CTST立體傳質(zhì)塔板在分子篩脫蠟裝置上的應用

崔寶靜　王勇　賈寶軍　劉春輝　張銳

摘????? 要：中國石油撫順石化公司石油三廠分子篩脫蠟裝置是生產(chǎn)液蠟的二次加工裝置，該裝置的V-403塔主要作用是分離C₁₃和C₁₄，在運行期間，V-403塔底C₁₄組分中含有大量的C₁₃，無法對目標產(chǎn)品進行有效分離，至高效產(chǎn)品C₁₃組分流失。裝置負荷越大，分離效果越差，裝置負荷無法提高。該塔采用CTST立體傳質(zhì)塔板后，分離效果大幅提高，達到預期效果。

關(guān)? 鍵? 詞：分離;CTST;塔;目標產(chǎn)品

中圖分類號：TQ 053.5??? ???文獻標識碼： A?? ????文章編號： 1671-0460（2020）07-1492-05

Application of CTST in Molecular Sieve Dewaxing Unit

CUI Bao-jing1， WANG Yong1， JIA Bao-jun1， LIU Chun-hui1， ZHANG Rui2

（1. PetroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun Liaoning 113001， China;

2. Shengli Oilfield Shenxing Group Limited Corporation， Dongying Shandong 257000， China）

Abstract： The molecular sieve dewaxing unit in No.3 Refinery of Fushun Petrochemical Company of PetroChina is a secondary processing unit for production of liquid wax， the main function of the V-403 tower is to separate C13 and C14. During previous operation，C14 component in the bottom of the V-403 tower contained a lot of C13， so the V-403 tower was unable to effectively separate the target products， resulting in the loss of component C13 as efficient product. The larger the load was， the worse the separation effect was， and the device load could not be increased. After using CTST in the tower， the separation effect has been greatly improved，and the expected effect has been achieved.

Key words： Separation; CTST; Tower; Target product

1????? 概述

1.1? 裝置簡介

撫順石化公司石油三廠分子篩一套脫蠟裝置是以煤油餾分為原料，生產(chǎn)液體石蠟產(chǎn)品的石油二次加工裝置。該裝置于1995年投產(chǎn)，年產(chǎn)液蠟

15萬t。主要產(chǎn)品有輕蠟Ⅰ（nC₁₀～nC₁₃）和輕蠟Ⅱ（nC₁₁～nC₁₄）兩種規(guī)格，也可以生產(chǎn)富含nC₁₅重蠟，供有關(guān)工廠作為化工原料。

分子篩裝置后分餾單元的V-403塔為脫C₁₃塔，它的主要任務是將進料中的C₁₁～C₁₃組分從塔頂分離出來，作為輕蠟的主要調(diào)和組分，而塔底C₁₄及以上組分作為重蠟進行銷售。輕蠟是公司主要互供原料之一，作為下游烷基苯產(chǎn)業(yè)鏈的基本原料，在產(chǎn)量和質(zhì)量上都有很高的要求。在實際生產(chǎn)中的理想組分是，V-403塔頂C₁₁～C₁₃中C₁₄體積分數(shù)<0.5 %，塔底C₁₄及以上組分中C₁₃體積分數(shù)<5%。

C₁₁～C₁₃組分是蠟Ⅰ主要組分，即目標產(chǎn)品，而C₁₄組分為副產(chǎn)品。未改造前，原V-403塔底C₁₄組分中含有大量的C₁₃，造成高效產(chǎn)品C₁₃組分流失。裝置負荷越大，分離效果越差，裝置負荷無法提高。

1.2? 工藝流程

從上游裝置來的≥C₁₁組分至V-403塔進料，V-403塔頂分離出C₁₁-C₁₃組分，塔底產(chǎn)品為≥C₁₄組分的正構(gòu)烷烴。塔頂壓力控制為分程控制，塔底為再沸器加熱，其工藝流程圖見圖1。

V-403塔頂C₁₁～C₁₃是本裝置下游生產(chǎn)裝置——烷基苯裝置的主要原料，如果V-403塔分離精度不高，C₁₃組分落入塔底隨≥C₁₄組分外送，將會造成較大的效益流失。

2? 裝置運行主要問題

分子篩脫蠟一套裝置V-403塔的塔板是NS復合傾斜長條塔板。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，V-403塔底C₁₄組分中含有大量C₁₃，其體積分數(shù)達到30%以上。

