劉永莉

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

急冷油塔系統(tǒng)與急冷水塔系統(tǒng)和稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)一起構(gòu)成乙烯分離的重要系統(tǒng)單元——裂解氣預(yù)分餾系統(tǒng)，也稱為急冷系統(tǒng)。經(jīng)預(yù)分餾處理后的裂解氣再送到下游的壓縮、冷分離和熱分離等系統(tǒng)單元，最終分離出乙烯、丙烯等產(chǎn)品。采用石腦油、加氫尾油、輕柴油等餾分油作為主要原料的裂解裝置所產(chǎn)裂解氣中富含相當(dāng)量的輕、重燃料油餾分，為避免這些燃料油餾分與水混合后發(fā)生乳化而難于進行油水分離，必須在冷卻裂解氣的過程中先將裂解氣中的燃料油餾分分餾出來【1】，因此必須設(shè)置急冷油塔。急冷油塔的主要作用可以概括為：1)冷卻來自裂解爐的裂解氣；2)冷凝并分離裂解氣中的重的副產(chǎn)品；3)獲取干點合適的汽油及閃點合適的燃料油；4)最大限度從裂解產(chǎn)物中回收熱量。

急冷油塔系統(tǒng)的操作性能和處理能力直接影響著整個乙烯裝置的生產(chǎn)負荷和能耗水平。對于大型乙烯裝置擴能改造項目，急冷油塔改造方案的確定非常關(guān)鍵，需針對裝置原料特點、裂解產(chǎn)物組成、塔內(nèi)氣液負荷增幅、能量的合理利用等各方面進行綜合分析和研究。

1 急冷油塔系統(tǒng)流程技術(shù)特點

某國產(chǎn)化大型乙烯裝置急冷油塔系統(tǒng)的流程示意如圖1所示。

圖1 某乙烯裝置急冷油塔系統(tǒng)流程示意

急冷油塔自上而下分為精餾段、盤油循環(huán)段、急冷油循環(huán)段3個部分。來自輕油爐和重油爐的裂解氣從底部進料至急冷油塔，先后經(jīng)循環(huán)急冷油、盤油和回流汽油冷卻到約104 ℃后從塔頂送出到急冷水塔。裂解氣中的輕燃料油組分在精餾段被冷凝送到輕燃料油汽提塔，以維持裂解汽油的終餾點。塔釜的熱急冷油經(jīng)旋液分離器脫除焦碳顆粒后，大部分被送到急冷油/稀釋蒸汽發(fā)生器中回收熱量并發(fā)生稀釋蒸汽，少量被送到重燃料油汽提塔；重燃料油產(chǎn)品從塔釜采出。

設(shè)置盤油循環(huán)取熱系統(tǒng)是該急冷油塔系統(tǒng)流程的技術(shù)特點之一，通過回收裂解氣中間溫位的熱量作為下游分餾塔的再沸器熱源，使得急冷油塔內(nèi)的溫度分布更趨合理，操作運行更穩(wěn)定；該流程的技術(shù)特點之二是選擇了有效的減粘方案，即通過設(shè)置重燃料油汽提塔，采用高溫乙烷爐裂解氣作為汽提介質(zhì)，使急冷油中沸點高、粘度低的中間組分返回急冷系統(tǒng)循環(huán)，重質(zhì)組分(PFO)作為產(chǎn)品采出，從而達到控制急冷油粘度、提高急冷油塔塔釜溫度的效果，這樣既能避免結(jié)焦堵塞，又能通過循環(huán)急冷油回收更多熱量。

由于裂解氣中含有焦粒，同時裂解氣中的不飽和烴也可能發(fā)生聚合結(jié)垢，所以急冷油塔內(nèi)件必須有良好的抗堵性能，以滿足裝置長周期運行的要求。

2 急冷油塔改造要求

2.1 急冷油塔進料量及塔內(nèi)氣液負荷

本文所述乙烯裝置原設(shè)計產(chǎn)能為80萬t/a，改造后裝置需擴能到110萬t/a，裝置規(guī)模增幅較大。重工況下加氫尾油和柴油這些重質(zhì)裂解原料占比很大，導(dǎo)致乙烯收率不高，僅為29.5%。因此與輕質(zhì)原料相比，為實現(xiàn)裝置產(chǎn)能，需要的原料總量會更多，急冷油塔進料的裂解氣量也將更大。改造后重工況為急冷油塔系統(tǒng)的控制工況，對比原設(shè)計的控制工況，急冷油塔的裂解氣進料總量增幅高達35%，且輕、重組分均增加，帶入急冷油塔的總熱量也增加，因此急冷油循環(huán)量上升，取熱量增加，同時盤油循環(huán)量和回流汽油量也均上升。改造前后急冷油塔內(nèi)各段氣液負荷對比結(jié)果見表1。

