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精馏 | 陈年老装置 这样合理改造才能节省费用!

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作者:中天资讯来源:山东中天科技工程有限公司网址:http://www.sdztte.com

本文

导语

     为提高塔的处理能力着手进行改造时,需要解决一些问题,如老设备有多少潜力,限制老设备处理能力的关键因素是什么,采取什么办法进行改造既经济又能满足增产的要求,这里的关键问题实质上是塔的最大处理能力的预测。

       但是,此时与设计阶段有所区别,在挖潜改造时要求预测更加精确,10%~20%的误差在设计阶段一般是可以允许的,但在挖潜改造时这样的误差就太大了。

      此时,有利的地方是已有老的装置,有丰富的操作经验和有关资料。应该充分利用这些有利条件使预测更正确、切合实际。消除瓶颈阶段的最大能力预测是以可靠的测定为基础,而不是一般的关联式。应该说这是处理老装置改造的一个基本观点,对于提高产品质量和节能也一样。

      为得到老装置的最大处理能力,即最大的原料加工能力或最大的产品量,应进行两项试验。

      首先,改变进料位置,确定最佳进料位置;再逐步减小回流比R,同时检验产品的质量, 定出生产含格产品必须采用的最小操作回流比值。如此值比平常生产操作的R小,说明塔有一定余力。最后,在此最小操作回流比下作塔的液泛试验,确定塔的最大通量。

      通过上述试验可以推算出老装置的最大原料加工能力或最大产品量,如果这个处理量已能满足增产要求,即问题完满结束。如果尚有一定差距,则应对塔进行改造。

      此时,需确定限制塔处理能力的因素,再决定改造方案。对塔进行模拟计算在设备改造中能起重要作用,但是模拟计算中所用的各类关联式和基本数据,必须用精馏塔的有关实测数据进行校核,保证模拟计算的结果能代表塔的真实运行情况。精馏塔模拟计算中最基本的关联式和数据有如下几个方面。

1. 相平衡关联

      关联最好从实测的相平衡数据导出,而且实测数据要有高的质量。即要通过热力学一致性检验,应用建立的关联预计出的相平衡数据与实测值的误差要小,而且实测数据的浓度范围应覆盖塔中全部浓度范围,避免外推。

      例如,产品的浓度为99.5%,而实测数据仅有95%或更小,这样的实测数据范围嫌窄,95%到99.5%看来外推不多,但真是这一范围的提纯需用很多塔板数,稍有误差会明显影响计算值。

2. 传质效率数据

      板式塔往往用塔效率,也可以对精馏段和提馏段取不同数值,填料塔则用HETP。有了正确的相平衡关联,从实测的产品组成、进料组成和热状态、进料量和严品量、回流比和操作压力,以及侧线位置、抽出量和组成(如果有的话),就可以通过模拟计算得到全塔(及各分段)实际具有的理论板数,从而得到塔效率(或各分段效率)或HETP。

      在这一测试中回流比宜取得大一些,以避免关键组分的分离发生夹点问题,得出错误结取,对于填料塔测试需特别注意液体分布器的分布质量。核查结构图纸可以获得分布器设计的分布质量,一般说来能正常操作并达到设计指标的塔,其液体分布器分布质量是能达到设计要求的,如果生产操作中怀疑液体分布器的分布质量冋题,则可以通过现场测试来鉴定。

      为严格校验平衡数据和效率与生产操作是否相符,在现场测试中应设法测得沿塔高的温度分布,当然能测得沿塔高的浓度分布就更好了,应用这些数据核对模拟计算结果,反复分析调整关联就能得到更切合实际的相平衡关联和效率数据。

3. 汽液两相的焓关联

      能有实测数据核对最好,但这方面数据并不多,往往只能选择文献中比较一致推荐的一些关联。焓的正确性主要影响塔中汽液两相流率和冷凝器、再沸器的热负荷,要是热负荷的误差较小,用其进行模拟计算的结果是可以接受的。

