專利名稱：避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法
技術領域：
本發明涉及一種避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法，屬于煉油技術領域。
背景技術：
當精餾塔塔釜溫度較高、且蒸汽溫位過低而不能用做重沸器熱源時，煉油廠往往采用導熱油、高溫工藝液體等作為重沸器加熱介質，且該加熱介質一般兼有回收熱量和節省投資的優點。這些加熱介質一般不發生相變，重沸器傳熱速率由改變加熱介質的流量來調節。當增加加熱介質的流量時，重沸器的傳熱系數和傳熱溫差增大，傳熱速率隨之增加，反之亦然。顯熱加熱重沸器的使用已被廣泛應用于石油化工裝置中。但是，如果傳熱處在過渡沸騰區(也稱為不穩定膜狀沸騰區)中，傳熱速率不再隨管、殼程溫差At(重沸側換熱管壁面溫度與操作壓力下重沸介質液體的飽和溫度之差)的增加而增加，而是隨At增加而下降，這將使精餾操作不穩定。重沸器在不穩定的過渡沸騰區傳熱，氣層和液層交替地覆蓋換熱管外表面，會使重沸器表面溫度發生波動，傳熱速率下降。例如，精餾塔塔釜溫度過低時，進入重沸器的加熱介質流量增大，At相應增加，但傳熱速率不升反降，造成塔釜溫度進一步下降。影響過渡沸騰的一些因素為:(I)表面條件(核化點密度)；(2)溫差(重沸側換熱管壁面溫度與操作壓力下重沸介質液體的飽和溫度之差)；(3)液體的熱物性；(4)換熱表而的熱物性；(5)在任何給定位置的液體與管壁之間的接觸頻率。

發明內容
本發明的目的在于提供一種避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法，其可使重沸側換熱管壁面溫度與操作壓力下重沸介質液體的飽和溫度之差小于臨界溫差，確保精餾塔釜溫控制的穩定和產品質量的合格。
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重沸器加熱介質側的基本傳熱方程(顯熱)如公式I所示:q = KXAXMTD = WXCpX (T1-T0)(I)式中:q-重沸器傳熱速率，W ； K-重沸器總傳熱系數，ff/m2.°C ；A-重沸器傳熱面積，m2 ； MTD-重沸器對數平均溫差，V ；W-重沸器加熱介質流量，kg/s ；Cp-重沸器加熱介質平均比熱，J/kg.°C ；T1-加熱介質進重沸器溫度，°C ;T。-加熱介質出重沸器溫度，°C。一般來說，當重沸器傳熱處于泡核沸騰區時，工藝介質沸騰側的膜傳熱系數h。遠大于加熱介質側(顯熱側)的膜傳熱系數比，故比的大小對K值的大小起到關鍵的作用。此時，公式(I)中，傳熱速率q隨重沸器加熱介質流量W的增減而呈近似線性增減，這是由于匕隨加熱介質流速的增減而呈近似線性增減、而Iii對K值起主導作用的緣故。因此，當精餾塔釜溫小于給定值時，只要將設在加熱介質主管線上的調節閥開大，加熱介質的流量W隨之增大，加熱介質重沸器出口溫度T。、重沸器對數平均溫差MTD及傳熱系數K也將增大，總的結果重沸器傳熱速率q增大，使精餾塔釜溫度逐漸上升直至達到給定值為止；反之亦然。當加熱介質進重沸器溫度高至某一數值時，換熱管壁面上的汽化核心增多，氣泡在脫離換熱管壁面之前便相互連接，形成氣膜，把換熱管壁面與液體隔開。由于形成的氣膜很不穩定，隨時可能破裂變為大氣泡離開加熱面，又因氣體熱導率遠小于液體，故傳熱系數K值不穩定且反而大幅度下降，使傳熱在過渡沸騰(不穩定膜狀沸騰)內進行。從核狀沸騰變為過渡沸騰的轉折點稱為臨界點。臨界點所對應的傳熱速率和溫差分別稱為臨界傳熱速率q。和臨界溫差Λ t。。當重沸器傳熱處于過渡沸騰區時，h。和hi都對K值或僅h。對K值起到關鍵的作用，當精餾塔釜溫小于給定值時，隨著加熱介質的流量W增大，h。及K值均下降，造成傳熱速率q本應增大卻反而減少，導致塔釜溫度控制的失敗。為避免上述現象發生，本發明采用的技術方案是:采用“加熱介質部分循環部分補充”的溫度控制方法，將重沸器出口的溫度較低的加熱介質與自系統(界區)來的溫度較高的加熱介質按一定比例混合，使進重沸器的加熱介質溫度適度降低，以達到重沸側換熱管壁面溫度與操作壓力下重沸介質液體的飽和溫度之差Λ t小于臨界溫差Λ t。的目的。在加熱介質主管線上設置流量調節閥，在旁路線上設置壓差調節閥，由兩調節閥共同控制重沸器傳熱速率來調節精餾塔塔釜溫度。