苯乙烯精餾塔內(nèi)件性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

，

(中國石油 蘭州石化公司 合成橡膠廠，甘肅 蘭州 730060)

某6萬t/a苯乙烯裝置精餾單元中的精餾塔自2016年以來操作異常，表現(xiàn)為生產(chǎn)的苯乙烯產(chǎn)品中聚合物含量超標(biāo)。按照生產(chǎn)工藝，苯乙烯產(chǎn)品分為優(yōu)級(jí)和合格2個(gè)等級(jí)，其中優(yōu)級(jí)品要求聚合物含量不大于10 mg/kg，合格品要求聚合物含量不大于50 mg/kg[1]。精餾塔操作異常情況下苯乙烯產(chǎn)品中聚合物含量平均為36 mg/kg，不能達(dá)到優(yōu)級(jí)品要求。針對(duì)這種情況，生產(chǎn)上采取氮?dú)庠诰€吹掃的措施來維持工藝操作穩(wěn)定[2],但也只能暫時(shí)維持產(chǎn)品穩(wěn)定，效果不佳時(shí)采取的進(jìn)一步處理措施為停車清理分布器。聚合物含量超標(biāo)問題一直未得到徹底解決，嚴(yán)重影響精餾塔的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 苯乙烯裝置精餾塔內(nèi)件狀態(tài)

1.1 填料

苯乙烯裝置精餾塔采用304不銹鋼金屬波紋板規(guī)整填料，由金屬板軋制而成，安裝時(shí)上下層錯(cuò)開90°，具有阻力小、氣液分布均勻以及效率高等特點(diǎn)，適用于苯乙烯精餾負(fù)壓操作。停車清理時(shí)觀察到聚合物在填料表面和內(nèi)部均有累積，見圖1。填料網(wǎng)格表面被聚合物覆蓋，已經(jīng)失去了原有的金屬光澤，大部分填料網(wǎng)格有不同程度的聚合物聚積，部分堵塞嚴(yán)重。

圖1 填料內(nèi)聚合物累積情況

1.2 分布器

苯乙烯裝置精餾塔采用槽式液體分布器，分回流分布器及進(jìn)料分布器2種，共2組，每組分布器均由一級(jí)分布槽和二級(jí)分布槽組成。

停車清理分布器時(shí)還可見分布器分布槽內(nèi)液相分布孔內(nèi)存在局部堵塞，見圖2。這種堵塞會(huì)造液體成分布效果差，壓差略降，上升氣速加快，并引起塔內(nèi)流動(dòng)霧沫夾帶[3]。

圖2 苯乙烯精餾塔分布器內(nèi)聚合物沉積情況

2 苯乙烯裝置精餾塔性能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 總體優(yōu)化和改進(jìn)方案

苯乙烯裝置精餾單元精餾塔結(jié)構(gòu)類型為填料塔，該塔最初設(shè)計(jì)的填料型號(hào)為金屬波紋板250Y，后期出于工藝原因，將填料更換為新型金屬波紋板填料252Y[4]。

當(dāng)時(shí)分布器沒有與填料一起更換，之后的使用效果證明252Y填料與原裝分布器匹配不佳，主要表現(xiàn)為液體分布效果差、塔操作彈性較小且容易發(fā)生偏流、漏液。

經(jīng)過多方研究后決定，根據(jù)原始設(shè)計(jì)文件將填料換回250Y金屬波紋板填料，同時(shí)重新設(shè)計(jì)分布器。分布器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)都要優(yōu)化，前者以提高分布器的操作彈性為目標(biāo)，后者以提高分布器的抗堵塞能力為目標(biāo)。

2.2 分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)開孔算法

分布器為槽式液體分布器[5-9]，重點(diǎn)考慮抗堵塞能力。對(duì)分布器開孔重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，分布器液流總量為：

(1)

式中，Q為分布器液流總量，，m3/h；d為噴淋孔徑d1或d2或d3,d1為二級(jí)分布槽內(nèi)噴淋孔直徑，d2為進(jìn)料分布器一級(jí)分布槽內(nèi)噴淋孔直徑，d3為回流分布器一級(jí)分槽內(nèi)噴淋孔直徑，h為液位高度，即液面距噴淋孔中心的距離，m；n為噴淋孔個(gè)數(shù)；噴淋孔流量系數(shù)取2 826；g為重力加速度，m/s2。

2.3 精餾塔參照參數(shù)

