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摘要 大庆油田轻烃分馏系统技术改造研究 摘要 大庆油田轻烃分馏公司戊烷精分装置自投产以来，精馏塔运行一 直不正常，由于原料组成与设计组成有较大变化，长期运行结果使得 操作参数偏离设计数据，加上设备老化，工艺控制水平较低，产品质 量波动大，难以满足生产中越来越高的质量要求，整个生产线存在产 能小、能耗大、收率低、安全隐患大、操作不便等诸多问题，已经成 为制约公司产品的提高市场竞争力的瓶颈。 本文针对戊烷精分系统开展技术改造研究。论文首先针对戊烷精 分系统存在的问题进行了系统的研究，发现制约该系统正常运行的主 要因素是塔顶的冷凝器( 空气冷却器) 能力不足，经过现场实验研究， 确定了技术改造方案；分别针对技术改造的要求，进行了换热能力计 算、材质选择、循环水系统的改造方案选择，并对指定的技术改造方 案进行了现场实施。实施结果表明，戊烷精分系统经过针对性的技术 改造后，完全满足设计要求，且对季节的变化均能适应，取得了良好 的经济效益与社会效益。本论文提出的技术改造措施，对于寒冷地区 的类似设备技术改造，具有借鉴意义。 关键词：戊烷精分，空冷器，技术改造，研究 a b s t ra c t t e c h n o l o g i c a lr e f o r m f o rl i g h th y d r o c a r b o nf r a c t i o n a t i o n s y s t e m i nd a q i n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n y a b s t r a c t s i n c ep r o d u c t i o no ff i n ep o i n t si np e n t a n ea n dl i g h th y d r o c a r b o n f r a c t i o n sa tt h ed a q i n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n y , t h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s h a sb e e na b n o r m a lo w i n gt oe n o r m o u sc h a n g e si nt h ec o m p o s i t i o na n d d e s i g no fr a wm a t e r i a l s ，l o n g t e r mo p e r a t i o nw h i c hc a u s e so p e r a t i n g p a r a m e t e r st od e v i a t ef r o md e s i g nd a t a ，a g i n ge q u i p m e n t ，l o w l e v e lo f i n d u s t r i a lc o n t r o l ，h i g hf l u c t u a t i o ni np r o d u c tq u a l i t y , i n c r e a s i n gq u a l i t y r e q u i r e m e n tw h i c hm a k e si td i f f i c u l tt os a t i s f yp r o d u c t i o ns t a n d a r d s ， l o w c a p a c i t y o fe n t i r e p r o d u c t i o nl i n e ，h i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n ， l o w - e f f i c i e n c y , e x t r e m er i s k ，i n c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a n yo t h e r i s s u e sa r eb o t t l e n e c k st h a th a v ec o n s t r a i n e dt h ec o m p a n yf r o mi m p r o v i n g i t sm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o rm a t i o no ff i n ep o i n t s i np e n t a n ep r o d u c t i o ni nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) f i r s t l y , f r o m s t u d y i n gt h ep r o b l e m sw h i c he x i s ti np e n t a n ep r o d u c t i o n ，i tw a sf o u n d t h a tr e s t r i c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e mi st h em a i nf a c t o rf o r t h ei n a d e q u a t ec a p a b i l i t yo ft h ec o n d e n s e rt o w e r ( a i rc o o l e r ) 。