淺談減壓精餾預冷凝器及其管路系統設計

張 希 浙江瑞程石化技術有限公司 岱山 316200

謝志翔 中國石化茂名石化公司煉油分部 茂名 525000

王茂盛 上海智英化工技術有限公司浙江分院 杭州 310020

真空精餾分離技術可以增大分離物料的相對揮發度，降低精餾塔對蒸汽品位的要求，廣泛應用于石油化工和精細化工行業。石油煉制常減壓裝置、石油化工環己酮裝置、己內酰胺裝置、硫銨裝置、精細化工不飽和醇分離等均需用到真空精餾技術。

為維持真空精餾塔系統的真空度，需要真空泵不停地從塔系統抽出不凝尾氣，不凝尾氣和工藝氣體混合在一起從真空精餾塔頂精餾出來，經過預冷凝器冷凝后，工藝氣體冷凝為工藝液體，而不凝尾氣則被真空泵從預冷凝器抽出經真空級間冷凝器冷凝后最終排往大氣或尾氣處理系統。因此，如果預冷凝器冷凝、分離效果差，則會有部分工藝氣體隨不凝尾氣進入真空抽吸系統，造成物料損耗，真空抽吸系統公用工程消耗增加，有機廢水增多，甚至影響正常的生產。

1 預冷凝器的設計難點及優化思路

從外觀上看，預冷凝器與普通的管殼式冷凝器一致，很多人都會誤認為其設計計算也與普通的冷凝器一致，甚至在裝置瓶頸改造時會利舊原有的普通冷凝器。但預冷凝器后需要排出較多的不凝尾氣，其結構型式及熱力學計算和普通的冷凝器都有區別[1]。

預冷凝器是整個真空系統中的重要一環，其低壓降顯得尤為重要，壓降增大，會降低冷凝效率或降低產品回收率，工程上一般要求從塔頂到預冷凝器氣相出口的壓降控制在塔頂壓力的10%～15%之間[2]。早年單套裝置生產能力低，很多工程師考慮將預冷凝器直接布置在精餾塔頂部，管程冷凝，省去塔頂到預冷凝器的管道，減少了這部分管道的壓降。目前這種方式仍適合于精細化工裝置等生產能力小的工廠，但對于規模大的石油化工裝置則不合適。

由于預冷凝器進口氣相流量大，隨著氣相掠過換熱管，氣相逐漸冷凝，氣相流量減小。有設備廠家提出，上層換熱管管間距適當增大、折流板間距由大到小布置，達到增強換熱效果、減小壓降的目的。但這些非標設計都給制造帶來很大困難，除在真空度要求特別高的場合，并由知名的真空設備廠家設計制造，應用較少。

新型的強化換熱管可以提高傳熱效率，降低預冷凝器所需要的面積。如某臺預冷凝器采用波紋管預冷凝器，與采用普通光管相比，換熱面積減小25%。既降低了換熱器設計、制造的難度，又減小了設備布置所需要的占地面積。大型裝置設計預冷凝器時，應積極應用成熟可靠的新型傳熱技術，想方設法提高傳熱效率，減小傳熱面積，降低成本。

預冷凝器設備的大型化也極容易帶來換熱器的振動問題，孫曉彤等[3]提出通過增加支撐板、調整換熱管布管角度、用折流桿替換折流板的方式可消除部分振動因素。

目前，工程上大型裝置一般采用臥式預冷凝器，低壓降和良好的傳熱及不凝尾氣分離是設計需要重點考慮的問題。從熱力學平衡來看，預冷凝器可以看做一塊理論板。要達到相平衡，氣液兩相應該充分接觸，而不是像普通冷凝器一樣氣相和液相及時分離，并且不凝尾氣最終抽出時應與換熱器底部的換熱管束接觸換熱。因為這部分換熱管束中的冷卻水溫度較低，冷凝效果更好，可以將不凝氣夾帶的大部分工藝氣體冷凝為液體。

臥式預冷凝器的殼程一般選擇E型或者J型，不凝尾氣的出口可以位于殼程頂部或者側面[4]，還可以在換熱器底部設計一個分離罐，不凝尾氣出口設置在分離罐側面，下面依次介紹這三種形式的預冷凝器。

1.1 不凝尾氣出口位于殼體頂部

這種類型的預冷凝器殼程和E型非常類似，結構見圖1。

圖1 不凝尾氣出口位于殼體頂部結構簡圖

工藝氣體從預冷凝器殼程頂部的一端進入，下部設置防沖拉桿或者擋板，上部留有較大空間不布置換熱管，以便減小入口動量，氣相橫掠過換熱管冷凝，為減小殼程壓降，管束多采用支撐板，僅在靠近氣相出口處設置3塊折流板以防止殼程氣體短路，并改善氣相流向底部換熱管換熱[4]，這樣離開預冷凝器的不凝尾氣溫度會更低，冷凝下來更多的工藝液體，減輕后面真空抽吸系統的負荷。殼程下部也預留有液相流動空間，不布置換熱管，以便冷凝液相盡快排出，防止預冷凝器液泛。