已知精餾塔的直徑為1 800 mm,加料液體最大質(zhì)量流量為10.18 t/h、最小質(zhì)量流量為5.94 t/h、正常質(zhì)量流量為8.48 t/h、最大回流質(zhì)量流量為6.97 t/h、最小回流質(zhì)量流量為3.57 t/h、正常回流質(zhì)量流量為6.31 t/h。

以最大質(zhì)量流量、正常質(zhì)量流量、最小質(zhì)量流量均滿足工藝要求為計(jì)算條件調(diào)整噴淋孔徑，應(yīng)用式(1)對(duì)分布器的一級(jí)分布槽和二級(jí)分布槽的開孔直徑和開孔數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

2.4 分布器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

2.4.1回流分布器開孔方案

根據(jù)回流分布器開孔計(jì)算結(jié)果最終確定的開孔方案見表1～表4。

2.4.2進(jìn)料分布器開孔方案

根據(jù)進(jìn)料分布器開孔計(jì)算結(jié)果最終確定的開孔方案見表5～表8。

表1 回流分布器一級(jí)分布槽開孔方案

表2 回流分布器二級(jí)分布槽噴淋孔開孔方案

表3 回流分布器二級(jí)分布槽淚孔開孔方案

表4 回流分布器二級(jí)分布槽開孔(噴淋孔加淚孔)面積

表5 進(jìn)料分布器一級(jí)分布槽開孔方案

表6 進(jìn)料分布器二級(jí)分布槽噴淋孔方案

表7 進(jìn)料分布器二級(jí)分布槽淚孔開孔方案

表8 進(jìn)料分布器二級(jí)分布槽開孔(噴淋孔加淚孔)面積

2.4.3分布器組成及開孔說明

回流分布器和進(jìn)料分布器結(jié)構(gòu)及開孔設(shè)置相似，結(jié)合表1～表4和表5～表8說明如下：①每組分布器由10個(gè)二級(jí)分布槽組成，由于分布器整體呈圓形，所以分布槽長(zhǎng)度不一而且對(duì)稱布置，從最外側(cè)開始編號(hào)，依次為1#、2#、……、10#。②開口面積為二級(jí)分布槽內(nèi)噴淋孔與淚孔面積之和，不含溢流孔。③?10 mm溢流孔距上平面20 mm，為抗堵型設(shè)計(jì)，二級(jí)分布槽的上平面為二級(jí)分布槽上邊緣。④原分布器由某填料廠家供應(yīng)，詳細(xì)數(shù)據(jù)保密，本次分布器改造開孔計(jì)算是根據(jù)操作條件重新核算，數(shù)據(jù)變量無法核查，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，操作彈性較以前明顯增大。本次優(yōu)化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，針對(duì)實(shí)際操作中容易堵塞的情況提出分布器抗堵型設(shè)計(jì)，關(guān)鍵尺寸都是通過對(duì)原分布器實(shí)際測(cè)量對(duì)比得出。

2.5 分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.5.1增大鋸齒形溢流槽尺寸

鋸齒形溢流槽安裝在一級(jí)分布槽中，見圖2。原設(shè)計(jì)鋸齒形溢流槽尺寸(高×寬×長(zhǎng))為60 mm×150 mm×1 578 mm，改進(jìn)后的鋸齒形溢流槽的尺寸為120 mm×230 mm×1 578 mm。一級(jí)分布槽及鋸齒形溢流槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)情況見圖3。

鋸齒形溢流槽的改進(jìn)方案是經(jīng)過對(duì)液體流動(dòng)路徑和檢修情況的綜合分析，并考慮影響安裝及液體分布的前提下得到的。苯乙烯精餾塔運(yùn)行過程中，來自上層填料的介質(zhì)通過降液管收集后先流入鋸齒形溢流槽，再通過鋸齒形溢流槽上的齒流入一級(jí)分布槽中，保證液體均勻分布[10]。因此液體首先會(huì)在鋸齒形溢流槽中停留，其中大部分雜質(zhì)會(huì)在鋸齒形溢流槽中沉積。歷次檢修記錄的情況是，鋸齒形溢流槽中沉積雜質(zhì)一般兩端居多，中間偏少，雜質(zhì)沉積物在鋸齒形溢流槽內(nèi)的平均高度約為槽高的2/3，因此可以判斷增大鋸齒形溢流槽的尺寸能阻止更多的雜質(zhì)流入一級(jí)分布槽中堵塞分布孔，提高防雜質(zhì)沉積能力和分布器抗堵能力[11]。

