T08204塔的模擬研究與優(yōu)化改造

李云輝，王 海，李治水*，沈桂明，石蘭英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

T08204塔的模擬研究與優(yōu)化改造

李云輝，王 海，李治水*，沈桂明，石蘭英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

丁辛醇產(chǎn)品作為重要的基礎(chǔ)原料，在化工、涂料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以天津渤化永利化工股份有限公司#1丁辛醇裝置中T08204塔處理能力與分離效率的優(yōu)化為研究目標(biāo)，采用Aspen及KG-TOWER軟件對(duì)T08204塔進(jìn)行了流程模擬及水力學(xué)計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行了優(yōu)化改造。結(jié)果表明，T08204塔的進(jìn)料負(fù)荷由12 500,kg·h-1提升至13 700,kg·h-1；異丁醇與正丁醇的產(chǎn)品質(zhì)量也達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

T08204塔 流程模擬 KG-Tower 塔板效率 液相返混

丁辛醇產(chǎn)品作為重要的基礎(chǔ)原料，在化工、涂料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；[1]此外，正丁醇還有望替代汽油，為汽車提供動(dòng)力能源。[2-3]近年來，隨著石油化工、煤化工、精細(xì)化工及生物化工的迅猛發(fā)展，丁辛醇產(chǎn)業(yè)也得到了快速擴(kuò)張。隨著國內(nèi)丁辛醇產(chǎn)能的高速增長，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈化程度也日益加劇。[4-5]丁辛醇產(chǎn)品的利潤空間大幅縮水，眾多丁辛醇生產(chǎn)企業(yè)為了搶占市場(chǎng)，維護(hù)自身效益，在力爭(zhēng)降低成本的同時(shí)，也越來越注重提升丁辛醇產(chǎn)品的質(zhì)量。

年產(chǎn)22.5 萬t的#1丁辛醇項(xiàng)目作為天津渤化永利化工股份有限公司的支柱產(chǎn)業(yè)，是天津市第10批20項(xiàng)重大工業(yè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目引進(jìn)Davy公司的低壓羰基合成技術(shù)，以丙烯、合成氣等為原料，通過反應(yīng)和精餾等單元操作生產(chǎn)丁辛醇。T08204塔是該套丁辛醇裝置中分離異丁醇與正丁醇的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要的影響。本文以#1丁辛醇裝置中T08204塔為研究目標(biāo)，采用Aspen及KG-TOWER軟件對(duì)T08204塔的工藝流程及水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有塔內(nèi)件參數(shù)，對(duì)當(dāng)前的T08204塔的塔內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，顯著提高了公司異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 丁醇單元工藝流程

Davy公司的丁辛醇工藝流程由羰基合成單元、丁醇單元和辛醇單元3個(gè)系統(tǒng)組成。在丁醇單元中，來自羰基合成單元的混合丁醛經(jīng)氣相加氫、精餾分離后，最終在T08204塔的塔頂與塔釜分別得到異丁醇與正丁醇產(chǎn)品。

因此，在丁辛醇工藝流程中，T08204的處理能力和分離效率直接決定了丁辛醇裝置中異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，其設(shè)計(jì)操作對(duì)整個(gè)丁辛醇裝置的穩(wěn)定運(yùn)行也有著至關(guān)重要的作用。

2 現(xiàn)存問題分析及模擬計(jì)算

2.1 進(jìn)料負(fù)荷問題分析

#1丁辛醇裝置中的T08204塔為導(dǎo)向浮閥板式塔，塔徑2,400,mm，裝配有145層塔板，進(jìn)料位置為第58層板(從上往下數(shù))，當(dāng)前進(jìn)料負(fù)荷為12,500,kg·h-1，回流比為12.0時(shí)，塔頂異丁醇產(chǎn)品純度可以達(dá)到99.5%,，塔底正丁醇產(chǎn)品純度為99.7%,；進(jìn)一步提高進(jìn)料負(fù)荷，則產(chǎn)品質(zhì)量迅速下降。

對(duì)于板式塔而言，影響其操作狀況和分離效果的主要因素為物料性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及氣液負(fù)荷。由于T08204塔的分離物系和塔板類型已確定，其操作狀況和分離效果便只與氣液負(fù)荷有關(guān)。要維持塔板正常操作和塔板效率的基本穩(wěn)定，必須將塔內(nèi)的氣液負(fù)荷限制在塔板的負(fù)荷性能范圍內(nèi)。因此，我們研究了當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到12,500,kg·h-1時(shí)，T08204塔的氣液負(fù)荷是否在塔板的適宜操作范圍內(nèi)。圖1為優(yōu)化改造前T08204塔精餾段和提餾段兩側(cè)降液層的塔板負(fù)荷性能圖。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到12,500,kg·h-1時(shí)，T08204塔精餾段的氣相流量(Vs)為13,699.39,m3·h-1，液相流量(Ls)為58.19,m3·h-1；提餾段的氣相流量為12,158.42,m3·h-1，液相流量為78.74,m3·h-1。