f i e l ds t u d y a l s oc o n f i r m e dt h i st e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n s c h e m e ：s e p a r a t e l y t a r g e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n ，p e r f o r m i n g c a l c u l a t i o n sf o rh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t y , s e l e c t i n g m a t e r i a l s ，s e l e c t i n g t e c h n o l o g i c a ls c h e m ef o rc i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m ，a n dt e c h n o l o g i c a l l y i m p r o v i n gt h ed e s i g n a t e ds i t eo fi m p l e m e n t a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta f t e r t a r g e t e dt e c h n i c a lu p g r a d e s ，p e n t a n ep r o d u c t i o nc a nf u l l ym e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n da d a p tt ot h ec h a n g eo fs e a s o n s ，a sw e l la sa c h i e v eg o o d e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h i s p a p e rs u g g e s t st e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o nm e a s u r e sf o rs i m i l a rt e c h n o l o g i c a ld e s i g ni nc o l dr e g i o n s w i t hs p e c i f i cr e f e r e n c e s i i i 北京化工大学工程硕士学位论文 k e yw o r d s ：f i n ep o i n t si np e n t a n ep r o d u c t i o n ，a i rc o o l e r s ，t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o n ，s t u d y i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鲨品鑫作者签名：3 堑芝竺缨 日期：丝竺垄：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 第一章文献综述 第一章文献综述 精馏过程是石油化工过程的重要组成部分，也是石油化工过程中能耗集中的 场所。因此，在国家大力倡导节能降耗的背景下，围绕精馏塔的节能问题开展技 术改造研究，具有明显的实际应用价值和经济意义。 本文以大庆油田化工公司的戊烷精分过程为研究对象，针对精馏塔分离序列 目前存在的分离能力不够，产品分离质量波动等问题，通过理论研究，寻找分离 系统存在的问题，探索可能的解决策略，为大庆石油化工公司相关装置的扩能改 造提供可以借鉴的方向。 1 1 精馏塔技术改造的发展回顾 精馏装置石油化工中常见的分离装置，也是能耗最大的化工单元操作之一， 在石油炼制和某些化工企业中，精馏过程的能耗几乎占据了生产过程能耗的绝大 部分，因此，在当前节能、降耗、减排的大形势下，精馏过程的节能改造，尤其 是采用高效节能技术改造现有精馏过程，可能是石油化工企业发展的重要方向。 早在五十年代开始，人们就已经注意到精馏过程的节能，但当时只限于空气分离 和乙烯工艺等少数操作。