童熹琛劉日林 成賢君 中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院 杭州 310002

甲烷氯化物裝置精餾塔改進設(shè)計

童熹?。獎⑷樟?成賢君 中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院 杭州 310002

運用相關(guān)關(guān)聯(lián)式分析原有設(shè)備所存在的問題,提出經(jīng)濟和可行的改進方法,使新設(shè)備能適應(yīng)裝置擴能的需要。裝置設(shè)計運行結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確可靠。

甲烷氯化物 精餾塔 液泛 擴產(chǎn)改造

1 概述

甲烷氯化物包括一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳。

甲烷氯化物的生產(chǎn)技術(shù)有甲烷法和甲醇法,都可聯(lián)產(chǎn)四種甲烷氯化物。

(1)甲烷法是甲烷氯化物生產(chǎn)的傳統(tǒng)方法,甲烷法以天然氣為原料,對主產(chǎn)四氯化碳有利,同時生產(chǎn)四種產(chǎn)品時,比例調(diào)節(jié)范圍相對較小,尤其是主產(chǎn)三氯甲烷時,三氯甲烷和四氯化碳的比例僅能做到 4∶1。

(2)甲醇法是隨著甲醇工業(yè)的發(fā)展而迅速崛起的甲烷氯化物生產(chǎn)方法。甲醇法產(chǎn)品比例調(diào)節(jié)范圍大,一氯甲烷比例不受限制,尤其是生產(chǎn)三氯甲烷時,三氯甲烷和四氯化碳的比例可做到 12:l或更大。

2 存在的問題

浙江省某國有大型化工生產(chǎn)企業(yè)原有 3套甲烷氯化物裝置,總產(chǎn)能為 140kt/a,均采用甲醇法。2006年為了企業(yè)發(fā)展的需要,決定新增一套 55kt/a的甲烷氯化物裝置。

HCl塔 (T1)、CH3Cl塔 (T2)是該裝置氯化單元的關(guān)鍵設(shè)備,其功能是將粗產(chǎn)品中的 HCl和CH3Cl分離,流程示意見圖 1。

圖1 流程示意圖

兩臺設(shè)備原設(shè)計能力均為 45kt/a,在新裝置中要求設(shè)計能力達到 60kt/a,且操作上限在 15%以上。據(jù)該企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置 (單套裝置的最大實際生產(chǎn)能力已達到 80kt/a甲烷氯化物)的運行經(jīng)驗,在產(chǎn)能達到 60kt/a以上時,HCl塔的塔頂冷凝器列管極易堵塞、檢修清理頻繁,且 HCl塔、CH3Cl塔系統(tǒng)的操作均不穩(wěn)定。

3 分析問題

3.1 采集數(shù)據(jù)

為了更好地分析系統(tǒng)所存在的問題,采集了原有裝置 HCl塔實際運行數(shù)據(jù) (裝置實際產(chǎn)量為45kt/a的數(shù)據(jù),此時裝置操作平穩(wěn)),見表 1。

表1 原有裝置 HCl塔運行數(shù)據(jù) (wt%)

3.2 墨菲效率

利用ASPENP LUS的數(shù)據(jù)擬合功能得出兩個塔的墨菲效率 (Murphree Efficience)。將采集到的數(shù)據(jù)輸入軟件,通過計算,可得 HCl塔的墨菲效率為 0.27、CH3Cl塔的墨菲效率為 0.33。

3.3 操作曲線

原 HCl塔有 3種類型塔盤和 CH3Cl塔有兩種類型塔盤,其主要結(jié)構(gòu)見表 2。

表2 HC l塔和 CH3C l塔塔盤結(jié)構(gòu)

在 ASPEN PLUS中對 HCl塔、CH3Cl塔系統(tǒng)單獨建模,將 60kt/a的物料平衡數(shù)據(jù)和擬合所得的墨菲效率數(shù)據(jù)輸入軟件,對塔進行水力學(xué)計算。

根據(jù)塔的水力學(xué)計算結(jié)果,對兩個塔分別進行校核計算,得出其操作性能曲線如圖 2～圖 6。

圖2 改造前塔盤 1性能曲線

圖3 改造前塔盤 2性能曲線

3.4 分析

由圖 2～圖 4可以看出,HCl塔存在嚴(yán)重的液泛,正是由于這個原因,將雜質(zhì)和重組份帶到了塔頂,造成在塔頂冷凝器處冷卻結(jié)焦,堵塞冷凝器。