本發明能使精餾塔在穩定的狀態下操作，其主要優點如下:(I)可操作性能強溫度較低的加熱介質自重沸器出口進入緩沖罐，再由泵升壓后與界區來的高溫加熱介質混合，再由精餾 塔塔釜溫度與進重沸器的加熱介質的溫度串級控制自界區來的加熱介質流量，操作簡單、實用性能強。(2)控制性能好精餾塔塔釜溫度通過加熱介質主管線上的流量調節閥和旁路線上的壓差調節閥共同控制重沸器傳熱速率的方式來調節，調節更加靈敏、控制性能良好。(3)廣品質量提聞當重沸器處于過渡沸騰區操作時，精餾塔釜溫無法得到有效控制，操作人員只能通過控制室內的DCS顯示屏觀察釜溫變化情況進行手動控制。相應地，產品質量得不到保障，經濟效益也受到影響；采用本發明提出的控制方法后，可自動控制精餾塔塔釜溫度，減少操作人員的勞動量。(4)進、出界區的加熱介質流量可降低由于部分加熱介質循環操作，可使進、出重沸器的加熱介質溫度均有所下降，其結果是進、出界區的加熱介質流量降低，節省能量。


圖1是避免重沸器在不穩定過渡沸騰區操控方法的流程示意圖。圖2是重沸器傳熱曲線。
具體實施例方式先結合附圖2對重沸器的傳熱過程進行說明。附圖2中各個區域的特性分析如下:AB區為自然對流區。管子表面的液體沒有過熱到足以產生泡核，因此沒有汽泡產生，這時熱量靠自然對流傳遞。BC區為初始沸騰區。隨著沸騰溫差A t的升高，開始有汽泡產生，并通過液體而上升。在C點附近汽泡在上升的過程中逐漸消失，此時的熱量傳遞是自然對流和泡核沸騰的
彡口口 ⑶區為泡核沸騰區。傳熱速率隨At上升而上升，這是由于氣泡的產生和脫離對加熱面附近液體的擾動越來越劇烈的緣故。在此區中，傳熱穩定，傳熱系數大。DE區為過渡沸騰區，也稱為不穩定膜狀沸騰區。在此區中，傳熱速率不再隨At增加而增加，而是隨著At的增加，氣層和液層交替地覆蓋換熱管外表面，致使表面溫度發生波動，傳熱速率下降、操作高度不穩定。因此在設計中，應盡量避開此區。EF區為膜狀沸騰區。加熱表面上形成一層穩定的氣膜，把液體和加熱表面完全隔開。但此時壁溫較高，輻射傳熱的作用變得更加重要，故傳熱速率再度隨At的增加而增力口。但溫度過高會使壁面損壞。沒有特殊要求，一般不將重沸器設計在膜狀沸騰區。結合附圖1說明本發明的具體實施方法:I)根據精餾塔I的操作條件，即加熱介質的流量、溫度、壓力、重沸器的規格等基本數據求出At、Atc:·A t可采用基本的傳熱方程或換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出；A t。可查相關圖表或采用換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出；如果計算的At彡At。，則進行第2)步。2)根據實際的重沸器2的操作情況，按W1為原值的0.8 1.0倍、W2為原W1值的
0.1 0.3倍，給出初估的W1和W2值。根據公式(I)及以下公式(2)和(3)計算重沸器進、出口的加熱介質進、出重沸器2的溫度值。W^ff2 = W(2)W1XCplX (Ts-Ti) = W2XCp2X (T1-T0) (3)公式中:W1-自界區來的加熱介質流量，kg/s ；W2-自重沸器2來的加熱介質循環量，kg/s ；Cp「在溫度Ti至Tk范圍內加熱介質平均比熱，J/kg.°C ；Cp2-在溫度T。至Ti范圍內加熱介質平均比熱，J/kg.°C ；Ts-加熱介質自界區來的溫度，°C。3)再次采用基本的傳熱方程或換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出新的At值，如果該值小于At。，則步驟2)初估的W1和W2等參數合適；否則重新假定W1和W2等值，返回步驟2)。4)按正常流量為W1、正常壓差值為0.06MPa選用溫差調節閥3 ；按正常流量為W2、正常壓差值為0.06MPa選用液位調節閥10 ；