在七十年代能源危机后，精馏过程的节能设计与改造才 受到重视，采用的技改措施愈来愈多，应用也更广泛。国内外很多学者对精馏过 程的节能方法作了深入的探讨和研究。就所发表的文献看，对精馏的节能有以下 几种途径： 优化操作参数：精馏塔设计中，最重要的是回流比的选择。降低回流比则能 直接降低精馏塔的能耗，尤其是随着能源价格的上涨，在保证质量的前提下，进 一步降低回流比能产生较好的效果。通过控制适宜的回流余量、并减少纯度余量、 避免质量过剩，同时精馏塔采用多段进料、降低精馏塔的操作压力，采用中间再 沸器、增加塔板数等方法，可以降低精馏塔的回流比，这些途径在精馏节能技术 中是比较容易实施的【l , 2 1 。此外，改变操作参数，提高进料液温度，使进料部分 汽化或全部汽化，亦可取得良好的节能效果，由此造成的额外投资也会最大限度 地减岁3 卅。 热泵精馏：利用热泵技术提高余热的利用率，充分回收利用废弃的能量，是 提高资源利用率的有效方法之。1 9 7 1 年以来，由于“能源危机 的刺激，热 泵技术已经引起世界各国的重视。采用热泵一般可节能8 0 左右，但热泵技术在 北京化工大学工程硕士学位论文 我国化工生产中的应用尚不普遍，在国外则已趋成熟。据报道，热泵技术在一些 难分离物系中( 如异丁：侈移正丁烷、丙烷丙烯、乙烷乙烯) 己成功应用【6 7 】。前人 检验描述了在精馏中可采用热泵类型及有关技术，介绍了了在冷凝过程需要制冷 或( 过) 冷水时，用热泵精馏取代一般精馏的经济效益p 1 1 】；研究表明，分离沸 点相近的两组分且塔的压降小时，将透平鼓风机用作直接蒸汽压缩式热泵，是很 经济的，其能耗仅为一般精馏塔的 2 0 【1 2 l 。f e n 0 1 3 1 对采用直接蒸汽再压缩式热 泵的精馏装置进行了模拟和优化，结果表明使用热泵精馏可以节约能耗5 6 。前 人采用熵、焓平衡和有效能概念研究了采用直接蒸汽再压缩式热泵的精馏装置数 学模型的最优化设计方法，并结合实例阐明了此种热泵的节能效益和经济效益。 塔顶蒸汽直接压缩式热泵精馏操作稳定可靠，易于控制，利用塔底辅助再沸器可 以控制在不同操作参数下运转【1 4 1 。当温差较小时，才用高效压缩机，节能可达 9 0 0 , 4 以上：对于沸点相近物系的分离，采用热泵精馏在经济上更加合算。为了获 得更高的经济效益，热泵精馏往往采用高效低阻力塔器，及低温差换热器以获得 较大的供热系数，减小有效能的损失【1 5 ，1 q ；对塔顶塔底温差较大的精馏系统， 仍可以利用热泵技术，通过设置中间换热器，仍能达到进一步节能的目的。在现 代大型石油化工厂产物分离系统中，已经常将中间换热器并入总换热网络中，如 能再应用热泵技术，其经济效益将更显著。 多效精馏：作为一种精馏节能新工艺，多效精馏技术近几年来得到较快发展， 在工业生产巾的应用更加广泛。多效精馏是通过扩展工艺流程来节减精馏操作能 耗的，它是以多塔代替单塔，多塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用 于能位较低的塔，从而达到节能目的。在发达工业国家，多效精馏已成为种规 范性节能系统广泛应用在工业生产中。在考虑多效节能方案时，应从系统的稳态 和动态两方面出发，对过程进行全面分析、评估，以选择最佳流程方案和控制方 案【1 7 1 。 热偶精馏：热偶精馏是由前苏联学者在1 9 6 4 年提出的。由于过程的可逆特 性可提高热力学效率，从而达到节能效果。1 9 6 5 年p e t l y u k 讨论了热偶精馏的热 力学特性【1 8 】：1 9 8 3 年s p a d o n i 和s t r a m i g i o l i t l 9 】对t c s 热偶精馏过程提出了一种 设计方案；1 9 8 6 年f i d k o w s k i 等【2 0 2 i 】基于能量需求最小化提出了t c s 的最优化 方法；1 9 8 7 年类似的方法讨论了t c s i 、t c s r 和t c s s 过程的优化过程【碉； 文献从热偶精馏操作特性的模拟研究探讨了这种精馏较难推广的原因四 2 6 】；文 献 2 7 - 2 9 对液相发生分层的三相热偶精馏采用n a p h t a l i s a n d h o l m 的块状三角矩阵 法进行了模拟计算。 具有中间加热一冷却的精馏系统：研究并应用中间加热冷却精馏节能方案 是近年来精馏领域节能降耗的重要发展方向，目前已经取得了一定的进展。其实 2 第章文献综述 质是通过中间换热改变精馏操作的操作线，合理布置塔内质热传递过程的推动 力，降低塔内质热传递的不可逆性，从而提高过程的热力学效率，达到节能的目 的【3 4 】。 ， 热集成：关于精馏系统的热集成的方法，前人研究的不多，概括起来有四种： 塔顶冷凝器与塔釜再沸器之间的热集成；双组分精馏塔的冷凝器与另。一双组分精 馏塔的中间再沸器之间的热集成；冷凝器、再沸器与系统以外的可用低温热源之 间的热集成；具有中间再沸器和中间冷凝器的多组分精馏系统的热集成【3 ”。7 1 。 另外，还有选择最优操作压力、蒸汽压缩、采用最优控制、循环回流、发展 高效填料塔等多种精馏节能方案。