在V-403塔進料量為12 t·h^-1，回流比為1.0的條件下，其塔頂、塔底物料組成詳見表1、表2。

從表1數(shù)據(jù)分析，在回流比為1.0的條件下，進料量為12 t·h^-1的條件下，塔頂組分中C₁₄體積分數(shù)均值為0.48%，含量較高，且存在出現(xiàn)>0.5%的不合格產(chǎn)品，有霧沫夾帶現(xiàn)象存在，需要降低塔底熱量，減小氣相負荷，增加回流量。

從表2的數(shù)據(jù)分析，塔底組分中C₁₃體積分數(shù)均值在26.13%，含量較高。而且C₁₁、C₁₂組分同時存在，有漏液現(xiàn)象存在，需要提高塔底熱量，增加氣相負荷，降低回流量。

表1和表2為同一時間V-403塔頂?shù)椎姆治鰯?shù)據(jù)，單獨分析其中之一得出的結(jié)論截然相反。綜合表1和表2數(shù)據(jù)，說明在該塔內(nèi)霧沫夾帶現(xiàn)象與漏液的現(xiàn)象同時存在，塔內(nèi)氣液相分布十分不均。

在V-403塔進料 12.7 t·h^-1，回流比1.1的條件下，其塔頂物料組成詳見表3，塔底物料組成詳見表4。

表3和表4為同一時間的分析數(shù)據(jù)，在回流比為1.1，進料量為12.7 t·h^-1的條件下，塔頂組分中C₁₄體積分數(shù)均值在0.63%，含量增加，所有產(chǎn)品均大于0.5%，為不合格產(chǎn)品，已表明塔內(nèi)霧沫夾帶現(xiàn)象加劇。塔底組分中C₁₃體積分數(shù)均值在28.74%，含量增加，而且C₁₁、C₁₂組分含量也上升，表明塔內(nèi)漏液的現(xiàn)象加劇。霧沫夾帶現(xiàn)象與漏液現(xiàn)象的同時加劇，說明增加氣液相負荷，加劇了這種不充分分離現(xiàn)象。

在V-403塔進料 13.3 t·h^-1，回流比1.0的條件下，其塔頂物料組成詳見表5，塔底物料組成詳見表6。表5和表6為同一時間的分析數(shù)據(jù)，在回流比為1.0，進料量為13.3 t·h^-1的條件下，塔頂組分中C₁₄含量均值在0.47%，有不合格品，存在霧沫夾帶現(xiàn)象。塔底組分中C₁₃體積分數(shù)均值在39.68%，含量明顯增加，而且C₁₁、C₁₂組分含量也上升，表明塔內(nèi)漏液現(xiàn)象明顯加劇。

綜合以上數(shù)據(jù)，V-403塔無論加工負荷大小，還是氣液相負荷大小，塔內(nèi)都存在霧沫夾帶現(xiàn)象和漏液現(xiàn)象，說明塔盤上氣液相接觸較差，氣液相分布十分不均。在進料量不大于12 t·h^-1，回流比不大于1.0的條件下，霧沫夾帶和漏液現(xiàn)象程度較低，損失較小。無論進料量還是回流比在此基礎(chǔ)上的增加，都會對產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益產(chǎn)生不利影響，該塔的分離效果嚴重制約裝置的運行負荷。為解決以上問題，需要使用通量大、分離效率高的精餾塔。

3? CTST塔板

對于精餾塔，處理量與塔徑有關(guān)，分離精度與塔高有關(guān)。處理量的增加，塔徑也會相應地增加（或同樣塔徑下塔板的開孔率適當增大）。V-403塔如果要通過加大塔徑，來滿足裝置處理量增加的要求，需要將V-403塔更換為更大塔徑的塔，設備總體的投資以及現(xiàn)場施工費用較高，施工周期較長。如果利用現(xiàn)有的塔體，而只更換V-403塔里面的塔內(nèi)件，來滿足提高處理量的要求，則是一個既省錢又省時的改造方案。

V-403塔塔徑為DN1600，該塔為浮閥板式塔，原有65層塔板，板間距600 mm。由于CTST立體傳質(zhì)塔板允許的過孔氣速較浮閥大很多，霧沫夾帶少，需要的板間距比浮閥小很多。通過對V-403塔的工藝模擬計算，確認V-403塔改造方案為保持原有塔體不變，只更換塔內(nèi)的內(nèi)件，將原有的塔板更換為95層立體傳質(zhì)塔板。

