(中國石化 金陵石化有限公司 烷基苯廠， 江蘇 南京 210046)

經(jīng)驗(yàn)交流

烷基苯裝置脫烷烴塔效率下降原因分析及改進(jìn)措施

蔣鋒

(中國石化 金陵石化有限公司 烷基苯廠， 江蘇 南京 210046)

對烷基苯裝置脫烷烴塔分離效果的影響因素進(jìn)行了分析，指出分離效果不佳的原因是由塔內(nèi)件設(shè)計(jì)、分配器以及填料選型等方面存在問題所導(dǎo)致。采取了增加閃蒸進(jìn)料器、更換三級導(dǎo)板窄槽式液體分布器以及更改新型填料等措施，工業(yè)應(yīng)用的結(jié)果表明，塔頂烷基苯的損失小于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))且塔底粗烷基苯中不含烷烴，這兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期工藝設(shè)計(jì)的目的。在烷基苯回收率得到大幅度提高的同時，整個烷基苯裝置的操作費(fèi)用也有所降低。

烷基苯裝置； 脫烷烴塔； 分離精度； 故障診斷； 改進(jìn)措施

金陵石化烷基苯廠烷基苯聯(lián)合裝置于1976-10全套引進(jìn)美國環(huán)球油品公司(UOP)技術(shù)，由意大利歐洲技術(shù)公司承包，采用了脫氫-烷基化工藝生產(chǎn)烷基苯，初始設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5萬t/a，經(jīng)過2010年擴(kuò)能改造，生產(chǎn)能力達(dá)到15萬t/a。

脫烷烴塔的作用是將未反應(yīng)的烷烴與粗烷基苯分離。UOP原設(shè)計(jì)要求，脫烷烴塔的塔頂餾出物中不含烷基苯，塔底產(chǎn)品粗烷基苯中烷烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.5%。2011年，烷基苯裝置擴(kuò)能改造至20萬t/a后，該塔分離效果一直不佳，塔頂烷基苯損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2%，文中對此進(jìn)行了討論與分析。

1 烷基苯裝置簡介[1]

1.1

工作原理

烷基苯聯(lián)合裝置由脫氫單元和烷基化單元組成，脫氫單元主要是將C10～C13直鏈烷烴脫氫后，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右的脫氫油送至烷基化單元，烷基化單元采用氫氟酸-烷基化法，在催化劑氫氟酸存在的條件下，苯和C10～C13直鏈烷烯烴混合物中的烯烴進(jìn)行烷基化反應(yīng)，生成工業(yè)直鏈烷基苯的混合物，經(jīng)過脫苯、脫烷烴、烷基苯精餾等過程，制取高質(zhì)量的工業(yè)直鏈烷基苯。

氫氟酸-烷基化法工藝流程示意圖見圖1。

圖1 氟化氫-烷基化法工藝流程示圖

1.2脫烷烴塔簡介

脫烷烴塔為負(fù)壓操作，壓力在8 kPa(絕)附近，其流程示意圖見圖2。

塔頂端設(shè)置一段接觸式全凝段，內(nèi)部裝填規(guī)整填料，用冷回流接觸取熱，冷凝后進(jìn)入頂部集油箱，被塔頂泵抽出，第一部分作為熱回流至精餾段上方，第二部分作為塔頂出料返回至脫氫單元重復(fù)使用，第三部分進(jìn)入冷卻器被冷卻后以冷回流進(jìn)冷凝段循環(huán)取熱。塔底粗烷基苯送至下游分餾塔進(jìn)行精制。

若該塔分離不好，頂部烷烴中烷基苯含量過高，除了產(chǎn)品損失外，還會使脫氫單元的脫氫催化劑結(jié)焦失活加快，影響運(yùn)轉(zhuǎn)周期，同時還造成產(chǎn)品烷基苯質(zhì)量下降。塔底的烷基苯對烷烴含量有著嚴(yán)格要求，超過0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))即視為產(chǎn)品不合格。

圖2 脫烷烴塔流程示圖

2011-11，烷基苯裝置擴(kuò)能改造時，對脫烷烴塔進(jìn)行了整體更換。更換后塔分離效果不佳，塔頂中烷基苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為2%，造成一定的烷基苯損失。2012-04，再次對該塔內(nèi)件進(jìn)行檢查整改，但分離效果未見好轉(zhuǎn)。為此，提出了在脫烷烴塔下游串聯(lián)1個附加塔(烷烴再分離塔)的解決方案。

