Tower Top Temperature There is a widespread belief among operating personnel that many process design engineers are not quite sure as to how process equipment reacts in the field. The subject of optimum vacuum unit tower top pressure is a case in point. The principle of vacuum unit operation is to minimize pressure. The lower the vapor load to the ejector overhead system, the more vacuum the jets can draw and hence the lower the tower pressure. It follows, then, that one should design for a minimum tower top temperature to reduce the pounds of light hydrocarbon vapors that flash overhead from the vacuum tower into the ejector system. Until recently, I never questioned that maximum vacuum is obtained by a minimum tower top temperature. However, on a visit to a vacuum unit last year, I noted that the operators were controlling the tower top temperature at 320F. I insisted that they reduce tower top temperature. They complied by reducing the light-vacuum gas-oil pumparound return temperature, and the tower top temperature fell to 190°F. Much to my dismay, the vacuum tower pressure rose from 90 mm Hg to 120 mm Hg! This was terribly embarrassing to me personally and, more important, appeared to contradict my beliefs in basic chemical engineering principles. However, after several days of experimentation on this unit and another vacuum tower, I came to the following conclusions: · On vacuum tower where there is no precondenser ahead of the first-stage jet, minimum tower top temperature always results in the best vacuum. · On vacuum units which have a precondenser ahead of the first-stage jet, the optimum tower top temperature is between 250F and 350F. · On dry vacuum units, which have no precondenser, it is necessary to raise the tower top temperature to obtain the best vacuum whenever the steam to the first-stage jet is shut off. The reason for this odd behavior is that the increased light hydrocarbons that escape from the top of a vacuum unit as the temperature increases change the equilibrium flash in the precondenser. The light hydrocarbons absorb gas and therefore decrease the vapor load to the first-stage jets. The optimum tower top temperature is not reached until the outlet temperature of the precondenser starts increasing due to higher heat duty. Температура верха колонны Среди эксплуатационного персонала широко распространено мнение, что многие инженеры -технологи, выполняющие проекты, не совсем уверены, как будет вести себя оборудование на практике. Вопрос об оптимальном давлении на верху вакуумной колонны как раз и является таким примером. Основное назначение работы вакуумной установки – снизить давление до минимума. Чем ниже расход пара на систему верхней разводки эжектора, тем больший вакуум он создаёт, и таким образом, тем ниже давление в колонне. Отсюда вытекает, что следует проектировать колонну с минимальной температурой верха для уменьшения расхода паров лёгких углеводородов, которые испаряются через верхнюю разводку вакуумной колонны в систему эжектора. До недавнего времени я никогда не подвергал сомнению тот факт, что максимальный вакуум получается за счёт минимальной температуры верха. Однако после посещения вакуумной установки в прошлом году, я отметил, что операторы вели режим при температуре верха 160˚С (320 F). Я настаивал, чтобы они понизили температуру верха. Они подчинились, уменьшив температуру возврата лёгкой фракции циркуляционных газа-нефти, и температура верха колонны упала до 88 ̊С (190°F). Меня сильно встревожило, что давление вакуумной колонны поднялось с 90 мм. рт.ст до 120 мм. рт.ст! Это случилось к моему стыду, и, что ещё более важно, кажется, вопреки моей вере в основные принципы химической технологии. Однако, после нескольких дней экспериментирования на этой установке и на другой вакуумной колонне, я пришёл к следующим выводам : · На вакуумной колонне, где нет охладителя перед эжектором первой ступени, минимальная температура верха колонны всегда даёт самый лучший вакуум. · На вакуумных установках, где имеется охладитель перед эжектором первой ступени, оптимальная температура верха колонны находится между 121-177̊С (250F - 350F). · На сухих вакуумных установках, где нет охладителя, необходимо поднять температуру верха, чтобы достичь наилучшего вакуума, когда подача пара на первую ступень перекрыта. Причиной такого странного поведения является то, что увеличившийся поток лёгких углеводородов, выходящих с верха вакуумной установки, при повышении температуры меняет равновесие паров охладителя. Лёгкие углеводороды абсорбируют газ и, следовательно, уменьшают паровую нагрузку к эжектору первой ступени. Оптимальная температура верха колонны не достигается до тех пор, пока температура на выходе из охладителя не станет повышаться из-за высокой тепловой нагрузки. Wet Versus Dry Towers At the conception of any vacuum tower design, the process engineer must decide if the tower will be a wet or dry tower. A wet tower will inject velocity steam into the vacuum heater tube passing the flash section. The velocity steam will enhance vaporization in the heater tubes, while the stripping steam (if 0.2 pounds of steam per gallon of bottoms is used) will vaporize 12-18 % of the flash-zone liquid across the bottom stripping trays. A wet vacuum tower must