3.1? CTST塔板結(jié)構(gòu)

CTST立體傳質(zhì)塔板為獨特的立體空間結(jié)構(gòu)，其核心部件為梯形噴射罩，是氣液相接觸、傳質(zhì)傳熱的元件^[1]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該塔板的上部為分離板，它的作用是提供氣液接觸空間，使氣液兩相能夠得到有效的分離，從而減少霧沫夾帶。塔板側(cè)面為帶篩孔的噴射板，兩端端面為梯形結(jié)構(gòu)。在噴射板和塔板間有一定的縫隙，是液體進入的通道，在噴射罩下方的塔板上為矩形開孔^[2]。

3.2? CTST塔板傳質(zhì)機理

氣體自塔板上的開孔進入噴射罩中，由于縮流，在板孔附近形成低壓區(qū);液體受罩體內(nèi)外壓差和板面液面高度的作用，從罩底縫隙進入罩內(nèi);在罩內(nèi)氣體拉膜提升液體，在提升過程中液體被氣體破碎成為液滴，液滴和氣體共同上升，在上升過程中碰撞到分離板并折返，液滴和氣體從噴射板上的篩孔向斜上方噴出，在噴射罩之間，噴射出的液滴和氣體相互碰撞，噴出噴射罩后，液滴回落到板面，向下一層塔板流動，氣體則繞過分離板，向上一層塔板流動。

3.3? CTST塔板優(yōu)勢

3.3.1 ?空間利用率大

在CTST立體傳質(zhì)塔板上，傳質(zhì)區(qū)域發(fā)生在塔板至噴射罩頂?shù)牧Ⅲw空間內(nèi)，而傳統(tǒng)的板式塔，其傳質(zhì)區(qū)域為板面上的液層，與傳統(tǒng)的板式塔相比，CTST立體傳質(zhì)塔板大大提高了空間利用率。

3.3.2 ?氣相通過能力大

由于分離板的存在，使噴射出的氣體和液滴能夠有效分離，減小的霧沫夾帶，提高了塔的操作上限，增加了氣相通過能力。

3.3.3 ?液相負荷大

由于塔板上液層為清液，幾乎不含有氣泡，進入降液管里的液體，也幾乎不含有氣泡，降液管中液體通過能力大，使CTST塔板液相負荷增大。

3.3.4 ?塔板壓降低

在CTST塔板的傳質(zhì)過程中，液體是以液滴形式存在的，為分散相，氣體為連續(xù)相。與傳統(tǒng)的板式塔相比，由于氣體不需要穿透液層，其壓降可大幅降低。

此外，由于該塔板開孔大，氣液噴射速率高，不易堵塞。其獨特的傳質(zhì)機理，還使其具有消泡性能。

4? 改造效果

將原有塔板更換為CTST立體傳質(zhì)塔板后，對V-403塔的分離效果進行了標定，其標定條件見表7。標定時，V-403塔進料量為13.8 t·h^-1，進料量符合設計要求（設計負荷12～15 t·h^-1），在回流比為1.0條件下，其塔頂、塔底物料組成詳見表8、表9。

由表7可見，主要標定條件與原設計值基本相當，塔頂溫度232 ℃（設計值為235 ℃），塔頂壓力38 kPa（設計值為33 kPa），塔底溫度288 ℃（設計值為284 ℃），即該塔在更換CTST立體傳質(zhì)塔板后，未改變主要操作條件。

表8和表9為同一時間的分析數(shù)據(jù)，改造后的塔頂組分中，C₁₄體積分數(shù)均值在0.16%，不再含有不合格品;塔底組分中，C₁₃含量大幅降低，其體積分數(shù)在2%以下，且不再含有C₁₁、C₁₂組分，高效組分損失大幅減少，達到了預期效果（塔頂組分中C₁₄體積分數(shù)≯0.5%，塔底組分中C₁₃體積分數(shù)≯5%）。