經(jīng)過此次改造后，脫烷烴塔降溫操作，保持塔頂烷烴中含少量烷基苯(小于0.5%)，塔底約含8%烷烴的粗烷基苯送至烷烴再分離塔進(jìn)行再次分離。烷烴再分離塔頂帶少量烷基苯物料返回至脫烷烴塔，塔底粗烷基苯送至下游裝置繼續(xù)分離，保證了塔底物料烷烴含量不大于0.5%。

2013-10，針對脫烷烴塔分離效果不佳，增加1個烷烴再分離塔所帶來的高能耗情況，再次進(jìn)行了詳細(xì)的原因分析，并提出了對應(yīng)的整改措施。

2 脫烷烴塔效率下降原因分析

2.1

脫烷烴塔處理量

該塔進(jìn)料組分中烷烴與烷基苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比接近6∶1(與設(shè)計(jì)值相符)。因此，精餾段與提餾段的氣液負(fù)荷相差很大。2011-11更換塔體時，考慮到氣相負(fù)荷相對較大、液相負(fù)荷相對較小的特性，將原精餾段、提餾段直徑均為5.2 m改成了精餾段直徑為6.4 m，提餾段直徑為5.2 m，即上大下小的塔體結(jié)構(gòu)。

為了消除處理量超負(fù)荷造成分離效果不佳的影響，一方面對裝置進(jìn)行了降量生產(chǎn)，降回至15萬t/a處理量，仍未發(fā)現(xiàn)有好轉(zhuǎn)跡象。另一方面聯(lián)系相關(guān)設(shè)計(jì)院，利用填料的氣液相參數(shù)對最大氣相負(fù)荷因子進(jìn)行核算。核算結(jié)果表明，該塔在設(shè)計(jì)處理能力的情況下，其氣液負(fù)荷遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)的極限負(fù)荷。由此說明，該塔的設(shè)計(jì)塔徑足夠大，處理量不是造成分離不佳的因素之一。

2.2安裝質(zhì)量[2]

填料塔對內(nèi)件的安裝有一定要求，主要考慮塔內(nèi)是否有不良液體分布、周邊噴淋點(diǎn)離塔壁的距離及填料堆放角度等是否滿足要求。

2012-04開塔檢查時，對分布器、再分布器、密封墊等安裝質(zhì)量，分布器水平度，填料堆放角度及防壁流情況進(jìn)行了整改，投運(yùn)后分離效果仍無實(shí)質(zhì)性改善。因此，可排除因塔內(nèi)件安裝質(zhì)量引起塔效下降的因素。

2.3進(jìn)料分配器

該塔的進(jìn)料溫度為230 ℃，為過熱進(jìn)料。進(jìn)料組分中烷烴含量較高，約占85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。經(jīng)過進(jìn)料控制閥減壓后，烷烴迅速絕熱汽化，體積急劇膨脹， 氣化率的理論計(jì)算值大于86%，進(jìn)塔氣相流速高達(dá)600 m/s。

雖然2011-11在裝置擴(kuò)能改造中將塔精餾段擴(kuò)徑至6.4 m，若使用普通進(jìn)料分配器及原750 mm進(jìn)料管徑，則管內(nèi)氣速過大，無其他分離防護(hù)措施情況下會存在霧沫夾帶、偏流及湍流等不安全狀態(tài)[3-5]，對塔的正常傳質(zhì)傳熱形成不良影響，使分離效果變差。因此，進(jìn)料分配器管徑太小是造成塔頂含烷基苯超標(biāo)的原因之一。

2.4液體分布器

原分布器選用了槽盤式液體分布器。此分配器對大塔徑的塔水平度要求較高，且需制作精良。氣液兩相間傳質(zhì)主要在填料表面流動的液膜上發(fā)生，要形成良好的液膜，填料表面必須被液體充分地濕潤，而濕潤狀況取決于液體噴淋密度以及填料表面的潤濕性能[6,7]。