圖1中坐標(biāo)點(diǎn)Pr與Ps分別代表進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到12,500,kg·h-1時(shí)，精餾段(見圖1a)和提餾段(見圖1b)兩側(cè)降液層的操作點(diǎn)。由此可知，根據(jù)T08204塔的原有設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到12,500,kg·h-1時(shí)，T08204塔提餾段和精餾段兩側(cè)降液層的氣液負(fù)荷在塔板的適宜操作范圍內(nèi)，操作點(diǎn)遠(yuǎn)離霧沫夾帶線和漏液線。

此外，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，根據(jù)T08204塔的原有設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到12,500,kg·h-1時(shí)，T08204塔提餾段和精餾段中間降液層的氣液負(fù)荷也在塔板的適宜操作范圍內(nèi)(負(fù)荷性能圖省略)，塔內(nèi)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的霧沫夾帶和漏液現(xiàn)象。

2.2 T08204塔進(jìn)料位置的核算

進(jìn)料位置對(duì)于精餾塔的操作運(yùn)行具有重要影響，適宜的進(jìn)料位置可以保證在相同的塔板數(shù)與回流比下，達(dá)到最佳的分離效果；同時(shí)還有利于降低精餾塔能耗。由于T08204塔進(jìn)料組成恒定，且已規(guī)定產(chǎn)品質(zhì)量，因此根據(jù)T08204塔實(shí)際塔板數(shù)，利用Aspen Plus模擬考察了塔頂異丁醇產(chǎn)品質(zhì)量、塔底正丁醇產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)料位置的關(guān)系規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 T08204塔產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)料位置的關(guān)系規(guī)律Fig.2 Variation of product purity as a function of feed-stage

由圖2可以看出，當(dāng)進(jìn)料口位于第56～65層塔板(由上往下數(shù))時(shí)，塔頂異丁醇產(chǎn)品和塔釜正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量百分濃度均在99.80%,以上。因此，在實(shí)際運(yùn)行中選擇在第58層塔板進(jìn)料是穩(wěn)定可靠的，能夠保證異丁醇和正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.3 T08204塔塔板效率的核算

在模擬過程中，根據(jù)優(yōu)化改造前的T08204塔的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置了進(jìn)料條件、操作壓力、回流比等，同時(shí)設(shè)定了51%,的塔板效率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1的計(jì)算結(jié)果表明，各物流的模擬結(jié)果與優(yōu)化改造前的運(yùn)行數(shù)據(jù)基本一致，由此可知，優(yōu)化改造前的塔板效率為51%,。因此，需要通過對(duì)塔內(nèi)件優(yōu)化改造來提高塔板效率，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 優(yōu)化改造前T08204塔的流程模擬Tab.1 Simulation results of the T08204 column before optimization

2.4 受液盤自支梁設(shè)計(jì)分析

T08204塔的塔內(nèi)件設(shè)計(jì)如圖3a所示，板間距為305,mm，中間受液盤自支梁高度(Hb1)為84,mm，中間出口堰高(Hw1)為40,mm；兩側(cè)受液盤自支梁高度(Hb2)為79,mm，兩側(cè)出口堰高(Hw2)為30,mm；因此在接近塔盤的中間出口堰處，塔盤上可供液體流動(dòng)的空間高度(Ho1)只有181,mm；在接近塔盤的兩側(cè)出口堰處，塔盤上可供液體流動(dòng)的空間高度(Ho2)只有196,mm。另外，由于塔盤上液體流動(dòng)方向與受液盤自支梁垂直，在塔盤的出口堰附近，氣液傳質(zhì)的鼓泡層高度最高，受液盤自支梁會(huì)阻礙霧沫層，并妨礙液體進(jìn)入降液管，將部分液體反彈回上層塔板，導(dǎo)致液相返混，從而影響塔板效率。同時(shí)，液相返混還會(huì)增加塔板的處理負(fù)荷，影響整個(gè)T08204塔的處理能力。

2.5 中間出口堰設(shè)計(jì)分析

T08204塔的中間出口堰設(shè)計(jì)如圖4所示，其長度為2,300,mm，但其僅靠兩端的螺栓固定在聯(lián)接板上，溢流堰折邊沒有固定在降液板自支梁上，進(jìn)料負(fù)荷增大時(shí)，容易導(dǎo)致出口堰變形。