為尋找該塔最佳回流比操作條件，保持其余操作條件不變的情況下，僅調(diào)整回流比，在回流比增加到1.2條件下，其塔頂、塔底物料組成詳見表10、表11。

表10和表11為同一時間的分析數(shù)據(jù)，改造后在回流比為1.2的條件下，塔頂組分中C₁₄體積分數(shù)均值為0.14%，塔頂組分合格;塔底組分中C₁₃體積分數(shù)均值在4.69%，含量有所增加，且出現(xiàn)了C₁₃體積分數(shù)為5.09%的臨界值。

保持其余操作條件不變，回流比減少到0.8條件下，其塔頂、塔底物料組成詳見表12、表13。

表12和表13為同一時間的分析數(shù)據(jù)，改造后在回流比為0.8的條件下， 塔底組分中C₁₃體積分數(shù)均值在0.24%，其含量有所降低，高效組分損失減少;塔頂組分中C₁₄體積分數(shù)均值為0.46%，其含量有所增加，且出現(xiàn)了C₁₄體積分數(shù)為0.61%的不合格品。

綜合以上數(shù)據(jù)，回流比在0.8～1.2范圍內(nèi)，能夠滿足該塔的分離要求。在未改變塔的主要操作條件情況下，保持原有塔體不變，僅通過更換塔板及相關(guān)內(nèi)構(gòu)件，可以使塔的分離效果大幅提高。

5? 應用前景展望

目前，CTST立體傳質(zhì)塔板已在常減壓裝置的初餾塔、常壓塔^[3]，催化裂化裝置的吸收塔、穩(wěn)定塔，干氣脫硫塔，胺溶劑再生塔，污水汽提塔，PTA裝置尾氣常壓吸收塔^[4]等煉油化工裝置中成功應用。應用結(jié)果表明，CTST立體傳質(zhì)塔板具有板效率高、處理能力大、抑制溶液發(fā)泡等優(yōu)點。企業(yè)在應用過程中，由于可以不改變原塔外殼，甚至不改變降液管、支撐圈、支撐梁等塔內(nèi)支撐件^[5]，其改造工期短，現(xiàn)場施工費用低，為各企業(yè)在擴能改造過程中提供了優(yōu)良選擇。

塔板是板式塔的核心設備，其性能的好壞直接影響塔的處理量、分離效率及能耗，進一步影響到全裝置的產(chǎn)能、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗及生產(chǎn)成本。CTST立體傳質(zhì)塔板采用獨特的立體結(jié)構(gòu)，是一種高效空間利用率的塔設備，其發(fā)展前景良好。

6? 結(jié) 論

分子篩脫蠟裝置脫C₁₃塔，在保持原有塔體不變只更換塔內(nèi)件的情況下，用CTST立體傳質(zhì)塔板替換原有塔板。更換后，塔底組分中C₁₃體積分數(shù)由39%降低至3%，有效減少了有效組分的流失，可滿足C₁₃和C₁₄的有效分離。而且由于解決了制約裝置操作負荷的瓶頸問題，可提高裝置的負荷，使裝置可以滿負荷生產(chǎn)，裝置在高負荷下，確保了有效組分不流失，企業(yè)效益實現(xiàn)了最大化。

參考文獻：

[1] 劉文軍.淺析CTST塔盤在變脫硫塔改造的應用[J].氣體凈化，2006，6（3）：16.

[2] 李春利，馬曉冬.大通量高效傳質(zhì)技術(shù)——立體傳質(zhì)塔板CTST的研究進展[J].河北工業(yè)大學學報，2013，42（1）：19-28.

[3] 張文林，呂建華，李柏春，等.立體傳質(zhì)塔板在常壓蒸餾裝置擴改造中的應用[J].天然氣化工，2005，30（6）：30-34.

[4] ?於扣紅，呂建華. 立體傳質(zhì)塔板在PTA尾氣常壓吸收塔的應用[J].聚酯工業(yè)，2012，25（4）：8-10.

[5] 呂建華，劉繼東，張文林，等.立體傳質(zhì)塔板CTST技術(shù)及其在煉油裝置中的應用[J].化工進展，2006，25（z 2）：13-16.

收稿日期： 2020-03-20

作者簡介： 崔寶靜（1989-），女，遼寧省撫順人，工程師，2013年畢業(yè)于大連理工大學化學工程與工藝（化學工藝）專業(yè)，研究方向：煉油技術(shù)。E-mail：cuibj-sysc@petrochina.com.cn。