利用熱平衡和試差法核算分餾塔頂注水量

藺峰濤

（中國石化滄州煉化公司生產技術部，河北 滄州 061000）

0 引言

分餾塔頂注水是控制塔頂低溫部位腐蝕的重要工藝防腐措施，在常減壓裝置“三頂”（初餾塔、常壓塔、減壓塔）、催化裂化和延遲焦化裝置的分餾塔頂、臨氫裝置的空冷、汽提塔和分餾塔頂等部位都有應用。注水位置一般在塔頂揮發線或多列塔頂冷換設備的入口。注水的作用主要有稀釋酸性物質，提高初凝區pH值，將沉積的鹽洗走，以及從氣相中洗去可能結鹽的物質。注水量應使注入點存在足量液態水，典型的注水量應使注水點氣相水達到飽和所需水量再加上25%[1,2]。注水量不足，尤其是在回用本裝置含硫污水的情況下，不僅起不到預期的效果，甚至可能產生副作用，增加塔頂系統腐蝕的風險。目前由于缺乏較為通用的注水量核算方法，一些裝置在注水管理方面較為粗放，在工藝條件變化時不能及時核算理論注水量，造成注水量調整比較隨意，不能實現準確有效的控制[3,4]。

1 原理

注水進入塔頂揮發線后，受熱氣化，塔頂氣相中水蒸氣分壓增大，當水蒸氣的分壓達到此刻溫度下的飽和蒸汽壓時，繼續增加注水量，就會產生液態水。我們的期望值是液態水達到總注水量的25%以上[5,6]。

在這一過程中，塔頂氣相溫度降低，放出熱量。注入的水溫度升高，部分氣化，吸收熱量。根據能量守恒原理，放熱量等于吸熱量，這樣就可建立等式，計算出我們需要的注水未氣化率。

1.1 吸熱和放熱的主要計算方法：

放熱方：

（1）富氣（或干氣+液化氣）組分熱量可使用比熱（查常用氣體比熱表，或用理想氣體比熱計算公式）、流量、溫降計算；

（2）汽油組分熱量可通過焓差（由密度、餾程得到，查焓圖或使用擬合公式）、流量計算；

（3）油氣中水蒸氣組分熱量可通過焓差（由溫度、壓力得到）、流量計算。

吸熱方：

（1）注水蒸發部分熱量可使用氣、液相焓差、流量計算；

（2）注水未蒸發部分熱量可使用液相焓差、流量計算。

1.2 計算過程的主要步驟

第一步：根據塔頂油氣組成和流量計算油氣體積流量、摩爾流量；

第二步：估計注水后溫度 ，查蒸汽表（或用擬合公式）得到此溫度水的飽和蒸氣壓；

第三步：做熱平衡計算，得到注水的氣化和未氣化量；

第四步：如注水的未氣化量（即液態水量）大于總注水量的25%，適當提高注水后的估值溫度，反之降低注水后的估值溫度，重復第二步和第三步計算；

通過幾次試差，即可得到準確值。

注意：計算中不考慮注水前后汽油組分的冷凝。在流程模擬計算中也可以發現汽油組分基本沒有發生冷凝。其主要原因是注水后由于水的蒸發使汽油分壓降低，汽油組分露點溫度相應降低。

2 計算舉例

我們以某催化裂化裝置分餾塔頂注水為例，具體說明計算過程。

2.1 計算所需工藝運行數據

表1 分餾塔頂油氣組成（包括終止劑汽油）

表2 操作條件

所需的化驗分析數據：干氣和液化氣的體積組成（氣相色譜）；汽油的密度和餾程。（數據略）

以上為計算所需全部數據。

2.2 核算的詳細過程

第一步：首先計算塔頂物料的平均分子量和摩爾流量（干氣、液化氣的平均分子量由體積組成得到，汽油平均分子量由密度和餾程得到）：

表3 塔頂物料的組成和流量

其中，油氣（干氣+液化氣+汽油）摩爾流量合計1687.50kmol/h。

第二步：估計注水后溫度。估算的溫度不影響最終結果，只是影響插值的計算次數。第一次估值，可以參考注水點3～5m后的管壁溫度（實測）。

本例假設注水后溫度為99℃。

第三步：熱平衡計算

（1）塔頂油氣放熱計算：

合計放熱量：4483184+1997008=6480192 kJ/h

（2）注水的吸熱計算：

注水后99℃水的飽和蒸氣壓（分壓）：0.0979MPa（查焓圖或使用擬合公式）

油氣分壓（總壓減去水蒸汽分壓）：

注水后水蒸汽的摩爾流量（分壓的比值即為摩爾流量的比值）：

注水后水的氣化量（即為水蒸氣流量前后的差值）：

氣化部分水的吸熱量（由焓差和流量計算）：

忽略散熱量，根據熱量守恒，未氣化部分水的吸熱量：

表4 汽油和水蒸氣組分放熱量

表5 干氣和液化氣組分放熱量

表6 注水的吸熱量

除以前后焓差，即為未氣化部分水的流量：

水的未氣化率：11319.99/12729.57=88.9%

也就是說，當注水量為13.3t/h時，注水點后液態水為注水量的88.9%，此時注水點后溫度為99℃。

此時，過量水超過25%的目標，我們可以逐步提高假設的注水溫度，重復第二步以后的計算過程。隨著假設注水溫度的提高，計算出的注水量將降低，注水后液態水的比例也會相應降低。如表7所示。

表7 注水溫度與注水量的關系

當注水溫度提高至99.9℃以上時，會出現塔頂油氣的放熱量低于注水氣化至飽和狀態時所需的熱量，其意義代表注水全部氣化，無液態水存在。

當注水量為3.28t/h時，注水點后液態水比例為25%。

注水量2.54t/h為臨界點。低于此注水量時，注水點后無液態水存在，注水接近全部氣化。高于此注水量時，注水點后開始出現液態水。

不同注水量與注水點后液態水比例的關系如圖1所示：

圖1 注水量與注水點后液態水比例對應關系圖

3 影響注水量的綜合因素

首先應保證注水點后液態水量不低于注水量的25%，這是基本要求。由于數據測量和計算過程的誤差以及生產工藝的波動，實際控制不宜太保守。另外，應注意單臺冷換設備的平均注水量不應低于溶解、清洗鹽垢所需水量。多臺并列冷換設備會產生分配不均問題，隨著并列臺數的增加，應增加總注水量。

對于回收塔頂低溫熱的裝置來說，不必擔心注水量影響塔頂取熱。從以上的計算過程可以看到，當注水量在臨界點前時，每增加注水1t/h，塔頂溫降約10℃，溫降較大。當越過臨界點出現液態水后，塔頂溫降大幅趨緩。本例中，增加注水10t/h，溫降也只有約1℃，對塔頂低溫熱回用影響很有限。

4 結語

文章提供一種核算塔頂注水量的方法，主要依據為熱平衡核算，這是基礎的工藝計算方法，計算過程相對比較容易，可以不依賴流程模擬類專用軟件，結果準確可靠。試差計算過程非常直觀，接近實際過程的物理變化，對于工藝人員理解注水的過程和原理也有幫助。

塔頂注水是一項重要的工藝防腐措施，不同塔頂氣組成和不同的的工藝條件，尤其是水蒸氣含量，對所需注水量的影響很大。當工藝參數發生變化時，應及時核算理論注水量，以實現注水量的精細化管理。

塔頂注水應服從“宜大不宜小”的原則，考慮各種變化因素，實際控制量不宜太保守。當注水量越過臨界點出現液態水后，增加注水量塔頂溫降趨緩，對塔頂低溫熱回用影響很有限。