4. 塔盘或填料塔的一些流体力学性能关联

      最主要的是液泛汽速和扭降的关联,首先需要判别液泛的起因,再选择和核对所用的关联式。基斯特给出了一个实例,由于填料塔供应商的液泛关联过分乐观,而误导改造后可能实现的扩产率。了解文献中各关联所根据的实验数据的多少,变量变化范围、实验物系等,对正确选择可靠的关联十分重要。

      正确选择合适的各种关联,利用工厂装备和必须的试验测定数据校核关联,使模拟计算结果能够正确反映塔中的实际状况,随后才可能使模拟计算在确定限制设备处理量的主要因素和制定改造方案中作为有用的工具。




增加塔处理能力的办法

改变塔设备内件。


因地制宜地改造流程。


提高塔的操作压力,此外靠增加塔板来减小回流比,也能起到增产作用。

1. 改造塔设备内件

(1)应用新型高效填料代替较老型式的填料或塔板

      第三代填料和规整填枓比第二代填料具有更低的降压、更高的效率(HETP小)和通量(FP小),用以替代老的填料后,塔的液泛汽速(即通量)直接得到了提高;另外,同样高度的填料层具有的理论板数得到了增加,于是操作回流比可以减小,间接地增大了原料处理量和产量。有一点需要强调,即液体的分布器和再分布器也需作改造,以适应新型高效填料的要求。

      填料塔和板式塔在最优状态下操作,在减压、常压和低压下操作,规整填料在效率和通量上均占优势;在高压情况下(>2MPa),规整填料的上述优点已趋消失,高效散装填料则具有一定优势。在塔的改造中,利用填料代替塔板,增产效果会更显着些,因为每块理论板的压降几乎可以降低90%。

      一般每块塔板的压降在0.4~1.05kPa之间,减压精馏时低一点,而金属矩鞍环等散装填料的压降可低达55Pa/理论板,规整填料则可达13Pa/理论板。这一突出的优点使它在高真空精馏塔的改造中具有明显的优势,因为这时塔径的计算是由规定压降决定的,压降小的填料可以采用高一些的汽速。

      据斯特赖格尔估计,在相同的压降小,金属矩鞍环填料能比板式塔的处理能力大70%左右,面应用规整填料则能取得更大的生产能力。应用高效填料改造苯乙烯精馏塔是取得巨大经济效益的典型例子,天津大学应用板波纹规整填料成功地改造了十余座这种塔。

      这种改造不单单能扩大产量,而且还因塔底温度和整个提馏段平均温度的降低,以及塔中持液量的减小(停留时间因此缩短),而基本上消除了苯乙烯聚合的损失,提高了苯乙烯得率。

      对于常压和高压精馏,填料塔的阻力小、持液量小的优点已不重要,但用填料代替板式塔仍能取得相当明显的增产效果。布赖尔利虽然认为在高压(>2MPa)下用板式塔比较可靠,因为已有长期成功应用的经验,但还是承认在高压下用散装填料可以取得明显的效果。

      而规整填料比起板式塔来,在低压区的绝大部分场合均具有吏大的处理能力和效率。斯特赖格尔认为,在高压塔中用金属矩鞍环代替塔板约能取得25%的增产效果。

      其主要原因是高压下板式塔必须花费相当大的区域用于溢流区,而填料塔的全部区域均能用于两相接触传质。在30万吨乙烯装置的高压脱甲烷塔中,将限制产量部分的浮阀改用金属矩鞍环取得20%左右的增产效果。

      在高压区规整填料的应用还不广泛,应用时需小心。文献中已有用干脱甲烷塔(压力3MPa),脱丙烷塔(1.8MPa)、脱乙烷塔(2MPa)和C3/C4塔(3.2MPa)等改造成功的例子,增产效果达20%?25%,不过分离效率没有低压时好,还有待进一步研究。

      有文献报道,美国精馏研究公司在3.2MPa压力下,对因泰洛克斯2T规整填料进行工业规模试验,试验物系为异丁烷-正丁烷,对于分离效率和通量未能得到一致满意的结果。

      当采用填料代替塔板时,塔内原有的塔板支承圈必须拆除,残留的宽度应小于12mm,否则将造成液体的大尺度不良分布,降低分离效率,还会降低塔的通量。此外,原料,蒸汽接口和测压测温等仪器接口也必须仔细定位检查,有时需移位。

