波紋導(dǎo)向浮閥塔盤在重整油分離塔改造中的應(yīng)用

韋 康

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)600 kt/a對二甲苯芳烴聯(lián)合裝置(以下簡稱芳烴聯(lián)合裝置)由連續(xù)重整、芳烴抽提、歧化烷基轉(zhuǎn)移、二甲苯分餾、異構(gòu)化和吸附分離單元組成，于2009年9月投入使用。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)重整油分離塔的分離效率不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)條件下對于產(chǎn)品的要求，塔頂輕質(zhì)組分超標(biāo)，造成操作困難和能耗提高，對裝置安穩(wěn)運(yùn)行帶來隱患。此現(xiàn)象在行業(yè)中類似重整油分離裝置當(dāng)中也是普遍存在的，原因是設(shè)計(jì)組成與實(shí)際情況存在差異，造成工況不匹配。

1 重整油分離塔概況

重整油分離塔在芳烴生產(chǎn)流程中設(shè)計(jì)處理脫戊烷塔底來料，該塔處理量約為860 kt/a,塔頂碳六、碳七組分經(jīng)冷卻后送至抽提裝置作為抽提原料，塔底碳八及以上芳烴經(jīng)加熱后送往二甲苯塔精餾后，最終作為吸附分離單元原料。

自芳烴裝置開車后，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)重整油分離塔的分離精度未達(dá)到設(shè)計(jì)工況，為保證后續(xù)吸附分離單元原料合格，對精餾塔操作進(jìn)行調(diào)整，塔頂碳八芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.5%～4.0%，造成碳八芳烴損失，對裝置生產(chǎn)主要有以下兩方面的影響。

1.1 能耗增加

對于芳烴全流程而言，碳八芳烴本應(yīng)經(jīng)過重整油分離塔分離后進(jìn)入二甲苯精餾塔。但是，由于碳八芳烴在塔頂?shù)膿p失，造成部分物料在抽提單元和歧化單元進(jìn)行循環(huán)，整個循環(huán)流程中產(chǎn)生了不必要的能耗(見圖1)。按照塔頂碳八芳烴質(zhì)量控制指標(biāo)值2%，實(shí)際值3.5%，流量為44 t/h計(jì)算，每年約有5 500 t碳八芳烴進(jìn)行了不必要的循環(huán)。物料經(jīng)過抽提單元整體流程、歧化單元苯塔和甲苯塔的流程運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過能耗換算，抽提與歧化單元因此能耗分別提高了37.4，20.0 kg/h(標(biāo)油，下同)，總計(jì)57.4 kg/h，兩單元因此產(chǎn)生不必要的生產(chǎn)成本約132元/h，每年按8 400 h計(jì)，共計(jì)111萬元。

圖1 碳八芳烴物料流向

1.2 精餾塔操作難度提升

精餾塔設(shè)計(jì)操作條件與實(shí)際操作條件對比見表1。

表1 重整油分離塔操作參數(shù)對比

塔頂抽出量偏大，回流比與設(shè)計(jì)值相比明顯偏低。與此同時(shí)，塔頂壓力也相應(yīng)提高，最高可達(dá)0.05 MPa，這些都對精餾塔的日常操作帶來影響。后續(xù)操作中需將塔頂抽出設(shè)為自動，并根據(jù)塔頂分析組成調(diào)整，優(yōu)先保證輕質(zhì)組分能夠及時(shí)被抽出，緩和精餾塔的波動，但這不利于精餾塔的自動控制，也進(jìn)一步導(dǎo)致塔頂碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終維持在一個較高水平。

2 原因分析

2.1 原料分析

與設(shè)計(jì)相比，原料組成存在組分偏輕、負(fù)荷偏大、溫度偏低等情況(見表2)。

表2 重整油分離塔進(jìn)料參數(shù)

目前該塔進(jìn)料量112.00 t/h，與設(shè)計(jì)進(jìn)料量102.89 t/h相比超出8.9%，屬于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。但原設(shè)計(jì)進(jìn)料中碳七及碳七以下組分為33.8%,實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到44%以上，造成塔頂輕組分較多。塔頂抽出量最高時(shí)可達(dá)52.70 t/h，與設(shè)計(jì)值35.94 t/h相比超出46.6%，致使該塔精餾段超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致塔頂碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但是目前該原料組成不會發(fā)生大幅度變化，因此在原料方面優(yōu)化空間較小。