這類預冷凝器結構簡單，商用換熱器計算軟件如EDR、HTRI等均可以準確計算該類型的預冷凝器，在以往的裝置設計中應用較多，但因其只有一個不凝氣相進口，限制了該類預冷凝器在大型化裝置的應用，工程上該類型的預冷凝氣殼程一般不超過800mm。

1.2 不凝尾氣出口位于殼體側面

該類型的預冷凝器殼程與J21型非常類似，結構簡圖見圖2。

圖2 不凝尾氣出口位于殼體側面結構簡圖

由于工藝氣體有2個進口，存在進料偏流的危險，在以前的設計中，韓鳳梅[5]并不推薦該類型的預冷凝器。但隨著裝置規模成倍放大，預冷凝器設計難度增大，迫使工程設計時克服偏流的困難，選擇該結構類型。工藝氣體從預冷凝器殼程頂部的兩端進入，下部一般設置防沖拉桿或者帶分布器的擋板。在殼程靠近氣相出口側需設置一塊縱向隔板，隔板與氣相管口之間不布置換熱管，氣相夾帶的液相在此空間分離?？v向隔板與殼程間的間隙需用密封條密封，以免氣相短路?？v向隔板的設計需特別謹慎，隔板下端離管束下端留有一定間距，間距太小，精餾塔高負荷時，冷凝液可能沒過縱向隔板底端，不凝尾氣無法排出，精餾塔失去真空；間距太大，會有大量氣相來不及與底部管束接觸冷凝就從氣相管口逸出，給下游真空抽吸系統帶來麻煩。目前的商用換熱器計算軟件不能準確模擬計算該結構形式的預冷凝器，但可以參考其熱力學計算結果，由有經驗的工程師適當調整，得出該類型的預冷凝器設備規格和結構形式?？v向隔板的設置也可以靈活多變，既可以是傾斜的，也可以是水平垂直的，管程可以是2管程，也可以是4管程，總之要給不凝尾氣隔出一個氣液分離的空間。

1.3 不凝尾氣出口位于預冷凝器底部氣液分離罐側面

該類型與1.2節的預冷凝器結構非常類似，結構見圖3。

圖3 不凝尾氣出口位于預冷凝器底部氣液分離罐側面

該類型的預冷凝器省去了縱向隔板復雜設計和制造帶來的困難，在殼程底部設計一個氣液分離罐，氣體從側面抽出，非常適合不凝尾氣含量小的場合，但要考慮氣相的夾帶問題。除氣液分離罐外，商用換熱器計算軟件能計算該類型的預冷凝器。

2 管路系統設計

典型的預冷凝器流程見圖4。

J21型預冷凝器的氣相進口管道配管需對稱布管，管道異徑時，最好逐級異徑，不要一步到位，以減小管徑突然縮小的管道壓降；對于一臺塔對應多臺J21型預冷凝器的情況，還需進行管網系統水力學分析計算，以保證各預冷凝器氣相管道壓降基本相同，流量分配均勻。

圖4 典型的預冷凝器流程簡圖

預冷凝器與回流罐一般錯層布置，盡量上下對正布置，以減小冷凝液管道的壓力降。冷凝液管道流速不宜超過0.3m/s，宜垂直布置，且垂直管道長度不得小于1.5m，這樣可以給液相夾帶的氣體相提供分離空間[6]。改變水平方向時，管道不得水平布置，應斜向下布置，與水平方向的夾角不得小于45°，防止產生氣阻，導致預冷凝器液泛。

對于介質溫度高，需要應力計算的真空管道[7]，既要考慮管道的柔性設計，又要滿足工藝上管道短、彎頭少、壓降低的要求。由于塔頂真空管道特別大，在設備布置時就應該考慮管道的走向。

3 結語

近年來，石化裝置規模成倍數增大，給預冷凝器及其管路系統的正確設計帶來挑戰。工程師在設計時應根據真空度要求、裝置能力選擇合適型式的預冷凝器，設備布置時各專業要相互溝通，及時調整，以免后期管道布置困難，影響精餾系統真空度。

預冷凝器與普通冷凝器從外觀上看雖然基本一致，但結構上有較大差異，從事化工設計、生產的工程師對此應有正確的認識。預冷凝器設備是真空系統中的重要組成環節，鑒于工程中真空泵一般由真空廠家提供，預冷凝器一般由技術方、換熱設備廠家提供，管道系統設計由設計院設計，三方應加強溝通，必要時業主應組織三方一起參與真空系統審查。

新型強化傳熱技術發展迅速，化工工程師應努力學習并認真甄別，積極推廣應用成熟可靠的新技術，提升設計水平，提高傳熱效率，減小設備尺寸，更好地解決預冷凝器及其管路系統的設計問題。