减压精馏预冷凝器及其管路系统设计分析

减压精馏预冷凝器及其管路系统设计分析

谢鑫国

南京金凌石化工程设计有限公司广州分公司 广东广州 510000

[摘要]相比较于普通管壳冷凝器而言，预冷凝器在外观上与之并不差别。但是，在热力学上的具体计算及结构型式层面，预冷凝器则不同于普通管壳冷凝器。为更好地落实减压精馏预冷凝器与管路系统相关设计工作，此次主要以减压精馏预冷凝器与管路系统总体设计为课题进行深入探讨，仅供参考。

[关键词]预冷凝器；减压精馏；管路系统；合理设计；

前言：

因预冷凝器的进口气相呈较大流量，伴随气相逐渐经过换热管，致使气相被冷凝，降低气相流量。部分厂家增加上层位置换热管的间距，并由大至小布设折流板的间距，促使换热效果能够得到增加，且将压降减小。但非标设计增加后期制造难度系数，仅适用于有着极高真空度层面要求工厂，应用范围严重受限。故针对减压精馏预冷凝器与管路系统合理化的设计开展综合分析较为必要。

1、关于预冷凝器的概述

预冷凝器，它属于真空系统当中核心设备，压降提高，冷凝效率及产品总体回收率则无法保证。工程当中通常要求塔顶部至预冷凝器的气相出口位置压降，应当把控至塔顶部压力10%~15%范围。以往单套设备呈极大生产力，部分设计者考虑直接把预冷凝器设于精馏塔的顶部位置，管程冷凝，将塔顶部至预冷凝器之间管道省略掉，促使该部分管道压降减少。此方式仅适宜精细化工系统装置等较小生产力的一些工厂使用，并不适宜应用至较大规模石化装置当中[1]。

2、减压精馏预冷凝器和管路系统合理设计

2.1在减压精馏预冷凝器层面

新型强化的换热管，其能够将传热效率提升，确保预冷凝器实际所需面积缩小。如可选用波纹管材质的预冷凝器，相比较于普通光管，换热面积基本可减小25%，换热器总体设计及其制造难度不但得以降低，且设备布置总体占地面积得以缩小。大型装置当中实施预冷凝器具体设计期间，应当注重新型可靠及成熟度较高的一些传热技术有效应用，尽可能地将其传热效率有效提升，并确保传热面积能够逐渐缩小，将总体成本降低。通过增设支撑板、对换热管总体布管角度予以合理调整、以折流杆代替折流板等各项设计措施，能够将会引发振动问题的各项因素尽量有效消除掉。大型装置现阶段多实行卧式的冷凝器，设计期间所着重考虑问题便是低压降、分离不凝尾气及传热等。由于换热管束当中冷却水呈较低温度，呈良好冷凝效果，能够把不凝气所夹带一些工艺气体逐渐冷凝成液体。卧式的冷凝器，它壳程通常选定J型或是E型，而壳程侧面或是顶部位置设不凝尾气相应出口。换热器的底部位置设分离罐，分离罐的侧面设不凝尾气相应出口。那么，针对于减压精馏预冷凝器详细设计如下：

2.1.1在壳体侧面设不凝尾气相应出口层面

在壳体侧面设不凝尾气相应出口层面上，针对此类预冷凝器的壳程类似于J21，工艺气体设进口有2个，潜在进料偏流隐患问题，以往设计实践中较少使用此类预冷凝器在在。但伴随装置规模不断扩大，预冷凝器实际设计难度倍增，工程设计当中便需注重如何克服偏流隐患问题，便于更好地使用此类预冷凝器。工艺气体自预冷凝器的壳程顶部两侧位置进入，在下方设带分布装置挡板或是防冲拉杆。壳程临近气相出口一侧位置设纵向隔板，且隔板和气相管口中间位置不设换热管，该空间当中分离气相所夹带液相。纵向隔板和壳程间隙，选用密封条予以密封处理好，防止气相短路现象发生[2]。谨慎设计纵向隔板，在隔板下方和管束下方位置预留好一定间距。若呈过小间距，精馏塔呈较高负荷情况下，可能冷凝液未从纵向隔板的底部流过，无法排出不凝尾气，精馏塔真空丧失；而若呈过大间距，大量气相无法及时接触底部管束，冷凝无法自气相管控位置逸出，对下方的真空抽吸整个系统运行产生阻碍。商用类型换热器所用计算软件，则无法精准地对预冷凝器实施精准地模拟及计算分析。但能够以热力学相应计算结果为参考，安排经验丰富的工程师予以调整处理，获取该预冷凝器的设备规格及其结构形式等。针对纵向隔板，可水平垂直或倾斜设置，且可设4或2管程，为不凝尾气适当预留分离气液所需空间。