低氣液負(fù)荷下的物系均勻分布問題對于不同物系、不同類型和規(guī)格的填料，噴淋點(diǎn)最低密度要求是不盡相同的，特別對于大塔徑時，不僅要解決均勻分布，而且還要解決填料表面潤濕問題，過低噴淋點(diǎn)密度極易造成液膜形成不好，基至部分區(qū)域填料表面可能出現(xiàn)干板現(xiàn)象[8]。普通液體分布器無法很好解決上述問題，氣液相無法在塔內(nèi)均勻有效接觸，造成填料無法充分發(fā)揮其潛在效率。因此，選擇合適的液體分布器至關(guān)重要。

2.5傳質(zhì)單元數(shù)

傳質(zhì)單元數(shù)主要取決于物質(zhì)體系、填料幾何特性和操作條件[9,10]。根據(jù)工藝模擬計(jì)算，該塔烷烴與烷基苯的分離并不困難，所需的傳質(zhì)單元數(shù)并不多，只要能滿足設(shè)計(jì)條件，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

原塔精餾段、提餾段設(shè)計(jì)均為兩段各4 000 mm的JKB-250Y，計(jì)算結(jié)果表明，精餾段、提餾段的水力學(xué)性能可以滿足分離要求?？稍谟?jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，該塔精餾段的氣液負(fù)荷相對已經(jīng)較高，在噴淋點(diǎn)密度已經(jīng)很高的情況下，選用比表面積較高的250Y型填料，同樣易造成填料內(nèi)部液膜形成不均甚至出現(xiàn)夾帶、返混現(xiàn)象，分離效果變差，這是造成分離不佳的又一原因。

綜上所述，液體分布器選型不合適是造成分離不佳的主要原因，進(jìn)料氣速過大和填料選型與該物系不匹配也加劇了該塔分離效果不佳。

3 改進(jìn)措施

3.1

增加閃蒸進(jìn)料器

該塔進(jìn)料汽化率的理論值大于86%，為了消除因烷烴迅速絕熱汽化而形成高速氣流的影響，需在塔內(nèi)增加1套能使氣液相分離的進(jìn)料器。

選用一種雙切向環(huán)流式閃蒸進(jìn)料器，該進(jìn)料器可以準(zhǔn)確控制液體在進(jìn)料區(qū)域停留時間，直至汽液兩相完全分離，起到1塊理論板的效果[11,12]。

鑒于該進(jìn)料分配器要求進(jìn)料氣速不能過大，因此，擴(kuò)大了進(jìn)料口管徑，將進(jìn)料口管徑由750 mm調(diào)整為1 000 mm，管徑總截面積擴(kuò)大近4倍，大幅降低了氣速，并在該區(qū)域留有一定的蒸發(fā)空間，以提高進(jìn)料位置氣液分離效率，見圖3。

圖3 進(jìn)料管徑及分配器示圖

3.2更換為三級導(dǎo)板窄槽式液體分布器[13-15]

為很好解決低氣液負(fù)荷下物流的均勻分布和表面潤濕問題，選用一個三級導(dǎo)板窄槽式液體分布器。該分布器為深圳誠達(dá)公司2012年專利技術(shù)產(chǎn)品，主要由液體預(yù)分布管、主槽、窄槽及導(dǎo)流管組成，在窄槽上、下部的兩側(cè)壁上分別開有兩排大小不等的溢流孔，同一垂直線上的小孔用導(dǎo)液管罩住，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 三級導(dǎo)板窄槽式液體分布器

與傳統(tǒng)的窄槽式液體分布器相比，三級導(dǎo)板窄槽式液體分布器分布效率可提高10%～60%，操作彈性比可達(dá)3∶1，可在導(dǎo)板底緣形成非常均勻、連續(xù)性的液膜，特別對于低液量工況，還能在導(dǎo)板底緣形成與槽平行、均勻的液滴，液滴下降距離越長則效率提高的越大，這種結(jié)構(gòu)能很好地協(xié)調(diào)、選擇槽上孔數(shù)、孔徑、孔間距的結(jié)構(gòu)布置，以達(dá)到液體分布均勻及對填料表面潤濕的要求。在很低液量的情況下，三級導(dǎo)板上還設(shè)有按照一定規(guī)則排列的凹型坑，能消除液體在金屬表面上收縮導(dǎo)致的不均勻分布，從而有效地防止液體分布不均，部分消除工業(yè)安裝分布器時水平度誤差所引起的不均勻度。

