一種新型復(fù)合垂直篩板的工業(yè)應(yīng)用

王 煒

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

EO精制塔是環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是對主要產(chǎn)品環(huán)氧乙烷(EO)與水及EO反應(yīng)副產(chǎn)物醛等【1】的混合物進(jìn)行分離，從而獲得高純度的精制環(huán)氧乙烷[純度≥99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]，以滿足工業(yè)用環(huán)氧乙烷國家標(biāo)準(zhǔn)。

EO/EG裝置的主要產(chǎn)品為環(huán)氧乙烷和乙二醇。近年來，隨著乙醇胺、醇醚、非離子表面活性劑等環(huán)氧乙烷下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)環(huán)氧乙烷市場需求旺盛，但由于環(huán)氧乙烷具有極易燃易爆、不易長距離運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，且從國外進(jìn)口的環(huán)氧乙烷數(shù)量不多，因此國內(nèi)環(huán)氧乙烷價(jià)格一直穩(wěn)定在較高水平；而反觀乙二醇，由于受中東等地進(jìn)口乙二醇的沖擊，國內(nèi)乙二醇市場總體低迷，價(jià)格波動較大。因此，如何利用高效率和大處理能力的塔板對現(xiàn)有EO精制塔進(jìn)行擴(kuò)能改造，大幅度增產(chǎn)效益更好的環(huán)氧乙烷產(chǎn)品，成為EO/EG行業(yè)需要解決的問題。

1 新型復(fù)合垂直篩板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某高校開發(fā)的新型復(fù)合垂直篩板(簡稱復(fù)合篩板)，將立體帽罩做成梯形，并在帽罩外倒梯形空間安置了高效規(guī)整填料(見圖1)，從而將現(xiàn)有垂直篩板開孔率(最高20%)提高到超過40%，同時(shí)可改善罩間對噴狀況，降低霧沫夾帶量。因此這種新型復(fù)合垂直篩板理論上較常規(guī)垂直篩板塔板的處理能力更大，效率也更高。

該塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)置也具有特殊優(yōu)勢，除帽罩間的倒梯形罩板能夠?yàn)樘盍显O(shè)置提供支撐外，罩板還可以作為塔板的加強(qiáng)筋，從而提高了塔板的強(qiáng)度，解決了塔器大型化后的內(nèi)件結(jié)構(gòu)及安裝問題。

圖1 復(fù)合篩板結(jié)構(gòu)示意

2 新型復(fù)合垂直篩板流體力學(xué)性能

針對該塔板的流體力學(xué)性能研究表明【2】：在冷態(tài)性能測試中，該塔板較F1浮閥塔板具有更大的處理能力和操作彈性，且效率更高。

2.1 霧沫夾帶

霧沫夾帶的存在會造成液體返混，減少平均傳質(zhì)推動力，從而降低傳質(zhì)效率。當(dāng)氣速和液體量超過一定值后，會造成淹塔。因此霧沫夾帶量決定了該塔板的操作上限，是制約塔處理能力的關(guān)鍵因素。由圖2可知，在液流強(qiáng)度9.09 m3/(m·h)的條件下，按照10%的霧沫夾帶上限，F(xiàn)1浮閥塔板閥孔動能因子為18，復(fù)合篩板的閥孔動能因子為34，塔板處理能力比F1浮閥塔板提高近1.9倍。

圖2 兩種塔板的霧沫夾帶比較

2.2 漏液

低氣速時(shí)，當(dāng)液體橫跨塔板流過，由于塔板壓降較小和液面落差的存在，會從升氣孔中漏液。但隨著氣速的提高，漏液減少，直至停止。

由圖3可知，在液流強(qiáng)度45.5 m3/(m·h)的條件下，F(xiàn)1浮閥塔板漏液量較復(fù)合篩板少，按泄漏允許的10%上限，兩種塔板對應(yīng)的閥孔動能因子分別是5和8。結(jié)合圖2兩種塔板的霧沫夾帶上限可知 ，F(xiàn)1浮閥塔塔板的操作彈性為3.6，復(fù)合篩板的操作彈性為4.2以上。因此與F1浮閥塔板相比，復(fù)合篩板的操作彈性更高，有利于提高塔的處理能力和降低能耗。

圖3 兩種塔板的漏液量比較

2.3 小結(jié)