always have a precondenser on the vacuum tower overhead system. A precondenser is required to condensate the velocity stripping steam from the tail gas ahead of the first-stage ejector. A dry vacuum tower will not use any steam. It will not have a bottom steam stripping section, nor will velocity steam be used in the heater coils (of course, steam must still be connected to each heater coil for use in steaming out the tubes during an emergency). Surprisingly, a dry vacuum tower can obtain the same degree of vaporization as a wet tower. The reason for this apparent anomaly is that a dry tower typically operates with a flash-zone pressure of 30 mm Hg, whereas the corresponding value for a wet tower is 90 mm Hg. The wet vacuum tower achieves a high degree of vaporization as the hydrocarbon partial pressure is lowered. The dry tower runs at a low absolute pressure. Why, then, don’t we combine stripping steam with the low pressures obtainable in dry vacuum towers and hence design a super vaporizer vacuum unit? The answer is that a low flash-zone pressure cannot, in practice, be obtained in a wet vacuum unit. Remember that a wet vacuum unit must have a precondenser running at a minimum outlet temperature of 110F. At this temperature, the vapor pressure of water is 65 mm Hg. Neglecting the other factors that contribute to the vacuum tower top pressure (i.e., hydrocarbon partial pressure and pressure drop through the precondenser), the minimum tower top pressure is then 65 mm Hg. In practice, this means that the minimum flash-zone pressure is 90 mm Hg. If the mole percent steam in the flash zone is 60-70%, the hydrocarbon partial pressure in the flash zone will be about 30 mm Hg. HCpp = Pt (1.00 - Ms) Where: HCpp = hydrocarbon partial pressure, mm Hg. Pt = total pressure, mm Hg. Ms = mole fraction steam in flash zone. Based on one rather detailed study, I have drawn the following conclusions as to the selection of dry versus wet vacuum tower: · Approximately the same degree of vaporization can be obtained in either tower · The diameter of the dry tower will be about the same as the wet tower. The larger volume of vapor generated in the low-pressure dry tower will be balanced by the extra moles of steam in the wet tower. · The steam consumption in the dry tower will actually be slightly higher than in the wet tower. This seeming contradiction is due to the very large steam demand for the first-stage jets in the dry tower. Considering all factors, a dry tower is somewhat more cost effective than a wet tower. From a practical operating point of view, the dry tower is also preferred because there is no possibility of getting slugs of water into the tower with the bottoms stripping steam. I have frequently seen in the bottom trays in a wet vacuum tower dislodged by wet stripping steam. Влажные колонны в сравнении с сухимиПри рассмотрении какого-либо проекта вакуумной колонны, инженер-технолог должен решить, будет ли колонна сухой или влажной. Во влажной колонне пар со скоростью будет вводиться в трубы вакуумного нагревателя и проходить через испарительную секцию. Пар, движущийся со скоростью, увеличит испарение в трубах нагревателя, пока система отдувки (если расход в кубе колонны составляет 0.002 кг/л (0.2 фунта на галлон) будет испарять 12-18 % жидкости зоны испарения через отдувочные тарелки в кубе колонны. У влажной вакуумной колонны всегда должен быть охладитель в системе верхней разводки. Охладитель нужен для конденсации скоростного технологического пара от хвостового газа перед эжектором первой ступени. В сухой вакуумной колонне пар не используется. Там не будет системы технологического пара в кубе колонны и не будет скоростного пара в змеевике нагревателя (конечно, там может подсоединяться пар к каждому змеевику нагревателя для пропаривания трубок в случае аварийной ситуации). Удивительно, но в сухих вакуумных колоннах достигается такая же степень испарения, как и во влажных. Причина этой очевидной аномалии состоит в том, что сухая колонна обычно эксплуатируется при давлении зоны испарения 30 мм рт.ст., в то время, как влажная колонна работает при 90 мм рт.ст. Во влажной вакуумной колонне достигается высокая степень испарения, поскольку парциальное давление углеводородов понижается. Сухая вакуумная колонна работает при низком абсолютном давлении. Но почему бы нам тогда не объединить технологический пар с низкими давлениями, получаемыми в сухих вакуумных колоннах, и таким образом - не создать супер-испарительную вакуумную установку? Ответ таков, что во влажных вакуумных установках нельзя на практике получить низкое давление в зоне испарения. Помните, что влажная вакуумная установка должна иметь охладитель, работающий при минимальной температуре на выходе 43 ̊С (110F). При этой температуре давление паров воды составляет 65 мм рт.ст. Не принимая во внимание другие факторы, которые влияют на давление наверху вакуумной колонны (а именно, парциальное давление углеводородов и перепад давления через охладитель), тогда получаем минимальное давление на верху колонны, равное 65 мм рт.ст. На практике это означает, что минимальное давление зоны испарения равно 90 мм рт.ст. Если молярный процент содержания пара в зоне испарения составляет 60-70%, то парциальное давление углеводородов в зоне испарения будет около 30 мм рт.