圖3 T08204塔優(yōu)化改造前的塔內(nèi)件布置示意圖Fig.3 The internals of T08204 column before optimization

圖4 中間出口堰示意圖Fig.4 Schematic of intermediate outlet weir

當(dāng)中間出口堰的中心區(qū)域嚴(yán)重向降液管方向傾斜后，會(huì)導(dǎo)致液體向塔板中心區(qū)域匯集，而靠近塔板邊緣區(qū)的液層厚度變薄；從而加劇了塔板上各處氣液傳質(zhì)不均的現(xiàn)象，影響氣-液傳質(zhì)效率，導(dǎo)致T08204塔的塔板效率下降。[6]

2.6 塔板生產(chǎn)安裝質(zhì)量分析

此外，浮閥塔塔板的加工安裝是一個(gè)極為嚴(yán)肅的工作程序，需要嚴(yán)格、精心地控制工程質(zhì)量，這對(duì)浮閥塔的分離能力至關(guān)重要。當(dāng)塔板出現(xiàn)生產(chǎn)或安裝質(zhì)量問題時(shí)，浮閥塔的塔板效率和處理能力就會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致浮閥塔操作失效。[7]因此，也不排除T08204的塔板在加工安裝環(huán)節(jié)存在問題，導(dǎo)致塔板效率及處理能力不足。

2.7 問題分析小結(jié)

綜合上述分析可知，優(yōu)化改造前的T08204塔塔內(nèi)不存在嚴(yán)重的漏液或霧沫夾帶現(xiàn)象，原塔板效率不高主要可能受兩方面因素影響：①受液盤自支梁和中間出口堰設(shè)計(jì)；②塔盤生產(chǎn)安裝質(zhì)量。

3 T08204塔的優(yōu)化改造

3.1 T08204塔的優(yōu)化改造目標(biāo)

在國內(nèi)丁辛醇市場(chǎng)中，以齊魯石化公司為例，其產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：正丁醇主含量≥99.8%,；異丁醇主含量≥99.7%,。在國際市場(chǎng)方面，日韓等國家要求正丁醇產(chǎn)品主含量控制在99.8%,以上，其中主控雜質(zhì)異丁醇含量嚴(yán)格控制在0.1%,以下；異丁醇產(chǎn)品主含量≥99.8%,。

因此，為精確制定T08204塔的優(yōu)化改造目標(biāo)，結(jié)合優(yōu)化改造前T08204塔的運(yùn)行參數(shù)，采用Aspen模擬軟件對(duì)進(jìn)料負(fù)荷為13,676,kg·h-1時(shí)優(yōu)化改造后的T08204塔進(jìn)行了流程模擬(設(shè)定板效率為68%,)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化改造后T08204塔的流程模擬Tab.2 Simulation results of the T08204 column after optimization

結(jié)合表2模擬結(jié)果可知，當(dāng)T08204塔板效率達(dá)到68%,，進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到13,676,kg·h-1，回流比為12，回流溫度為108,℃時(shí)，T08204塔塔頂異丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量純度與塔釜正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量純度均大于99.80%,，且塔釜正丁醇產(chǎn)品中主控雜質(zhì)異丁醇含量約為0.05%,。

3.2 優(yōu)化改造后T08204塔的水力學(xué)計(jì)算

為減少施工周期，節(jié)約施工費(fèi)用，避免施工風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)去年對(duì)T18204塔的優(yōu)化改造經(jīng)驗(yàn)，本次優(yōu)化改造對(duì)T08204塔內(nèi)的支撐圈、降液板等塔內(nèi)件均不做調(diào)整，僅對(duì)塔板、溢流堰、塔板自支梁、受液盤自支梁等進(jìn)行優(yōu)化改造。為了驗(yàn)證優(yōu)化改造后的T08204塔能否達(dá)到60%,～110%,的操作彈性，采用KG-TOWER(V5.2)軟件對(duì)利用TRITON?塔板優(yōu)化改造后的T08204塔進(jìn)行了水力學(xué)計(jì)算，塔內(nèi)物料體系的發(fā)泡因子取1，其結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，即使在110%,進(jìn)料負(fù)荷(15,044,kg·h-1)條件下，精餾段塔板液泛率為69%～71%，降液管液泛率為35%,；提餾段塔板液泛率為73%～76%，降液管液泛率為47%；均低于液泛率上限值80%的設(shè)計(jì)要求，能保證T08204塔的穩(wěn)定運(yùn)行。