表1 改造前后急冷油塔各段氣液負荷對比

從表1中可見，擴能后急冷油塔內(nèi)的精餾段、盤油循環(huán)段和急冷油循環(huán)段的氣液負荷都有很大增幅，均超出原設(shè)計的最大氣液負荷，需要對塔內(nèi)件進行改造，特別是增幅最大的盤油循環(huán)段，改造難度更高。

2.2 急冷油塔壓降

烴類蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯的裝置中，輻射爐管的壓力對裂解產(chǎn)物收率有明顯的影響，降低輻射爐管的出口壓力(COP)，有利于提高烯烴的收率，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益【2】。裂解氣壓縮機一段入口壓力和COP密切相關(guān)，如果裂解爐和壓縮機之間的設(shè)備管道壓降大，使裂解氣壓縮機一段入口壓力降低、壓縮比增加，則壓縮機的功耗增加。若保持壓縮機入口壓力不變，則必須提高裂解爐出口壓力，從而使烴分壓增加、裂解選擇性降低【3】。因此，在設(shè)計上應(yīng)盡量減小裂解爐和壓縮機之間的設(shè)備管道壓降，在生產(chǎn)操作上也要防止工藝設(shè)備發(fā)生結(jié)垢。

裂解爐和壓縮機之間的主要設(shè)備是急冷油塔和急冷水塔。在本文所述乙烯裝置中，急冷水塔采用填料塔，全塔壓降相對較小。急冷油塔出于防止結(jié)焦的目的采用了板式塔，壓降相對較大，需嚴格控制。擴能后，為保持裂解爐仍能在較低的COP下操作，急冷油塔全塔壓降仍限制在不超過15 kPa，這也為改造增加了難度。

3 急冷油塔改造技術(shù)方案

對于改造裝置，為減少改造工程量，縮短改造施工時間，塔的改造原則通常是利舊塔器殼體和設(shè)備基礎(chǔ)，通過更換高效或高通量塔盤來提高塔的處理能力。本文所述乙烯裝置原設(shè)計急冷油塔直徑為11.5 m，對于這種超大型塔設(shè)備，通過利舊殼體改造內(nèi)件來實現(xiàn)擴能無疑是優(yōu)選方案，這對減少工程量和降低投資都更有利。

3.1 精餾段改造技術(shù)方案

急冷油塔精餾段為塔上部1號～12號塔板，原設(shè)計采用了由中國石化工程建設(shè)有限公司(SEI)開發(fā)的SFV固閥塔板專利技術(shù)【4】。該固閥塔板的閥體由塔板本體沖出，通過閥腿與塔板相連，閥面為長條形，兩端為弧形，閥面與塔板之間夾角為銳角，沿液流方向的末端與塔板平行。閥面上根據(jù)需要沖出一個或多個舌片，舌片與閥面的夾角呈銳角且方向與液流方向相同。SFV固閥塔板的結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 SFV固閥塔板結(jié)構(gòu)示意和長軸剖面

SFV固閥塔板除具有抗堵性強的特點外，與其他現(xiàn)有固定閥塔板相比，其流體力學(xué)性能的優(yōu)勢還表現(xiàn)在塔板壓降更低、霧沫夾帶量更小、傳質(zhì)效率更高、氣液通量更大等方面。

急冷油塔精餾段為雙溢流，擴能后氣液負荷增幅大，開孔面積不能滿足要求，原塔板不能利舊。通過詳細的計算和固閥排布方案研究，發(fā)現(xiàn)可以在現(xiàn)有的鼓泡區(qū)內(nèi)通過布置更多的SFV固閥滿足擴能要求。最終確定將原塔板拆除后，更換為開孔率更大的固閥塔板。精餾段更換塔板前后的流體力學(xué)計算結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，在更換塔板后，泛點率、板壓降、閥孔動能因子等各項指標(biāo)都能夠良好滿足擴能改造要求。

表2 精餾段更換塔板前后流體力學(xué)計算結(jié)果

3.2 盤油循環(huán)段改造技術(shù)方案

急冷油塔盤油循環(huán)段為塔中部13號～20號塔板，原設(shè)計也采用了SFV固閥塔板技術(shù)。擴能后盤油循環(huán)段氣液負荷增幅較大，且采用四溢流結(jié)構(gòu)，鼓泡區(qū)面積有限，排閥空間不夠，采用固閥塔板不能滿足改造要求，因此擬采用一種新型高通量專利塔板——正交波紋塔板【5】。

正交波紋塔板(OWT)由SEI等單位合作開發(fā)，由北洋國家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司(北洋精餾)對塔板流體力學(xué)性能進行研究，其通過將沖好孔的金屬板按照特定的波紋方程壓彎成波紋狀而形成。該波紋方程如下：

式中：H——波紋的深度，mm；

L′——波紋的長度，mm。

H和L′的具體數(shù)值根據(jù)設(shè)計條件來選取。圖3為正交波紋塔板的結(jié)構(gòu)示意，圖中T為波紋板的厚度(單位：mm)。

圖3 正交波紋塔板結(jié)構(gòu)示意

正交波紋塔板的結(jié)構(gòu)特點決定了其具有良好的流體力學(xué)性能，其優(yōu)勢具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