按正常流量為W2、正常壓差值為0.06MPa選用流量調節閥7 ；壓差調節閥4正常壓差值按0.1OMPa設計，正常流量應根據系統加熱介質總量、能量消耗、調節靈敏性等實際情況綜合考慮，一般按W值的(0.3 1.0)倍進行設計。如所加熱的重沸器2并非加熱介質的唯一供熱點，且在加熱介質總進口 5和總出口 6的旁路線上已設置調節閥，本發明所設的壓差調節閥4可取消，否則，不能取消。5)緩沖罐9容積按正常流量為W2、停留時間10分鐘、正常液位50%設計。6)升壓泵8的壓差(揚程)按((加熱介質在重沸器2入口處的壓力-緩沖罐底部壓力)+管路系統摩擦壓降+流量調節閥正常壓差)的1.1倍確定；升壓泵8的正常流量按W2、額定流量按1.25倍的W2確定。7)然后，采用精餾塔I塔釜溫度調節器11與重沸器加熱介質入口溫度調節器12對來自界區的加熱介質 流量進行串級控制。其中塔釜溫度調節器11是主調節器，重沸器加熱介質入口溫度調節器12是副調節器。主調節器能夠根據對象操作條件和負荷的變化情況不斷糾正副調節器的給定值，以適應操作條件和負荷的變化。精餾塔塔釜溫度控制器11的輸出作為重沸器加熱介質入口溫度控制器12的給定值，亦即重沸器加熱介質入口溫度控制器12的給定值由塔釜溫度控制的需要來決定它應該‘變”或‘不變”，以及變化的‘大”或‘小”。通過該串級控制系統，在塔釜溫度平穩時重沸器加熱介質入口溫度和自界區來的加熱介質流量均保持不變，而當溫度在外來干擾作用下偏離給定值時，則要求重沸器加熱介質入口溫度和自界區來的加熱介質流量作相應的變化，使能量的需要和供給之間得到平衡，將塔釜溫度穩定在給定值上，以保證精餾塔的分離質量，提聞廣品質量。8)在加熱介質主管線上設置流量調節閥7，在旁路管線上設置壓差調節閥4，由兩調節閥共來同控制精餾塔塔釜溫度。當精餾塔I塔釜溫度高于設定值時，減小流量調節閥7開度，使進入重沸器2中的加熱介質的流量減少，重沸器的傳熱量隨之下降，使溫度逐漸下降直至達到設定值。與之同時，隨著流量調節閥7開度減小，其壓差增大，當旁路調節閥兩側的測壓儀表測出壓降值大于設定值時，增大旁路壓差調節閥4開度，使流經旁路的加熱介質流量增大。反之，當塔釜溫度低于設定值時，增大主路流量調節閥7開度，降低旁路壓差調節閥4開度。實施例1和比較例I某氣體分餾裝置的丙烷-丙烯分餾塔底重沸器型號為BJS500-2.5-55-6.0/25-4(標準換熱器)，管束排列形式為正方形轉45°，折流板形式為單弓板、中心間距為350mm、切口方位為豎直。作為重沸介質的丙烷、丙烯混合物在重沸器的殼程側，其操作壓力為2.0MPaG、臨界壓力為3.59MPaG、入、出口溫度分別為59.(TC和59.1°C,質量氣化分率為0.25，傳熱負荷為3600kW。重沸器的管程側的加熱介質為某催化汽油加氫脫硫裝置的一股汽油組分，操作壓力為1.1MPaG、流量為97.6t/h，進料溫度為166°C。實施例1按本發明流程(圖1)操作，比較例I按由塔釜溫度控制加熱介質流量的常規控制流程操作，兩種流程主要操作參數及經濟效益對比如表I所示。表I兩種流程主要操作參數及經濟效益對比
權利要求
1.一種避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法，其特征在于: 本發明的具體方法步驟如下: 1)根據精餾塔I的操作條件，即加熱介質的流量、溫度、壓力、重沸器的規格等基本數據求出At、Atc: A t可采用基本的傳熱方程或換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出； A tc可查相關圖表或采用換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出； 基本傳熱方程(顯熱)如公式I所示: q = KXAXMTD = WXCpX (T1-T0) (I) 式中: q-重沸器傳熱速率，W ; K-重沸器總傳熱系數，Wm2.V ； A-重沸器傳熱面積，m2; MTD-重沸器對數平均溫差，°C; W-重沸器加熱介質流量，kg/s ；CP-重沸器加熱介質平均比熱，J/kg.°C ； T1-加熱介質進重沸器溫度，°C ;T。-加熱介質出重沸器溫度，°C。