表3 T08204塔的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果Tab.3Hydraulic results of the T08204 column calculated by KG-TOWER

4 T08204的優(yōu)化改造

4.1 對(duì)受液盤自支梁的改造

由于T08204塔受液盤自支梁原設(shè)計(jì)高度偏大，會(huì)導(dǎo)致塔盤上液相返混，增加塔盤的處理負(fù)荷，影響整個(gè)T08204塔的分離效率和處理能力。因此，針對(duì)該問題，在節(jié)約改造費(fèi)用的基礎(chǔ)上，我們制定了不更換原自支梁，通過在自支梁上開孔來抑制自支梁過高引起的液相返混現(xiàn)象，開孔示意如圖5所示。

受液盤自支梁上的開孔位置沿自支梁水平中心線向縱向擴(kuò)展；為了避免應(yīng)力集中，開孔形狀設(shè)計(jì)為橢圓孔；兩側(cè)受液盤自支梁上的開孔大小為35,mm× 100,mm，中間受液盤自支梁上的開孔大小為40,mm×100,mm。

4.2 對(duì)溢流堰和受液盤的改造

針對(duì)中間溢流堰的變形問題，經(jīng)過研究所與丁辛醇分廠技術(shù)人員研究討論決定：在優(yōu)化改造期間對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)修正；利用卡子將出口堰的折邊固定在降液板自支梁上；另外，為了抑制塔板上液層厚度不均的現(xiàn)象，在兩側(cè)受液盤上點(diǎn)焊導(dǎo)流板，以保證塔板上液體的均勻分布。

4.3 對(duì)塔板的改造

為了確保T08204塔的優(yōu)化改造目標(biāo)，在塔板上的液體入口處設(shè)置了鼓泡促進(jìn)器，一方面防止液體入口處壓力過大導(dǎo)致漏液現(xiàn)象的發(fā)生；另一方面保證了塔板上氣液傳質(zhì)的均勻分配。為了保證該塔的分離效率，采用了北京澤華化學(xué)工程有限公司的微型浮閥塔板對(duì)原條形浮閥塔板進(jìn)行更換，提高單層塔盤的浮閥個(gè)數(shù)，增加氣液傳質(zhì)面積。

4.4 優(yōu)化改造的運(yùn)行效果

重新開車后，T08204塔的處理能力提升了約10%,；異丁醇與正丁醇產(chǎn)品質(zhì)量純度均達(dá)到99.80%,以上，正丁醇產(chǎn)品中主控雜質(zhì)異丁醇含量在0.04%,以下；同時(shí)，T08204塔每年可節(jié)約蒸汽0.9萬 t以上。

圖5 T08204塔受液盤自支梁優(yōu)化改造示意圖Fig.5 Optimization of the minor beam of seal pan in T08204 column

5 結(jié) 論

本文首先采用Aspen及KG-TOWER等軟件對(duì)T08204塔進(jìn)行了流程模擬、水力學(xué)計(jì)算研究，為T08204塔的優(yōu)化改造提供了有力的理論支持。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)塔板進(jìn)行了優(yōu)化改造，并采用鼓泡器、導(dǎo)流板等對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，大幅提高了T08204塔的塔板效率和處理能力，減小了回流比，節(jié)約了蒸汽消耗，降低了生產(chǎn)成本。本研究為小板間距精餾塔的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了重要的工程依據(jù)和理論支撐?！?/p>

［1］ 李云輝，李治水，聶增來，等. 丁醛異構(gòu)物塔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究[J]. 天津科技，2015，42(11)：29-31.

［2］ Jin C，Yao M，Liu H，et al. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011(15)：4080-4106.

［3］ 張霞，李紅偉，馬曉建. 汽爆玉米秸稈發(fā)酵丁醇的酶解工藝優(yōu)化[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2014(28)：934-938.

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Research on Simulation and Optimization of T08204 Column

LI Yunhui，WANG Hai，LI Zhishui*，SHEN Guiming，SHI Lanying
(Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China)

This study aims to improve the feed loading and tray efficiency of T08204 column in #1 butyl octanol unit of Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd．process simulation and hydraulics calculation were investigated by using Aspen and KG-TOWER respectively．Then，the internals of T08204 column were optimized according to the calculated results．In consequence，the feed loading of T08204 was increased from 12,500,kg·h-1to 13,700,kg·h-1，and the quality of isobutanol and n-butanol has reached the international advanced level.

T08204 column；process simulation；KG-Tower；tray efficiency；liquid back-mixing

TQ062+.2

：A

：1006-8945(2016)10-0081-05

*通訊作者

2016-09-01