圖3 一級(jí)分布槽及鋸齒形溢流槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)情況

2.5.2提高一級(jí)分布槽分配盒上開孔高度

一級(jí)分布槽底部有分配盒，液體通過分配盒上的溢流孔流入二級(jí)分布槽，由于雜質(zhì)的沉積會(huì)堵塞溢流孔，導(dǎo)致分布器分布能力下降。

根據(jù)檢修情況，底部沉積物的高度一般為20～25 mm，而原設(shè)計(jì)未考慮介質(zhì)中雜質(zhì)的沉積情況，開孔高度為20 mm。因此，在新的分布器中將開孔高度設(shè)計(jì)為30 mm，可以有效防止由于雜質(zhì)沉積而引起溢流孔堵塞[12]。

2.5.3提高二級(jí)分布槽中噴淋孔高度

二級(jí)分布槽底部噴淋孔是影響分布器分布能力的主要因素，在生產(chǎn)過程中，液相中雜質(zhì)不可避免會(huì)沉積。根據(jù)檢查了解到的情況，二級(jí)分布槽中雜質(zhì)沉積高度一般為30 mm，原分布器開孔高度為30 mm，滿足不了抗堵塞的要求，因此在新的分布器中將開孔高度設(shè)計(jì)為50 mm。二級(jí)分布槽開孔結(jié)構(gòu)改造情況見圖4。

2.5.4二級(jí)分布槽加裝防沖擋板

由于液體沖刷作用，分布槽內(nèi)聚合物會(huì)呈現(xiàn)兩邊多、中間少的情況，因此增加防沖擋板可避免因雜質(zhì)沉積不均勻?qū)е路植伎拙植慷氯鸬姆植疾痪鶆騕13]。改造前每塊二級(jí)分布槽獨(dú)立安裝，不但拆裝難度大，更重要的是當(dāng)一級(jí)分布槽分布孔堵塞后，流入二級(jí)分布槽內(nèi)的液體分配量不均造成分布器整體分布不均勻。因此改造后將二級(jí)分布槽兩兩配對(duì)，中間用筋板連接，并設(shè)置流體通道，這樣可以有效調(diào)整二級(jí)分布槽內(nèi)液體分配量，進(jìn)一步提升分布器分布能力。

圖4 二級(jí)分布槽開孔結(jié)構(gòu)改造情況

2.5.5一級(jí)分布槽、二級(jí)分布槽上部增加溢流孔

在一級(jí)分布槽增開?20 mm的溢流孔，距上平面20 mm；在二級(jí)分布槽頂部增加?10 mm的溢流孔，距上平面20 mm。這樣可以有效防止底部溢流孔及噴淋孔堵塞后的液體不均勻分布，從而進(jìn)一步提升分布器的抗堵塞能力。

3 苯乙烯裝置精餾塔改進(jìn)優(yōu)化效果

更換填料及分布器的改造于2016-10實(shí)施，改造前后分布槽內(nèi)沉積物情況見圖5～圖7。改造后裝置運(yùn)行周期達(dá)到2 a，期間工藝運(yùn)行平穩(wěn)，苯乙烯產(chǎn)品聚合物含量穩(wěn)定，一直達(dá)到優(yōu)級(jí)品等級(jí)。

圖5 改造前一級(jí)分布槽內(nèi)沉積物情況

圖6 改造后一級(jí)分布槽內(nèi)沉積物情況

圖7 改造前后二級(jí)分布槽內(nèi)沉積物情況

2019-06檢修，分布器一級(jí)分布槽內(nèi)雜質(zhì)很少，分布孔未有堵塞，二級(jí)分布槽內(nèi)聚合物沉積較多，但分布槽頂部堵溢流孔未有堵塞，可見改造后的分布器分布能力、抗堵能力都有了明顯提高，能夠滿足設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要[14]。

4 結(jié)語

苯乙烯精餾塔結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性，分布器的分布及抗堵塞能力在改造后有了明顯提高。經(jīng)測(cè)試塔內(nèi)黑色沉積物有磁性，初步判斷主要成分為催化劑粉塵和苯乙烯聚合物，因此可優(yōu)化工藝操作減少脫氫催化劑脫粉情況，或?qū)ΜF(xiàn)有加料絲網(wǎng)過濾器進(jìn)行改造，或使用新型阻聚劑DNBP減少苯乙烯聚合物，通過新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)的使用,從源頭解決系統(tǒng)內(nèi)聚合沉積物產(chǎn)生問題，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行周期[15]。