圖4 改造前塔盤 3性能曲線

圖5 改造前塔盤 4性能曲線

圖6 改造前塔盤 5性能曲線

由圖 5～圖 6可以看出,CH3Cl塔的操作點已經(jīng)非常接近于液泛線,生產(chǎn)負荷的波動極易引起液泛。

液泛是塔內(nèi)液體過量積聚,使液體無法從塔頂向塔底流動,影響塔的正常操作。液泛有四種類型:噴射夾帶型、泡沫夾帶型、降液管滿溢型、降液管阻塞型。前兩種類型是由板上氣相流速過快所引起,通常在塔內(nèi) L/V較小、板間距較小的低壓或減壓精餾塔內(nèi)發(fā)生;后兩種類型是由于液相流經(jīng)降液管的壓降過大、使得降液管內(nèi)液面上升所引起,通常在塔內(nèi) L/V較大的高壓精餾塔內(nèi)發(fā)生。對于浮閥塔通常驗證降液管液泛。

4 改進方案

從以上分析可以看出,HCl塔和 CH3Cl塔系統(tǒng)的問題是由降液管液泛所引起。降液管液泛與塔板鼓泡面積、開孔率、塔板間距、溢流堰長、堰高、降液管底部間隙有關(guān),可以采取增加降液管體積和增加塔盤開孔率等方法來解決。增加降液管體積意味著要加大塔的直徑或塔板間距,都將會增加設(shè)備投資。因此,在塔盤有足夠空余面積的前提下,增加塔盤開孔率是較為簡單和經(jīng)濟的選擇。

改造設(shè)計采用增加開孔率 (即增加塔盤的浮閥數(shù)目)的方法來消除降液管液泛。改進前后的對比見表 3。

表3 HC l塔和 CH3Cl塔改進前后對比

5 改進效果

改進后,HCl塔和 CH3Cl塔的操作性能曲線變化見圖 7～圖 11。

圖7 改進后塔盤 1性能曲線

圖8 改進后塔盤 2性能曲線

從圖 7～圖 11可以看出,改進后各塔盤的操作點均在其負荷性能曲線范圍之內(nèi),操作下限均在 50%以上,除塔盤 1以外,其它塔盤的操作上限均在 20%以上。由于受塔盤空間所限,塔盤 1上最多只能布置 31只浮閥,其對應(yīng)的操作上限約為 14%,如需加大其上限,則必須加大塔的直徑。就此和業(yè)主協(xié)商后認為:考慮到設(shè)備投資的經(jīng)濟性和 80kt/a非正常操作工況等因素,設(shè)計塔徑維持不變,必要時可以通過調(diào)整塔的回流比來解決。

圖9 改進后塔盤 3性能曲線

圖10 改進后塔盤 4性能曲線

圖11 改進后塔盤 5性能曲線

6 結(jié)語

該裝置 2006年底建成投產(chǎn),至今已達產(chǎn)運行兩年多。根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況來看,HCl塔和CH3Cl塔運行穩(wěn)定,HCl塔塔頂冷凝器未出現(xiàn)列管堵塞情況,達到設(shè)計改造要求。

根據(jù)ASPEN PLUS模擬計算結(jié)果,運用相關(guān)關(guān)聯(lián)式來校核原有設(shè)備的操作性能,并根據(jù)設(shè)備存在的問題提出經(jīng)濟和切實可行的改進方案,以較小的代價達到提升設(shè)備處理能力的目的,其效果得到了驗證。

1 柴國墚.國內(nèi)外氯仿市場分析報告 [J].中國石油和化工經(jīng)濟分析,2003(20):35-41.

2 田 言.我國甲烷氯化物產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展建議 [J].化學(xué)工程師,2008(8):24-26.

3 化工單元操作設(shè)計手冊.化學(xué)工業(yè)部化學(xué)第六設(shè)計院出版,1987.

4 吳俊生,邵惠鶴.精餾設(shè)計、操作與控制 [M].北京:中國石化出版社,1997.

2010-07-19)

＊童熹琛:工程師。2002年7月畢業(yè)于重慶大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)。一直從事化工設(shè)計工作。聯(lián)系電話:13456761313,E-mail:txch1980@126.com。