2.1.2在壳体顶部设不凝尾气相应出口层面

在壳体顶部设不凝尾气相应出口层面，针对此类型预冷凝器的壳程类似于E型，工艺气体自预冷凝器在在的壳程顶部位置进入，在下方设挡板或是防冲拉杆，且预留空间，不设换热管，促使入口动量减少，气相横向经过换热管实现冷凝，为确保壳程压降减小，管束实行支撑板，临近气相出口位置设折流板，避免壳程气体发生短路现象，对气相流向于底部位置换热管总体换热起到一定改善作用，不凝尾气离开了预冷凝器情况下，呈更低温度，冷凝下工艺液体增多，真空抽吸整个系统负荷得以降低。壳体下方位置把液相的流动空间预留出来，不设换热管，便于尽快排出冷凝液相。此类预冷凝器总体结构相对简单，针对商用类型换热器现阶段通常选用如HTRI及EDR为计算软件实施相应计算工作，多应用于以往装置设计工作当中，但由于仅设不凝气相一个进口，对此预冷凝器应用于大型装置当中会产生限制。

2.1.3在气液的分离罐侧面设不凝尾气相应出口层面

对气液的分离罐侧面设不凝尾气相应出口，此预冷凝器基本上将纵向隔板极具复杂性设计及制造步骤省略，壳程底部位置设气液有效分离罐，确保从侧面位置顺利抽出气体，适宜不凝尾气较小含量需求下应用，但要求设计者充分考虑到气相夹带层面问题。针对商用类型换热器所用计算软件，其能够实现对此类预冷凝器相关参数精准计算。

2.2在管路系统层面

针对J21类型的预冷凝器，对其气相进口位置管道实施配管期间，设计者应注意呈对称性布管，若管道异径，则应当确保逐级异径，确保管径骤然缩小情况下，管道压降得以减少。一台塔应配置J21类型多台的预冷凝器，且需计算分析管网系统实际水力学，确保预冷凝器当中气相管道为同等压降，且可均匀分配流量。预冷凝器和回流罐应呈错层布设好，且应呈上下对称状，确保冷凝液整个管道压降得以减少。冷凝液的管道实际流速以＜0.3m/s为宜，且需呈垂直布设好，垂直管道总体长度应＞1.5m，确保液相所夹带气体相能够更好地分离。水平方向改变情况下，管道不可呈水平布设，需呈斜下方布设，要求和水平方向位置夹角＞45°，以免气阻产生[3]。此外，针对较高介质温度情况下，应注重对管道实施柔性设计，确保可满足于少弯头及低压降层面工艺要求。塔顶部位置真空管道倘若相对较大，则设备布设期间务必要充分考虑到管道走向问题，予以合理布设及调整，达到管道系统良好设计目的。

3、结语

综上所述，为确保减压精馏预冷凝器与管路系统总体设计工作能够高效完成，则要求设计者充分考虑到低压降、分离不凝尾气及传热等层面问题，结合实际需求情况，合理选定如壳体侧面设不凝尾气相应出口、壳体顶部设不凝尾气相应出口、气液的分离罐侧面设不凝尾气相应出口等这几种不同预冷凝器设计方案，且在设计管路系统期间应当注意呈对称性布管，针对较高介质温度情况下，还需应注重对管道实施柔性设计，如此达到减压精馏预冷凝器与管路系统总体设计良好效果。

参考文献：

[1]李君,刘猛,郭慧,等.一种尾气冷凝器串联化冻装置与氯乙烯精馏回收系统,CN211084598U[P].2020，15（014）：333-334.

[2]方文杰,梁杰存,庄子宝,等.基于响应谱分析的管路系统振动优化设计[J].噪声与振动控制,2022，042(003)：127-128.

[3]毛庭璧.减压蒸馏系统中冷凝器设计的注意点[J].化学工程与装备,2018,35(002):292-293.