由于化工过程是能耗大户，而精馏过程是化工 过程中能耗集中的过程，据美国的统计，精馏过程的能耗占全国能耗的3 ；我 国的炼油厂消耗的原油占其炼油量的8 1 0 ，其中很大一部分消耗于精馏过程。 所以精馏过程中节能的潜力巨大【3 8 枷】。 就以上许多节能措施而言，在理论上的研究早已成熟，但实际应用还有相当 差距，在目前能源紧张的背景下，上述节能技术改造具有现实意义。 1 2 空冷器的发展及应用 冷黼冷却技术广泛应用于工业、商业及民用等领域，依其使用的冷却介质 和换热形式可分为空冷、水冷和蒸发式3 种。空冷和水冷为传统的冷却方式，依 靠水或空气温升的显热带走热量，形式较为简单，技术成熟且应用广泛。空气冷 却器利用空气作为冷却介质，易于取得而不必循环使用，无污染，但冷却温度高 出环境温度1 5 2 0 ，其性能受环境影响较大，准确来说，季节变化对空冷器 的工作效率影响较大。由于空气的比热容小，且与翅片管膜传热系数较低，空冷 器换热面积和占地面积很大，投资及能耗高；水冷却器通常采用水冷器配套凉水 塔提供的水循环冷却形式，可将物料冷却至环境温度左右，但系统水耗很大且能 耗高，综合使用成本高；在冷凝冷却技术的发展中，蒸发式换热改变了水冷和 空冷显热换热的传统形式，利用换热管表面水膜直接蒸发的相变潜热的换热机 制。 蒸发式冷凝冷却器是一种将空冷与水冷、传热与传质过程融为一体的复合 式冷却器。它且兼有二中换热器的优点，将传统水冷系统中水冷器、凉水塔、凉 水池及管道等附属设备一体化，具有结构紧凑、传热效率高、操作费用低、安装 维护方便等优点，在化工、炼油、电力、冶金、制冷等行业中已经取得广泛应用， 同时使得水耗和电耗较大幅度降低，在空冷与水冷的基础上实现了冷凝冷却技 3 北京化工大学工程硕士学位论文 术的新发展。 蒸发式冷凝冷却器以水的蒸发潜热换热为机制，利用自身循环水泵和布水 器使换热盘管表面形成薄水膜，水膜与强制流动的空气直接接触，被冷却物料将 热量传给水膜，水膜非饱和蒸发并与空气进行热质交换，将部分冷量传递给空气， 最后由上部引风机抽出空气带走水蒸气，进而将热量排向大气。这种换热设备从 上世纪6 0 年代开发，至今在设备的结构型式方面有了很大变化，工作效率逐渐 提高，但其依据的工作原理没有变化。 在蒸气压缩式制冷系统中，冷凝器作为系统主要的四大部件之一，其性能好 坏直接影响到系统运转的经济性和可靠性。因此，科学地设计冷凝器的结构与型 式，最大限度地提高其传热效率，尤其是如何通过改进冷凝器的换热机制来降低 系统冷凝温度，这对提高制冷系统运转的经济性至关重要。 而普通的空冷器由于冷却效率低、冷凝温度较高且能耗高，则主要应用于水 源缺乏、分散式及小型制冷系统中。目前工业过程采用的大中型制冷系统多为立 式或卧式壳管式冷凝器，配套冷却水塔或凉水池，该冷却系统占地面积大，循环 水泵及风机功耗较大，水耗高，综合运行成本居高不下。而蒸发式冷凝器以环境 的湿球温度为驱动力利用盘管水膜的蒸发潜热换热，使冷凝温度接近环境的湿球 温度，其冷凝温度可比冷却塔水冷式冷凝器系统低3 5 ，比风冷式冷凝器低 踮1 1 ，这大大地降低了压缩机功耗，使系统能效比提高1 0 3 0 。目前，蒸 发式冷凝器已经广泛应用于制冷装置中【4 1 4 2 】。 从2 0 世纪7 0 年代，发达国家对蒸发式冷凝器的研究逐渐成熟，使用范围迅 速扩大，至今美国冷库中已普遍采用蒸发式冷凝器【4 3 】。2 0 世纪8 0 年代中期，国 内制冷企业引进该技术，蒸发式冷凝器开始应用于冷库工程。国内新上的大、中 型制冷系统中包括冷库、化工冰机制冷系统等，冷凝器采用蒸发式的已高达8 0 ， 对于原采用立冷或卧冷的旧制冷装置也越来越多地进行节能改造，采用蒸发式冷 凝器，此外蒸发式冷凝器节能节水效果显著，符合当今工业冷却器的发展趋势， 的到了用户的广泛认可。 1 3 蒸发式冷凝器的应用 蒸发式冷凝器较早应用于冷库、化工制冷系统，目前国内也有厂家在研制蒸 发式冷凝空调，欲将蒸发式冷凝器应用于暖通行业f 4 5 】。在蒸发式冷凝冷却技术 日益成熟的前提下，其应用也远远超出了制冷行业，在工业物料及工业设备的冷 却中替代原有空冷器、水冷器及开式冷却塔均已得到工程应用和验证。 4 第一章文献综述 1 3 1 工业物料冷却 蒸发式冷凝器在制冷系统中应用极为成功，从换热机制上说，采用水蒸发潜 热直接冷却，且冷却温度较普通水冷器低钆8 ，这与其冷却介质无关，也就是 说冷凝r 7 1 7 和r 2 2 等可以，直接用于冷却工业物料、替代原有空冷器或水冷器 的优势同样存在，无论从能耗、水耗及综合运行成本上讲，都是极为明显的。 经过几年的研制、推广和工程验证，蒸发式冷凝器已经在甲醇、合成氨、p v c 装置等煤化工行业工艺物料的冷却上取得了很大成功，例如甲醇装置中压缩机的 级间冷却、合成工段合成气冷却及精馏装置塔顶气的冷凝。同时，在石化行业， 蒸发式冷凝器广泛应用于常减压、重整、催化等工艺中塔气的冷凝，但由于某些 厂家对其结构设计不尽合理，导致使用过程中产生的问题影响了设备的推广和应 用岬羽。 