如果計算的At彡At。，則進行第2)步； 2)根據實際的重沸器(2)的操作情況，按W1為原值的0.8 1.0倍、W2為原W1值的`0.1 0.3倍，給出初估的W1和W2值；`` 根據以下公式(2)、(3)計算重沸器進、出口的加熱介質進、出重沸器(2)的溫度值: W^ff2 = W(2) W1XCplX (Ts-Ti) =W2XCp2X (T1-T0) (3) 式中: W1-自界區來的加熱介質流量，kg/s ； W2-自重沸器2來的加熱介質循環量，kg/s ； Cpl-在溫度Ti至Tk范圍內加熱介質平均比熱，J/kg.°C ； Cp2-在溫度T。至Ti范圍內加熱介質平均比熱，J/kg.V ； Ts-加熱介質自界區來的溫度，C ； 3)再次采用基本的傳熱方程或換熱器專用模擬軟件如HTRI計算出新的At值，如果該值小于A t。，則步驟2)初估的W1和W2等參數合適；否則重新假定W1和W2等值，返回步驟2)； 4)按正常流量為W1、正常壓差值為0.06MPa選用溫差調節閥(3)； 按正常流量為W2、正常壓差值為0.06MPa選用液位調節閥(10)； 按正常流量為W2、正常壓差值為0.06MPa選用流量調節閥(7)； 壓差調節閥(4)正常壓差值按0.1OMPa設計，正常流量應根據系統加熱介質總量、能量消耗、調節靈敏性等實際情況綜合考慮，按W值的(0.3 1.0)倍進行設計； 5)緩沖罐(9)容積按正常流量為W2、停留時間10分鐘、正常液位50%設計； 6)升壓泵⑶的壓差(揚程)按((加熱介質在重沸器⑵入口處的壓力-緩沖罐(9)底部壓力)+管路系統摩擦壓降+流量調節閥(7)正常壓差)的1.1倍確定； 升壓泵(8)的正常流量按W2、額定流量按1.25倍的W2確定； 7)然后，采用精餾塔塔釜溫度調節器(11)與重沸器加熱介質入口溫度調節器(12)對來自界區的加熱介質流量進行串級控制；其中塔釜溫度調節器(11)是主調節器，重沸器加熱介質入口溫度調節器(12)是副調節器； 8)在加熱介質主管線上設置流量調節閥(7)，在旁路管線上設置壓差調節閥(4)，由兩調節閥共來同控制精餾塔塔釜溫度。
2.如權利要求1避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法中4)所述的壓差調節閥(4)，其特征在于: 如所加熱的重沸器(2)并非加熱介質的唯一供熱點，且在加熱介質總進口(5)和總出口(6)的旁路線上已設置調節閥，本發明所設的壓差調節閥(4)可取消，否則，不能取消。
3.如權利要求1避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法中7)所述的塔釜溫度調節器(11)與重沸器加熱介質入口溫度調節器(12)，其特征在于: 塔釜溫度控制器(11)的輸出作為重沸器加熱介質入口溫度控制器(12)的給定值，亦即重沸器加熱介質入口溫度控制器(12)的給定值由塔釜溫度控制的需要來決定它應該‘變”或‘不變”，以及變化的‘大”或‘小”;通過該串級控制系統，在塔釜溫度平穩時重沸器加熱介質入口溫度和自界區來的加熱介質流量均保持不變，而當溫度在外來干擾作用下偏離給定值時，則要求重沸器加熱介質入口溫度和自界區來的加熱介質流量作相應的變化，使能量的需要和供給之間得到平衡，將塔釜溫度穩定在給定值上。
4.如權利要求1避免重沸 器在不穩定過渡沸騰區的操控方法8)中所述的流量調節閥(7)和壓差調節閥(4)的設置，其特征在于: 當精餾塔(I)塔釜溫度高于設定值時，減小流量調節閥(7)開度，使進入重沸器(2)中的加熱介質的流量減少，重沸器(2)的傳熱量隨之下降，使溫度逐漸下降直至達到設定值；與之同時，隨著流量調節閥(7)開度減小，其壓差增大，當旁路調節閥兩側的測壓儀表測出壓降值大于設定值時，增大旁路壓差調節閥(4)開度，使流經旁路的加熱介質流量增大；反之，當塔釜溫度低于設定值時，增大主路流量調節閥(7)開度，降低旁路壓差調節閥(4)開度。
全文摘要
本發明公開了一種避免重沸器在不穩定過渡沸騰區的操控方法，是為穩定控制精餾塔塔釜溫度和確保產品質量合格的目的而設計的，其采用“加熱介質部分循環部分補充”的溫度控制及設置旁路壓差調節閥的方法，使重沸側換熱管壁面溫度與操作壓力下重沸介質液體的飽和溫度之差Δt小于臨界溫差Δtc，從而能確保精餾塔釜溫控、精餾操作及傳熱速率的穩定。發明方法可操作性能強、調節靈敏、控制性能好、可使產品質量提高以及節省能量。
文檔編號B01D3/42GK103239876SQ20121002663
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月7日 優先權日2012年2月7日
發明者劉成軍, 李勝山, 田慧, 李愛凌, 王書旭, 溫世昌, 高青, 張靖 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 中國石油天然氣華東勘察設計研究院