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(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。
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
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
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)。
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。
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。
2.4.1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。
2.5.1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。
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]。
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]。