1 3 2 闭式冷却系统 行业中称其为“闭式冷却塔”，源于工业用蒸发式冷却器，是一种间接接触式 冷却塔，主要应用于对冷却水清洁度或温度控制精度要求较高、不适于采用普通 开式冷却塔的场合，其换热机制同蒸发式冷却器完全一致。 闭式冷却系统及蒸发式冷却技术日益得到认可，在冶金、电力行业应用越来 越成熟。在炼铁厂，主要应用子高炉炉壁、炉底、热风炉炉壁的冷却；在炼钢厂， 主要应用于转炉氧枪和连铸结晶器密闭循环水的冷却：在电厂，辅机冷却系统也 较多的采用单元制闭式冷却系统【4 9 】；火电厂冷却系统即汽轮机乏汽冷凝的闭式冷 却技术正处于开发和验证阶段唧】。 1 3 3 工程设计中存在的问题 蒸发式冷凝冷却技术发展至今，得到国内外的普遍认可，国内专家也建立 了蒸发冷凝换热模型，提出了设计方法，设备现有生产厂家近3 0 0 家，但从理论 设计到实验验证，国外的研究深度远超国内t s i l 。正因如此，国外产品依然控制高 5 北京化工大学工程硕士学位论文 端市场，国内厂家大多仍处于模仿阶段。 工程设计中，尤其是应用于工业物料的直接冷却时，经常出现有些厂家提供 设备换热面积较大而其实际冷却能力严重不足的情况。综合其原因，主要是对换 热流程的设计优化不够。在设备的设计中，首先须考虑物料特性及工况来设计物 料流速，进而确定换热面积及设备流程布置，但工程实践和实验验证，蒸发式冷 凝器的换热性能受管束换热流程影响很大，包括物料流速及换热管长度1 5 2 j ，即同 一工况下同等换热面积的设备，如果换热流程不一致可能导致设备换热能力偏差 3 0 0 以上。 蒸发式冷凝器与空冷器及水冷器最大的区别在于采用多行程换热盘管模型， 形成合理的温度梯度。蒸发式冷凝器的设计不仅仅要平衡物流流速、对流换热系 数及系统压降之间的矛盾，更要注重盘管换热流程的优化，科学设计温度梯度模 型，其设计思想来源于基本换热方程q = k a t 。 换热效率作为首要考核指标，国内蒸发式冷凝器的换热效率较国外品牌低近 2 0 0 , 6 ，即同等工况、同样热负荷下国产设备换热面积要大近2 0 。蒸发式冷凝器 的换热效率同管型的选择、换热流程设、及配风配水设计有直接联系。从管型上 看，国内蒸发式冷凝器普遍采用圆形无缝钢管，闭式冷却塔也有采用圆形紫铜管 的，投资增加3 - - 4 倍，但换热效率提高甚微。工程实践表明，采用椭圆管可有效 提高管内换热系数，增加水膜面积，且减少管束的风阻，水膜不易被破坏，整个 管束结构紧凑。另外，根据冷却物料的不同，可采用波节管、内肋管、扭曲管等 高效换热管型。 1 4 论文的研究框架 本文首先从调查大庆轻烃分馏公司戊烷精分生产线的现状入手，对原生产线 中的精馏塔系列配套的塔顶空冷器运行状况、存在的问题及产生的原因进行了全 面、细致的分析，系统、深入地分析了影响戊烷精分精馏塔系列分离效率的因素， 为戊烷生产线的技术改造奠定了基础；第二是对戊烷精分单元精馏塔配套的空冷 器的技术改造进行项目的初步设计、投资估算与资金的筹措，为技术改造提供了 基础；第三是重点研究了该技改项目的具体实施方案，结合现有戊烷生产线的实 际工况条件，对技改中的整体效果及各个部件的不同变化进行研究，找出技改的 重点和难点，分析技术改造的优势与缺点，探讨了技改带来的经济效益和社会效 益，并对技改中存在的问题进行总结；最后，总结全文，对该技改项目进行综合 评价与归纳，得出结论。 6 第二章戊烷精分工程度工艺过程简介 第二章戊烷精分过程的工艺过程简介 混合戊烷自装置外送入原料缓冲罐( v 一1 0 1 ) 。边界条件为压力o 3 m p a ， 温度 4 0 0 c 。混合戊烷经脱丁烷塔进料泵( p 一1 0 2 a 、b ) 从缓冲罐抽出，经与 脱丁烷塔底换热器( e 一1 0 1 ) 换热后，顺序进入脱丁烷塔( t 一1 0 1 ) 、异戊烷塔 ( t 1 0 2 ) 、正戊烷塔( t 一1 0 3 ) 、环戊烷塔( t 一1 0 3 ) ，最终得到质量满足要求 的产品。 2 1 脱丁烷塔 脱丁烷塔( t 一1 0 1 ) 为c y 7 0 0 丝网波纹填料塔，塔顶压力控制在0 2 8 04 ) 3 8 0 m p a ，塔顶温度为4 3 - - - 5 8 。塔顶馏出的碳四馏分经塔顶表面蒸发空冷器( e 一 1 0 2 ) 冷至2 l 左右，进入塔顶回流罐( v 一1 0 2 ) 。冷凝液自v 一1 0 2 抽出分为 两部分：一部分为脱丁烷塔顶回流，回流比为耻1 4 ；另一部分进入老液化气罐 区；脱丁烷塔底温度8 0 - - , 9 0 左右。脱丁烷塔底馏份分为两部分：一部分在塔底 重沸器( e 一1 0 3 ) 中用1 1m p a ( 绝) ，1 8 4 饱和蒸汽作热源进行加热，部分汽 化，气液混相进入t 一1 0 1 底第一层填料下，蒸汽凝结水经疏水器自压去凝结水 回收系统；第二部分经泵( p 一1 0 4 a 、b ) 与原料换热器( e 1 0 1 ) 换热后，进 入异戊烷塔。 2 2 异戊烷塔 异戊烷塔( t 一1 0 2 ) 为c y 7 0 0 丝网波纹填料塔，塔顶压力控制在0 0 7 0 - - 0 0 9 0 m p a ，塔顶温度为4 4 4 7 左右。