3.3更換高效填料

根據(jù)該塔不同氣液負(fù)荷，在不同位置選用不同型號的填料。在全凝段，因需將氣相完全冷凝，液體噴淋點(diǎn)密度較大，而且還要保證一定的氣液接觸面積。因此，選取了傾角小的填料，第1冷凝段采用CDP-FX型填料，第2冷凝段則采用了CDP-FX、CDP-DX、CDP-BX型填料。

為確保分離效果，保證有足夠的傳質(zhì)單元數(shù)，對精餾段采用稍大傾角而比表面積中等的CDP-HZ型規(guī)整填料進(jìn)行改造，對提餾段選用一種分離效果較好、比表面積較大而阻力降很小的CDP-JY型填料進(jìn)行改造。因該塔塔徑較大，為防止填料內(nèi)氣液兩相分布不均，使物料在收集和再次分布過程中完成氣液兩相的橫向接觸，消除因壁流、溝流等引起的不均勻分布，消除氣液兩相中的橫向濃度差，在改造中繼續(xù)沿用了填料分段安裝方法。

改造前、改造后脫烷烴塔塔內(nèi)結(jié)構(gòu)件的示意圖見圖5。

圖5 改造前后脫烷烴塔塔內(nèi)結(jié)構(gòu)示圖

4 運(yùn)行效果

脫烷烴塔改造后于2013-12-16投運(yùn)，2013-12-23生產(chǎn)出合格的烷基苯，主要運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 脫烷烴塔改造前后相關(guān)參數(shù)

從表1可見，①改造后裝置處理量提升，比設(shè)計(jì)值高出10 t/h。②塔頂含烷基苯量下降，小于0.1%，降低了烷基苯損失,保障了脫氫催化劑長周期運(yùn)行。③塔底不含烷烴，保證了烷基苯質(zhì)量合格。④塔壓有所上升，但符合設(shè)計(jì)值。⑤回流量降低約33%，極大降低了該塔能耗。⑥塔底產(chǎn)品合格，取消了烷烴再回收塔，降低了裝置整體能耗。

5 結(jié)語

脫烷烴塔改造運(yùn)行至今，塔分離效果明顯改善，未發(fā)現(xiàn)頂?shù)谆С瑯?biāo)現(xiàn)象，提高了烷基苯回收率，滿足了工藝生產(chǎn)需求。取消了烷烴再回收塔，每年可以節(jié)約操作費(fèi)用約400萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 蔣鋒．烷基苯裝置循環(huán)苯純度下降原因分析[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2016，17(4)：11-14.

(JIANG Feng. Analysis on the Reason of the Decrease of Circulating Benzene Purity in Production of Linear-Alkylbenzene[J].Advances in Fine Petrochemicals，2016，17(4)：11-14.)

[2] 王樹楹．現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南[M]．北京：中國石化出版社，1998：191-194.

(WANG Shu-ying. The Technique Guidebook of Modern Packed Tower [M].Beijing:China Petrochemical Press Co. Ltd.，1998：191-194.)

[3] 隋秀華，黃云前，曾現(xiàn)偉，等．基于流體動力學(xué)的液體分布器分布孔結(jié)構(gòu)對出流均勻性的分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，24(1)：245-250.

(SUI Xiu-hua，HUANG Yun-qian，ZENG Xian-wei，et al．The Analysis of Hole Structure in Liquid Distributor on Uniformity of Out flow[J]. Science Technology and Engineering，2016，24(1)：245-250.)

[4] 王翊紅，黃維秋，王文捷，等．噴淋密度對吸收塔液體分布器分布性能的影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，35(15)：218-224.

(WANG Yi-hong，HUANG Wei-qiu，WANG Wen-jie，et al．Experimental Researching of the Influence of Sprinkle Density to the Distribution Performance of the Liquid Distributor in the Absorption Liquid Tower[J].Science Technology and Engineering，2015，35(15)：218-224.)

[5] 孫磊，王兵，白冰冰，等. 液體分布器布液均勻性影響因素綜合分析[J]. 山東化工，2016，45(10)：76-78，82.

(SUN Lei，WANG Bing，BAI Bing-bing，et al. The Comprehensive Analysis of Liquid Distributor Liquid Distribution Uniformity Factors[J]. Shandong Chemical Industry，2016，45(10)：76-78，82.)

