中不凝气的存在，真空冷凝器的设计可以适当放点余量。真空冷凝器的折流板通常采用纵向切割，这样便于让不凝气流向冷凝器的气相出口，防止其在换热器内部累
祝福图片带字积，有助于换热器的换热效果。far
巴旦木的营养价值真空冷凝器通常尺寸都比较大，设计要比一般换热器更难，尤其随着真空度的增加，设计难度会呈指数上升。压降是真空冷凝器设计需要考虑的重要因素，工程上一般希望从塔顶到换热器的出口的压降不要超过塔顶绝对压力的10%，包括从塔顶到换热器入口之间的管道压降、换热器入口压降、换热器内部压降、出口压降等。
减少换热器和塔之间的配管可以减少管道的阻力降。在满足工艺和应力要求的前提下塔顶到冷凝器的配管应尽量简短直接并无袋形，减少法兰、阀门等配件。这样做的另一个好处是可以减少真空泄漏。
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