塔顶馏出的异戊烷馏分经塔顶表面蒸发空冷器 ( e 一1 0 4 ) 冷至3 2 左右，进入塔顶回流罐( v 一1 0 3 ) 。冷凝液自v 一1 0 3 抽出 分为两部分：一部分为异戊烷塔顶回流，回流比为2 6 - , - 3 5 ；另一部分进入罐区。 异戊烷塔底温度5 3 5 7 左右。异戊烷塔底馏份分为两部分：一部分在塔底重沸 器( e 一1 0 5 ) 中用1 1m p a ( 绝) ，1 8 4 。c 饱和蒸汽作热源进行加热，部分汽化， 气液混相进入t 一1 0 2 底第一层填料下，蒸汽凝结水经疏水器自压去凝结水回收 系统；第二部分经泵( p 一1 0 6 a 、b ) 进入正戊烷塔。 7 北京化工大学工程硕士学位论文 2 3 正戊烷塔 正戊烷塔：( t 一1 0 3 ) 为c y 7 0 0 丝网波纹填料塔，塔顶压力控制在0 0 7 0 - 4 ) 0 9 0 m p a ，塔顶温度为5 4 5 7 左右。塔顶馏出的正戊烷馏分经塔顶表面蒸发空冷器 ( e 一1 0 6 ) 冷至3 5 左右，进入塔顶回流罐( v 一1 0 4 ) 。冷凝液自v 一1 0 4 抽出 分为两部分：一部分为正戊烷塔顶回流，回流比为2 7 3 6 ；另一部分进入罐区。 正戊烷塔底温度7 l 7 5 左右。正戊烷塔底馏份分为两部分：一部分在塔底重沸 器( e 一1 0 7 ) 中用1 1m p a ( 绝) ，1 8 4 饱和蒸汽作气液混相进入t 一1 0 3 底第 一层填料下，热源进行加热，部分汽化，蒸汽凝结水经疏水器自压去凝结水回收 系统；第二部分经泵( p 一1 0 8 a 、b ) 进入环戊烷塔。 2 4 环戊烷塔 环戊烷塔( t 一1 0 4 ) 为c y 7 0 0 丝网波纹填料塔，塔顶压力控制在0 0 7 0 - 4 ) 0 9 0 m p a ( 绝) ，塔顶温度为6 乱7 0 0 c 左右。塔顶馏出的环戊烷馏分经塔顶表面蒸发 空冷器( e 一1 0 8 ) 冷至4 5o c 左右，进入塔顶回流罐( v 一1 0 5 ) 。冷凝液自v 一 1 0 5 抽出分为两部分：一部分为环戊烷塔顶回流，回流比为乱1 0 ；另一部分进入 罐区。环戊烷塔底温度7 9 8 5o c 左右。环戊烷塔底馏份分为两部分：一部分在 塔底重沸器( e 一1 0 9 ) 中用1 1m p a ( 绝) ，1 8 4o c 饱和蒸汽作热源进行加热， 部分汽化，气液混相进入t 一1 0 4 底第一层填料下，蒸汽凝结水经疏水器自压去 凝结水回收系统；第二部分经泵( p 一1 1 0 a 、b ) 进入罐区。 相关的工艺流程图如图2 1 图2 9 所示。 8 兽。口暑母8o磊_器djo【苗q秀事。薯一z雷-!i h函醛蜡枘h铤求遐链in匝 畚淫释翅粕h避睽h求窭斌镊静“嬷 昌。墨暑曰d9s o 暑_ 9 4 j 0 n蓉嚼蕾6岛qnw笛 q函醛碍桐h褪隶娱毯：函 钗袋掣扑书隧裂h扑kh晕谣善 口。召_誓爵艿dh_-hhq口-o n_8i毛参oc-nm_函 c匝释爆柚h键求鳝链c-n匝 畚g氍翅粕h避睽h求窭斌镊静嬷 iio召霉石o_墨口-o寸苗qi：【蓉0岛ynmq臣 叮匝醛煺枘h韫求嫂镊叮n匝 议袋攀扑二二匿醛h扑kh草矮暑 g口謇d9莹_g(ij0 n吾嚼走5岛哦-z署!i 叩匝释姆粕h枢求骡链s-n匝 g暑 鬻 萋 l 冀 点 l l - 量 i 嫠 i ； ，冀 i ；景 擘 i ii “ 圣蝴 i山 k i习 t 雪鱼轴 。 一r 、r 1 i - f 耳 ii 斐口 迅雷智口f i 龟落 ! j k 言 l 夸 9 蒋皆 奄 k 叫4 一 萄捌 昏 曩 _ 苕 嗖纂一 1 o 崎旧 ij 堑犍 圣。 。 吲p 、脚 勺旃副一。 kl j 铡q p 斗- 。 廿疟mmm m 。i 、l _ 苫 釜f 1 i 乒u k 旷yy 、|u 产 西裔西z 一。 自由i犟 r 。 l l 每l 嘎- 。 母 l 三 1 薹 9 坤 飞。百 1 畚g释翅粕h避睽h淼窭斌镊静嬷 口。口鼙8o量晷j0心u8嚼o口9-qm昌 9一匝慰薅桐h谁太嫂甚9-n匝 议袋牮扑书匿舌；h扑kh晕谣罢 譬o=熏8q磊_8djo_8嚼事。口9-n嚣i瞌 岭匝慰媾焖h枢太娱毯9代匝 畚疆罂篡粕h趟群h求寞斌镊静“嬷 口。召再篙|艿oilgh8盘铀。卜苗。嚼薹。错卜n龇q函 厶匦罂烬搁h罐求褒趑厶-n酲 钗秘牮扑_千器舌；ih扑kh睾谣篙 厶i 口。召墨四8o暑_8ld铀o_ooiik乒。岛n眦帽函 匝醛媾桐h褪求骐毯叩n匝 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 差 瓣 羹辆墼 耋 一 叠 j ：湘 口11 1 1 已，占圉 臣 唪 _且 ，生 - 苎| t l 急j_ l 。咽j 甲1 疆 7 矧i 蠼罨 垤甲芒 臻 = = ：叫n l 曩 琏 j l - i 一 囡 j i ：蹑k 曩- 1 i 。、l | i 。