[6] 李群生.新型高效填料塔的研究及其應(yīng)用[J]．維綸通訊,2006, 26(2)：33-37．

(LI Qun-sheng. Research and Application of New Type High Efficiency Packing Tower[J].Vinylon Communication，2006，26(2)：33-37．)

[7] 蘭仁水，朱慧銘，王樹楹．精餾塔塔型及塔內(nèi)件選擇[J]．石油化工設(shè)計(jì)，1993，10 (1)：16-21.

(LAN Ren-shui，ZHU Hui-ming，WANG Shu-ying. Type Rectifying Tower and Tower Internals Selection[J]. Petrochemical Design，1993，10 (1)：16-21.)

[8] 李小龍．烷基苯裝置脫烷烴塔塔效降低原因分析及解決方法[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2004，5(6)：39-43.

(LI Xiao-long．Analysis and Resolzvent of Lower Efficiency of Paraffin Tower in LAB Plan[J].Advances in Fine Petrochemicals，2004，5(6)：39-43.)

[9] 郭強(qiáng)，祁貴生，劉有智，等. 不同規(guī)整填料旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能對比[J]. 化工進(jìn)展，2016，35(3)：94-100.

(GUO Qiang，QI Gui-sheng，LIU You-zhi，et al. Comparative Study of Mass Transfer Performance of Different Structured Packings in Rotating Packed Bed [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35(3)：94-100.)

[10] Mayurkumar S Gandhi，Arijit A Ganguli，Jyeshtharaj B Joshi，et al．CFD Simulation for Steam Distribution in Header and Tube Assemblies[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90：487-506.

[11] 李學(xué)斌，李放，陳新,等．填料塔中的液體分布器[J]．氯堿工業(yè)，2006(3)：44-45.

(LI Xue-bin，LI Fang，CHEN Xin，et a1. Liquid Distributor in the Packed Column[J]．Chlor-Alkali Industry，2006(3)：44-45.)

[12] 秦總根，涂偉萍．填料塔內(nèi)液體分布器的改造與探討[J]．化學(xué)工業(yè)與工程，2003，20(6)：85-89.

(QIN Zong-gen，TU Wei-ping. Modification and Research of Liquid Distributor in the Packed Column[J]．Chemical Industry and Engineering，2003，20(6)：85-89.)

[13] 錢建兵，朱慎林.窄槽式液體分布器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2004，33(1)：27-30.

(QIAN Jian-bing，ZHU Shen-lin. Design and Application of Orifice Trough Liquid Distributor[J].Petro-chemical Equipment，2004，33(1)：27-30.)

[14] 孫希瑾，陳建娟，秦嶺．大型填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)計(jì)，2002(1)：10-15．

(SUN Xi-jin，CHEN Jian-juan，QIN Ling. Design and Application of Liquid Distributor in Large-sized Packing Tower[J]．Petrchemical Design，2002(1)：10-15.)

[15] 董誼仁．填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)[J]．化工生產(chǎn)與技術(shù)，1998(1)：1-10．

(DONG Yi-ren. The Design of Liquid Distribution in Packed Columns[J]．Chemical Production and Technology，1998(1)：1-10．)

(許編)

AnalysisandRectificationMeasuresofLowerEfficiencyofParaffinTowerinAlkylbenzenePlant

JIANGFeng

(LAB Plant of Jinling Petrochemical Corporation, SINOPEC, Nanjing 210046, China)

Through the analysis of various factors and affect separating of paraffin tower of alkylbenzene unit, causes existing in tower internal design, liquid distributor and packing type selection were found and corresponding improvement measures including adding flash feeder,replacing of slot liquid distributor with three-stage guide plate and new type of packing etc. were taken. Industrial application showed that expected process design indexes were achieved with a tower top loss than 0.5%(mass fraction) and no alkanes in tower bottom crude alkylbenzene. As a result, alkylbenzene recovery rate has been greatly improved as well as operation cost of the whole unit has been reduced.

alkylbenzene unit; paraffin tower; separation accuracy; trouble-shooting; improvement measures

TQ050.7； TE962

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.012

1000-7466(2017)04-0063-05①

2017-03-10

蔣 鋒(1983-)，男，寧夏中衛(wèi)人，工程師，碩士，主要從事烷基化工藝技術(shù)管理工作。