2.2 精餾塔分析

在2014年檢修過程中裝置對該塔進(jìn)行了開塔檢查，除少量浮閥掉落外，其余部件均正常。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該塔特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)和最惡劣工況，在維持塔底甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.2%，塔頂碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2.0%的前提下，進(jìn)行軟件模擬計(jì)算(模擬結(jié)果見表3)。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果 m3/h

表4模擬數(shù)據(jù)表明：在現(xiàn)有物料操作基礎(chǔ)上，各項(xiàng)操作參數(shù)基本不變，只有提高塔盤效率，進(jìn)一步提高氣液兩相接觸面積，該精餾塔才能夠滿足正常生產(chǎn)要求。

3 波紋導(dǎo)向浮閥塔盤性能與改造方案

3.1 波紋導(dǎo)向浮閥塔盤性能

波紋導(dǎo)向浮閥塔板是華東理工大學(xué)開發(fā)的一種導(dǎo)向浮閥塔板，其浮閥包括人字形波紋狀的閥片和閥腿，在人字形波紋的斜面上設(shè)有導(dǎo)向孔。其主要特點(diǎn)是：導(dǎo)向氣流從閥片兩側(cè)沿著與塔板平行的方向吹出，氣流方向和液相流動成60°的夾角，產(chǎn)生斜向前的推動力。這個推動力對液體的作用可分解為兩個分力：一個分力平行于液流方向，具有導(dǎo)向作用，加速了液體的流動，克服了滯留，減小了液面梯度，并消除返混；另一個分力垂直于液流的方向，使板上氣液接觸更為充分，同時(shí)由于鄰近的浮閥吹出的氣流在垂直于液流的方向上相反，減小了對沖。波紋導(dǎo)向浮閥分有孔和無孔兩種，塔板是將兩者按一定的比例合理布設(shè)，如圖2所示。將有孔波紋浮閥布設(shè)在塔板上液體的進(jìn)口處，這樣可以利用部分氣體的動能推動液體的流動，降低液面梯度，保證了液層的均勻；同時(shí)，由于氣流的推動，停留時(shí)間不同的液體較少混合，在流程上能建立起較大的濃度梯度，可提高塔板效率。將無孔波紋浮閥排布在塔板上靠近出口的區(qū)域，減小出口處汽液對溢流堰的沖擊，從而減少了返混。

波紋導(dǎo)向浮閥具有導(dǎo)向作用，在操作時(shí)從浮閥兩側(cè)吹出的氣流以及導(dǎo)向孔中吹出的氣流能夠與塔板上的液流更充分、更均勻地接觸，加上浮閥兩側(cè)的氣體通道截面積大，且能減小氣液兩相的對沖，改進(jìn)了塔板的流體力學(xué)性能，塔板的傳質(zhì)效率顯著提高。波紋導(dǎo)向浮閥塔板具有更加優(yōu)良的流體力學(xué)性能[1]。

圖2 波紋導(dǎo)向浮閥塔盤

綜上所述，組合應(yīng)用波紋導(dǎo)向浮閥塔盤改造重整油分離塔，可以有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品收率，滿足裝置對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、改善精餾塔操作狀態(tài)的需要。

3.2 改造方案

根據(jù)工藝模擬計(jì)算得到的塔內(nèi)汽液相負(fù)荷分布的物性數(shù)據(jù)，結(jié)合組合應(yīng)用波紋導(dǎo)向浮閥塔盤特性進(jìn)行水力學(xué)核算，為達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求，在最小工作量的前提下，部分塔盤數(shù)據(jù)需要調(diào)整。計(jì)算結(jié)果見表4～5。

表4 1～17#(精餾段)計(jì)算結(jié)果(100%負(fù)荷)

表5 18～50#(提餾段)計(jì)算結(jié)果(100%負(fù)荷)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該塔整體按所擬定改造方案改造后，可滿足實(shí)際進(jìn)料下裝置規(guī)模、產(chǎn)品規(guī)格、全塔壓降及水力學(xué)要求，根據(jù)裝置實(shí)際情況，選取組合應(yīng)用孔與無孔波紋導(dǎo)向浮閥塔盤(見圖3～4)。