毒l ：j 堰 嚏 l _ 一0i ) ：= ll ： ( 1d 皇_ 一 i臣j 厂1 卜_ - i中j i i 色：i 习i i | 一一：肿 lb：， 日r j：眺 ， 醴 4 萄 圜 l l -b - j：皇b ： _ 唯疆 b n 搠 圆 jl 肿 ：i 目i： i 刑 l l 面蛆。 l 一-略 辱j 囊疆 i - e 1 一l 。i _ 二) ；1 喇 l - b j 】 l j 一 蠼 l - e i 哺，j，i，：， 二1 叫1 几 l 超i b： 幽靼一蚺l 通，i - ；，j，j，i i i ； j 。队p o p ij 。 l i ， ，i i5 j i 由日暖盘 i - k 一 i il3 。： l _ 如d ：，：! b! ! i 连 i 磐出越出域q 掣。 ，l 逼 ：副 节。 一咤1 i 膏l l i 口l 目 l 聃口。口_茹对艿q墨盎3d-o吼_dui；i参。口奈n叫榭氲 a匝醛薅焖h傩求娱整6-n匝 钗袋逗扑书匿骥h扑kh晕佞菩 第三章戊烷精分系统存在的问题分析 第三章戊烷精分系统存在的问题分析 从戊烷分馏的整个工艺流程来看，四个塔塔顶产品都需要通过空冷器冷却到 一定温度，然后进入下一环节。将气态物质冷却是整个生产中不可缺少的环节， 现场已经采用了空冷器进行冷却。经过长期的运行，发现整个工艺流程存在诸多 问题，影响产品质量和生产能力的扩大。 装置自投产以来，一直没有达标运行。2 0 0 8 年5 月，在分公司的要求下， 车间组织了一次能力标定工作，主要思想是考核装置的处理能力，以及配套各设 备的运行状况。按照设计要求，装置年处理混合戊烷5 万吨，每小时最高要处理 l o m 3 的混合戊烷，才能实现达标操作。 3 1 能力标定发现的问题 3 1 1 精馏塔系列的问题 在逐步提高处理量时发现，处理量达到9 m 3 h 后，装置运行参数发生明显变 化，塔顶温度偏高，顶压偏高，冷后偏高。 白天运行非常不平稳，晚上虽然趋于平稳，但因为白天造成的产品跑样，而 导致产品在夜间不合格。到了早晨虽然合格了，但是，又因为天气变热而导致产 品再次跑样。如此下来，产品总是处于不合格状态。 3 1 2 其他设备运行情况 为了检验各设备能否达到设计指标要求，根据夜间冷却情况好的实际，车间 安排在晚上将处理量提高到l o m 3 h ，对各个运行设备进行考核。经过近8 个小 时的运行考核，各设备运行情况如下： 1 9 北京化工大学工程硕士学位论文 表3 - 1 各设备运行情况表 t a b l e3 - 1l i s to fo p e r a t i o ne q u i p m e n t 再沸器 塔底升温效果运行情况 其他 通过上表可以看出，各再沸器和机泵均能够满足生产需要，没有超出指标范 围的运行情况发生。从而说明该装置的其他设备不存在影响生产稳定的问题。 3 1 3 指标对比 经过4 8 小时的运行考核，白天和夜间各项指标如下： 表3 - 2 白天各塔运行参数表 t a b l e3 - 2p a r a m e t e r so f t o w e ro p e r a t i o nd u r i n gt h ed a y 第三章戊烷精分系统存在的问题分析 表3 - 3 夜间各塔最佳运行参数表 t a b l e3 - 3o p t i m a lp a r a m e t e r so ft o w e ro p e r a t i o na tn i g h t 9 0 m 3 ht - 1 0 1t - 1 0 2t - 1 0 3t - 1 0 4 顶压( m p a ) 0 3 5 0 0 8 20 0 8 20 0 8 0 冷后温度2 5 2 83 0 - 3 44 0 4 54 5 - 5 0 顶温 5 0 6 巧1 54 5 7 4 5 8 5 4 耻5 5 26 8 1 “8 3 回流量m 3 h 8 52 92 99 o 釜温8 8 扣8 8 75 5 5 5 5 77 2 3 7 2 47 9 3 7 9 6 塔顶组成c 3 - c 49 8 2 8c 4 0 1 5 i c ，0 3 0n c ，0 3 5 i c 50 5 2 i c s9 9 3 0n c s9 9 3 1 c , y c s 9 6 1 6 n c 50 0 2 c 6 - 1 o 2 6 c 6 1 2 3 6 c 们0 0 4c 6 - 2 0 0 3 c 眈0 0 3 c 6 - 10 4 9 表3 _ 4 工艺参数设计值 t a b l e3 - 4d e s i g nv a l u eo fi n d u s t r i a lp a r a m e t e r s 庄呈工庄指拯名猛仪麦位呈墼位指拯控制级别 l原料缓冲、换热p i ( 1 2 a , b 出口助p 1 2 0 1 m p a1 o 1 4 2 原料缓冲、换热 3 脱丁烷塔t 1 0 1 4 脱丁烷塔t 1 0 1 5 脱丁烷塔t 1 0 1 v 1 0 1 压力 塔顶压力 塔顶温度 塔底温度 p t c l 0 1 卵a0 1 5 0 3 0 p i c 2 0 1n 口a0 2 8 0 o 3 8 0 t i c 2 0 1 t i c 2 0 3 4 3 5 8 8 0 9 2 2 l 北京化工大学工程硕士学位论文 从以上3 个表可以看出：各塔在白天的运行参数均偏高，而且基本上偏离了 工艺卡片的要求；而到了晚上，气温降低后，各项指标回归到工艺卡片范围内。 