      有一点需指出的,现在讨论的是塔的增产改造,通过塔内件改造即能满足增产要求,总比造一座新装置经济,即使改用的内件价格高一些也合算。这与筹建新厂的设计不同,决不是在任何情况下,填料塔总是比板式塔好。

(2)对原有塔板结构尺寸改造或选用效率高和处理量大的新型塔板

       一般原设计因各项关联的误差等,都采用安全因素使设计更加可靠,这也为进一步增产挖潜提供了可能。不过往往因某一项因素的限制,不经适当改造难以有大的增产。

       在对塔板流体力学的关联用实测数据进行校核后,能使重新设计计算切合实际,能发现限制因素,而且可能达到最佳结构。卡普斯建议用塔板负荷性能图来判别(图7-1)。

图7-1 判别塔板结构尺寸是否最佳化了的符合性能图

       图7-lb所示为降液管满溢液泛过早发生,可通过调整塔板开孔率、溢流堰高、降液管底隙或板间距达到最佳;图7-1c所示为降液管截面太小,其阻塞液泛限制了塔的处理能力;图7-ld所示为过量雾沐夹带或夹带液泛限制了塔的处理能力,可通过调整板间距、堰高和孔径等实现最优。塔板通过合理改造后,有可能得到较大程度增产而满足要求。

       结合具体分离的物系、操作条件和汽液相负荷情况,选择特别适合的新型塔板 也是实观塔增产改造的途径,导向浮阀看来可以广泛地代替筛板和浮阀塔板,取得增产效果。

2. 改造流程

      当闲置的塔其分离能力和处理能力均不符合要求时,但与现在生产塔组合后,其处理能力将较明显的提高。图7-2所示为三种可能的组合方案,可以通过流程模拟决定出最合适的组合。

图7-2 闲置塔与生产塔的组合方式

1-生产塔;2-闲置塔

      当某产品的分离由先后扩建成的两座塔串联组成时,用作精馏段的塔明显地比提馏段的处理能力大,同时提馏段液泛严重地限制了整座塔的处理能力。

      为提高整座塔的处埋能力,可在精馏段塔的下部增设中间再沸器,使提馏段的汽液相负荷转移一部分给精馏段,达到两段负荷均衡,实现增产的目的。从能量利用的角度看,中间再沸器输入的热量仪能在精馏段发挥分离作用,利用率较差。如果工厂有剩余的低温热源可用,即可实现能量的合理综合利用。

      在塔高允许增加的条件下,适量增加一些塔板数(可使R降低),调整进料口位置到最佳处,以及调整进料热状态(如提馏段是限制处理量的关键,改为汽液相混合进料或汽相进料)等,均能起到适量提产目的。

3. 提高塔的操作压力

      采用加压操作的原因是希望升高塔顶冷凝器的温度,以便可以采用空冷、水冷或温度高一些的致冷剂;而采用减压操作的原因是为了降低塔釜温度,以避免物料过热变质或发生结焦、聚合等,或为了可以用水蒸气或温度稍低一点的加热剂。

      由此可见,只要塔釜温度不是受物料变质、聚合或结焦的发生而规定的,塔压是否可以升高则是一个经济核算的问题,如能靠升高压力而实现增产目的,从而节省新建装置的投资,往往在经济上是有吸引力的。

      增加压力之所以能增产,这是因为压力升高,蒸汽密度成正比例增大。塔压升离虽则塔的液泛汽速将减小一些,但是塔的允许汽体质量流率将得到较大提高。

      如果回流比不变,也就是塔的产量或处理原料量将得到同样的提高。但随压力的成倍增加,相对挥发度也略有降低,于是最小回流比有所增加,操作回流比也随之增大,这将部分抵消pG和增大的增产效果。

      一般说来,减压精馏和接近常压的精馏,容易实现加压增产的改造,因为只要增加较小的绝对压力即能实现pG的成倍增大,不会有设备强度问题。高压精馏要使pG成倍增大将会遇到设备强度问题,而且高压填料塔的正常操作更困难,板式塔也可能引起降液管过小的问题。