一是良好的抗堵性。塔板的降液區(qū)和鼓泡區(qū)交錯排布，液相朝多個方向流動，實現(xiàn)對塔板各區(qū)域的有效沖刷，降低結(jié)垢風(fēng)險。

二是塔板壓降低，傳質(zhì)、傳熱效果好。由于正交波紋板凹凸不平的特殊結(jié)構(gòu)，使得波峰和波谷分別成為氣相和液相的既定通道，從而減小阻力損失，也保證了操作的穩(wěn)定性【6】；同時由于波峰、波谷在板上交替均勻分布，使得塔內(nèi)的氣液分布十分均勻；此外，氣體從波紋的斜向篩孔噴入液層，加劇了板上泡沫層的湍動，促進氣液更好接觸，增強了傳熱和傳質(zhì)效果，而且不同方向的斜向氣流相互作用還能有效抑制霧沫夾帶。

三是正交波紋塔板可以隨氣液負荷變化自動調(diào)節(jié)降液和升氣面積，因此具有很大的操作彈性。

圖4是由北洋精餾通過塔板性能測試得到的幾種不同塔板的全塔效率隨基于空塔截面積的動能因子Fs的變化趨勢。Fs用于表征塔內(nèi)氣液負荷的大小。

如圖4所示，正交波紋塔板與穿流篩板的最高傳質(zhì)效率基本相同，但最高傳質(zhì)效率所對應(yīng)的Fs因子差別很大，正交波紋塔板的Fs因子明顯大于穿流篩板，并且穿流篩板的效率曲線在最高效率點附近下降劇烈，而正交波紋塔板在最高效率點附近一段范圍內(nèi)曲線平緩沒有突變。由此可見，在相同開孔率條件下，正交波紋塔板具有更高的通量和穩(wěn)定性。

從圖4中還可以看出，在相同的氣液負荷下，正交波紋塔板的傳質(zhì)效率要低于固閥塔板，這是由于兩種塔板分屬不同的氣液流動接觸類型。正交波紋塔板為逆流接觸，固閥塔板為錯流接觸，而錯流塔板的效率會更高。但從操作范圍來看，正交波紋塔板會更大，能處理更大的氣液負荷，更適合用于擴能改造。

圖4 幾種塔板的全塔效率對比

圖5是正交波紋塔板與穿流篩板濕板壓降對比。由圖5可以看出，正交波紋塔板壓降明顯低于穿流篩板。因此采用正交波紋塔板可以降低裂解氣壓縮機的壓縮比，進而降低功率，使乙烯裝置能耗進一步降低。

圖5 正交波紋塔板與穿流篩板濕板壓降對比

針對擴能后急冷油塔盤油循環(huán)段氣液負荷增幅過大的難題，在固閥塔板無法滿足通量要求的情況下，采用高通量的正交波紋塔板成為優(yōu)選方案。通過計算，對塔板的波高、波長和開孔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都做了最優(yōu)化選取。表3是盤油循環(huán)段更換塔板前后的流體力學(xué)計算結(jié)果。由表3可以看出，在更換為正交波紋塔板后，塔內(nèi)盤油循環(huán)段各項指標(biāo)都能良好滿足擴能改造要求。

表3 盤油循環(huán)段更換塔板前后流體力學(xué)計算結(jié)果

另外，通過調(diào)整塔板連接形式，既實現(xiàn)了塔板的牢固固定，也實現(xiàn)了盡量減少平板面積、增大起波面積的目的。

3.3 急冷油循環(huán)段改造技術(shù)方案

在急冷油循環(huán)段，裂解氣被循環(huán)急冷油冷卻。急冷油主要由稠環(huán)芳烴和瀝青質(zhì)組成，粘度較高，高溫下容易縮聚。為盡量防止塔板結(jié)焦，原設(shè)計采用了20層人字擋板塔板。因塔板數(shù)比較富裕，擴能后為控制全塔壓降，采取的改造方案是拆除最下面一組4層人字擋板塔板。

改造后急冷油塔的壓降計算結(jié)果見表4。由表4可以看出，全塔壓降能夠滿足不超過15 kPa的性能保證要求。

表4 改造后全塔壓降計算 單位：kPa

4 結(jié)語

大型乙烯裝置擴能改造時，急冷油塔等大型塔器的改造原則通常是利舊殼體，通過改造塔內(nèi)件來提高塔的處理能力。急冷油塔處理全組分的裂解氣，擴能后塔內(nèi)氣液負荷增幅大，且塔內(nèi)容易聚合結(jié)焦，因此必須選用抗堵性強、塔板壓降低、氣液通量大、傳質(zhì)效率高的高性能塔板。正交波紋塔板具備這些良好的流體力學(xué)性能。采用正交波紋塔板，在不增加塔壓降的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)擴能20%～40%。