ст. HCpp = Pt (1.00 - Ms) Где: HCpp = парциальное давление углеводородов, мм рт.ст. Pt = общее давление, мм рт.ст.. Ms = молярная доля пара в зоне испарения. После довольно детального изучения я пришёл к следующим выводам относительно выбора влажной или сухой вакуумной колонны: · Как на той, так и на другой колонне должна быть получена одинаковая степень испарения. · Диаметр сухой колонны должен быть приблизительно таким же, как и влажной. Больший объём паров, создаваемых в сухой колонне низкого давления, будет балансироваться дополнительными молями пара влажной колонны. · Расход пара у сухой колонны будет в действительности несколько выше, чем у влажной. Это кажущееся противоречие возникает из-за очень большой потребности пара для эжектора первой ступени сухой колонны. При рассмотрении всех факторов оказывается, что сухая колонна является несколько более экономически выгодной, чем влажная колонна. Для сухой колонны не нужны большие охладители. С точки зрения практической эксплуатации, сухая колонна также более предпочтительна, поскольку здесь исключена вероятность попадания масс воды систему технологического пара, находящегося в кубе колонны. Мне приходилось часто видеть тарелки вакуумной колонны, выбитые влажным технологическим паром. Trayed Tower Internals There is more to designing fractionation columns than specifying the number and type of trays or packing required. In particular, the withdrawal of liquid products from the tower and the return of reflux streams to the tower present a number of practical design difficulties. An experience I had on a wax fractionator is representative of such problems. The wax fractionator was used to separate different boiling-point waxes derived from petroleum gas oils. The tower had recently been retrayed to expand its capacity. Clean, middle boiling-point wax could not be withdrawn from the center of the fractionator. A careful review of the tower internal drawings and discussions with plant operating personnel revealed that two design errors had been made. Внутренняя оснастка тарельчатой колонныЗдесь гораздо больше значит проектирование фракционных колонн, чем конкретизация количества и типа требуемых тарелок или насадок. В частности, вывод жидких продуктов из колонны и возврат потоков орошения представляют определённые трудности для проектирования с практической точки зрения. Мой опыт с колонной по фракционированию парафинов является примером таких проблем. Фракционная колонна для парафинов использовалась для разделения парафинов, полученных из газойля, с различными температурами кипения. В колонне недавно были заменены тарелки для увеличения её производительности. Чистый парафин со средними температурами кипения невозможно было вывести из центра фракционной колонны. Тщательный просмотр чертежей по внутренней оснастке колонны и обмен мнениями с эксплуатационным персоналом выявили две конструкционные ошибки. Avoid Internal Level Connections When the process designer laid out the new tray configuration, he rotated the tower top tray by 90° to facilitate liquid reflux distribution on the top tray. As a result, all the trays in the tower were installed at right angles to their original orientation. When the designer specified the layout for the middle wax draw-off sump, he realized that the existing level-gauge taps and draw-off nozzle were 90°out of alignment with the new sump. His solution to the problem was simple: connect the existing nozzles to the new sump with internal piping. Because the taps to the level gauge were plugged, the operators could not determine the liquid level in the draw-off sump. Therefore, they could not know if the sump was overflowing with wax or empty. Избегайте внутренних соединений устройств уровняКогда инженер-технолог проектировал конфигурацию новых тарелок, он повернул верхнюю тарелку на 90°, чтобы облегчить распределение флегмы на верхней тарелке. В результате все тарелки в колонне были установлены под прямым углом к их первоначальной ориентации. Когда инженер проекта определял расположение грязевика для выводимых углеводородов, он понял, что существующие отборы уровня и отводные штуцеры находились под углом 90° по отношению к новому грязевику. Он принял простое решение – подсоединить существующие штуцеры к новому грязевику с помощью внутренней обвязки. Поскольку отводы манометра уровня были забиты, операторы не могли определить уровень в отводном грязевике. И, следовательно, они не могли определить, был ли грязевик переполнен парафинами или пуст. The Dangers Of Internal Draw-Off Anyone who has seen flanged piping assembled in the field realizes that the sections of pipe frequently do not mate exactly. Often a bad fit is not revealed until the piping is pressure-tested for leaks. Also, a flange which may be tight when cold, starts leaking upon exposure to thermal stress.
Проблемы внутренних устройств слива Каждый, кто видел обвязку труб с фланцевыми соединениями на практике, понимает, что участки трубы часто неполностью совпадают. Часто плохая подгонка распознаётся только во время опрессовки обвязки для распознавания утечек. И ещё может случиться, что фланец, который герметичен в холодном состоянии, станет протекать под воздействием теплового напряжения.
|
Pagrindinis