由于復(fù)合篩板設(shè)計(jì)閥孔動能因子和開孔率的提高【3】，基于冷態(tài)性能測試，塔板氣相通量可達(dá)F1浮閥塔的近2倍；同時(shí)由于強(qiáng)化了塔板的噴射操作工況，高效率帶來的回流比下降，也大大降低了塔內(nèi)氣相負(fù)荷；另外塔板板面流動的液體不含氣體，同樣截面積的降液管的通過能力也可提高1倍。因此該塔板的整體處理能力較F1浮閥塔板理論上可提高2倍以上。

3 新型復(fù)合垂直篩板的工業(yè)應(yīng)用

3.1 首次應(yīng)用在EO精制塔改造中的背景

基于上述新型復(fù)合垂直篩板的特點(diǎn)，如能應(yīng)用在EO精制塔的擴(kuò)能改造中，理論上通過更換塔內(nèi)件并對相關(guān)附屬設(shè)備進(jìn)行局部改造，就能使產(chǎn)量翻番，從而帶來較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。而現(xiàn)有的EO精制塔大多采用F1型浮閥設(shè)計(jì)，且基本屬于典型的雙組分(EO-水)體系的精餾過程，分離精度要求高，且操作彈性范圍大，這就為復(fù)合篩板的工業(yè)應(yīng)用熱態(tài)性能測試提供了很好的機(jī)會，也是檢驗(yàn)上述塔板通量、效率和操作彈性的最佳試驗(yàn)工況。為此設(shè)計(jì)單位與研發(fā)單位確定開展合作，首先在EO精制塔上進(jìn)行該塔板的工業(yè)應(yīng)用測試。

3.2 某EO精制塔改造中的首次工業(yè)應(yīng)用

3.2.1 改造前工況與改造要求

某EO精制塔，原設(shè)計(jì)采用F1型浮閥塔板，塔徑φ1 300 mm，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為1.6萬t/a(2.22 t/h)，實(shí)際操作回流比為7.2，精EO的平均含水量為180 mg/kg。

EO精制塔系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 EO精制塔系統(tǒng)流程

改造后要求產(chǎn)能提高到4萬t/a(5.55 t/h)，為原設(shè)計(jì)產(chǎn)能的2.5倍，且精EO的平均含水量≤100 mg/kg的同時(shí)，塔的回流比降至5以下。

3.2.2 工業(yè)應(yīng)用的模擬計(jì)算

對改造后的EO精制系統(tǒng)進(jìn)行PROII模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)， 在一定的回流量下，相對板效率、產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品水含量存在著一定的關(guān)系?；趶?fù)合篩板塔板的冷態(tài)性能測試，如按照板效率相對F1浮閥塔板提高20%、通量提高2倍以上設(shè)計(jì)，則不僅現(xiàn)有EO精制塔可以利舊，塔頂冷凝器、塔頂冷卻器以及塔底再沸器也能利舊，即僅需通過更換塔內(nèi)件和對配套儀表、泵、管線和產(chǎn)品冷卻器進(jìn)行相應(yīng)改造就可滿足擴(kuò)能2.5倍的要求，改造投資大大降低，同時(shí)能耗水平也可降低。

3.2.3 實(shí)施情況及應(yīng)用效果

利用停工檢修期，在不改變現(xiàn)有塔體及支撐圈的前提下，將原F1浮閥塔板(68塊+1塊采出塔板)，更換為復(fù)合篩板，其中采出塔板(第58塊)利舊；同時(shí)為強(qiáng)化傳熱，調(diào)整了塔底再沸器的安裝高度。改造后該塔一次開車成功，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求(見表1)，且長期運(yùn)行平穩(wěn)，表明該型塔板的工業(yè)應(yīng)用取得了理想效果。

由改造后標(biāo)定結(jié)果可知，相對改造前，精EO能力由2.22 t/h提高到5.60 t/h，回流比由7.2降至4.5，板效率提高了25%；產(chǎn)品中水含量由改造前的180 mg/kg降至72 mg/kg，達(dá)到了工業(yè)用環(huán)氧乙烷國家優(yōu)等品的要求(含水量≤100 mg/kg)，且操作平穩(wěn)，運(yùn)行數(shù)年來為企業(yè)新增利潤約1.5億元。

4 結(jié)語

首次工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明：該型復(fù)合篩板是一種兼具高處理能力和高效率的塔板，具有操作彈性高且易于大型化安裝的特點(diǎn)，尤其適用于需要大幅提高處理量的現(xiàn)有裝置改造中，可通過更換內(nèi)件實(shí)現(xiàn)小塔換大塔，以低周期、低成本、低能耗實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能要求。

表1 EO精制塔改造前/后的運(yùn)行情況對比