产品质量在白天是不合格的，到了晚上尤其是到了凌晨后，产品质量趋于合格。 3 1 4 能力考核结论 综上所述，各再沸器和机泵运行正常，达到了设计要求。而四塔系统各参数 均出现了不同的异常。表现在：i ) 白天气温升高，因空冷原因导致冷后温度上 升，最终导致塔压上升，精馏塔分离精度下降。例如：t - 1 0 2 ，从数据上可以看 出，塔顶有正戊烷2 2 4 ，在t - 1 0 3 顶还有0 7 5 的异戊烷组分，说明t - 1 0 2 的 分离效果不好。其他各塔与t - 1 0 2 类似。2 ) 到了夜间，气温降低，冷后温度恢 复正常，塔压和顶温随之降低，各塔的分离精度不断提高。再来看t - 1 0 2 ，塔顶 的正戊烷已经降低到o 0 2 ，而t - 1 0 3 顶部的异戊烷组分也降低到了0 3 ，达到 了正戊烷的质量指标。通过上述研究结果可以看出，各塔塔顶空气冷却器存在能 力不够的问题，主要原因可能是设计换热面积过小，最终导致精馏塔分离精度降 低。 第三章戊烷精分系统存在的问题分析 3 2 技术改造的必要性 3 2 1 生产设备存在安全隐患 换热管腐蚀严重，漏点较多，给安全生产带来严重的隐患。目前所用的换热 管为碳钢管，由于使用时间长，未作相应的清洗和防腐，导致腐蚀严重，已有相 当数量的管束出现泄漏。管外壁出现厚度不一的腐蚀层，换热效率下降。 空冷器改造的目的就是更换目前的腐蚀严重的空冷器，消除存在的安全隐 患；降低设备维护成本，节约水资源；解决由于原料组分变化造成的空冷器换热 面积小，提高装置处理量的问题；同时，改变目前的恶劣的运行状况，确保戊烷 精分装置长周期、安全平稳、高效运行。 5 万吨年戊烷装置原设计使用的是兰州机械制造厂生产的表面蒸发式空冷 器，此设备采用空冷和水冷相结合，结构简单，易于操作的化工换热设备。投入 运行一年以后，我们发现存在缺点如下：风机和电机之间采用皮带连接维修费用 高；电机运行环境恶劣，经常烧电机( 表3 5 ) ；换热管束材质为碳钢管( 2 皑钢) ， 不耐腐蚀( 表3 6 ) ；没有蒲雾器回收冷却水，水消耗量大；由于原料组份变化， 空冷器换热面积小，冷后温度降不下来，装置处理量提不上去等问题。总结起来， 主要表现在三个方面： 一是空冷风机电机经常绝缘低甚至绕组烧断问题； 二是空冷器换热管腐蚀严重，经常发生泄漏问题； 三是由于原料组分变化，空冷器换热量不够的问题。 表3 - 52 0 0 4 年- - - - 2 0 0 9 年空冷风机电机维修次数和费用统计 1 a b k3 s2 0 0 4 _ 2 0 0 9m e c h a n i c a lm a i n t e n a n c ea n dc o s ts t a t i s t i c 慧o fa i rc o o l e r s 表3 _ 62 0 0 4 年2 0 0 9 年空冷器管束泄漏次数和堵管数量统计 北京化工大学工程硕士学位论文 t a b l e3 - 62 0 0 4 - - - 2 0 0 9c o n t r o lf r e q u e n c yo f p l u g g i n gl e a k sa n ds t a t i s t i c si na i rc o o l e r s 目前的空冷器运行状况恶劣，不仅造成设备维护成本的增加，而且还造成资 源的浪费，更给装置安全生产运行带来极大地安全隐患。为此，我们提出空冷器 改造项目。 3 2 2 空冷系统腐蚀严重 空冷器运行到2 0 0 7 年开始出现换热管泄漏情况，由于冷却水没有进行水质 处理，在空冷器水箱中反复使用，水的硬度和浊度都非常高，冷却水的颜色始终 是锈色，说明换热管腐蚀严重，这可能是造成换热管泄漏的主要原因。为此，进 行技术改造后的新空冷器的循环水系统的水质必须进行严格控制，这是解决管束 腐蚀的先决条件。基于以上分析，技术攻关组协同吉林分院和制造单位共同协调， 最终确定了相关空冷器水质的质量，如表3 7 所示。 表3 7 新空冷器循环水水质要求 t a b l e3 - 7r e q u i r e m e n t sf o rw a t e rc i r c u l a t i o ni nf l e wa i rc o o l e r s 第三章戊烷精分系统存在的问题分析 只要喷淋水系统满足上述质量要求，新空冷器系统将大大延缓腐蚀速度，预 计使用寿命将超过1 0 年。 由于改造前的循环水系统为敞开式喷淋冷却系统，在运行过程中不过水分不 断蒸发，循环水的水质急剧恶化，水质的硬度也逐渐硬化，水中的悬浮物和细菌 的数量也快速上升，造成水质恶化乃至管束严重腐蚀的后果。 北京化工大学工程硕士学位论文 表3 改造前的实际水质指标 t a b l e3 - 8a c t u a lw a t e rq u a l i t yb e f o r et r a n s f o r m a t i o n 从表3 8 中的信息可以看出，