根據(jù)工藝模擬結(jié)果和水力學(xué)核算結(jié)果，為保證改造后重整油分離塔滿足裝置規(guī)模(操作負(fù)荷上限120%)和產(chǎn)品規(guī)格要求，以提高塔盤效率為目的，確定如下塔板及內(nèi)件改造方案：

(1)保持全塔塔板間距、塔板數(shù)不變，將全部BJ浮閥更換為華東理工大學(xué)的波紋導(dǎo)向浮閥塔盤，產(chǎn)品質(zhì)量可以滿足生產(chǎn)要求；

(2)塔板支撐件全部利用舊設(shè)備；

(3)由于塔盤開孔率增加，塔頂整體負(fù)荷超出原始設(shè)計(jì)值，需要更換重整油分離塔塔頂泵。

圖3 現(xiàn)場安裝波紋導(dǎo)向浮閥塔盤

圖4 波紋導(dǎo)向浮閥塔盤細(xì)節(jié)

4 改造結(jié)果

4.1 分離效果改善

重整油精餾塔于2017年4月按照預(yù)定改造方案進(jìn)行塔盤改造，改造期間對施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格把關(guān)，改造完成后于5月13日精餾塔開車運(yùn)行并考核其性能和產(chǎn)品質(zhì)量，結(jié)果見表6。

表6 重整油分離塔改造后性能考核結(jié)果

從以上考核結(jié)果中可以看出:改造完成后，該塔塔頂與塔底組成均發(fā)生變化，塔底甲苯含量小幅度下降，塔頂碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度下降，達(dá)到碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2.0%的改造要求，平均值為1.2%。與此同時(shí)該塔各項(xiàng)工藝參數(shù)均在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，滿足正常生產(chǎn)需要，通過改造，該塔的整體狀態(tài)并優(yōu)于改造前水平。

4.2 能耗降低

通過改造，減少了碳八芳烴物料不必要的循環(huán)，結(jié)合裝置能耗參數(shù)及碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低幅度，碳八芳烴從改造前的3.5%降低至1.2%，按照44 t/h計(jì)算，碳八減少1.012 t/h，歧化單元能耗約降低56.7 kg/h，抽提單元降低能耗30.4 kg/h，能耗共降低87.1 kg/h，經(jīng)過換算，減少經(jīng)濟(jì)損失169.4萬元。

4.3 精餾塔控制趨于穩(wěn)定

通過改造，進(jìn)料組分得到優(yōu)化分離，精餾塔波動范圍進(jìn)一步降低，靈敏板控制得到加強(qiáng)，波動幅度大幅降低。與此同時(shí)，塔頂抽出量能夠及時(shí)根據(jù)靈敏板溫度進(jìn)行調(diào)整，時(shí)效性更強(qiáng)。改造前以保障塔頂抽出穩(wěn)定為首要目標(biāo)，改造后以精餾塔靈敏溫度控制為首要目標(biāo)，改造后裝置可以將塔頂控制回路改為串接控制，根據(jù)靈敏板溫度及時(shí)調(diào)整采出量，提高了精餾塔精細(xì)化操作水平。

5 結(jié)論

經(jīng)過對重整油分離塔的塔盤改造，提高了塔盤分離效率，加強(qiáng)了氣液相的接觸，在經(jīng)過開車調(diào)整后，精餾塔分離達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)結(jié)果。

(1)重整油分離塔改造達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，在精餾系統(tǒng)其他參數(shù)正常的前提下，改造后塔頂物料的碳八芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)從之前的3.5%～4.0%降至1.2%，調(diào)整物料組成，優(yōu)化后續(xù)系統(tǒng)操作。

(2)通過改造，芳烴裝置能耗得到進(jìn)一步降低，經(jīng)過換算，能耗降低了約37.2 kg/t，年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約73萬元。

(3)重整油分離塔波動明顯降低，目前精餾塔相關(guān)控制已經(jīng)全部采用串接控制，為裝置穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。