（化学工程专业论文）乙苯苯乙烯分离塔的改造与优化.pdf

中文摘要 齐鲁2 0 0 k t a 苯乙烯装置改造完成后，乙苯苯乙烯分离塔( t - 4 0 1 ) 操作指 标一直达不到设计要求，塔顶苯乙烯含量高达8 左右，远高于设计值1 的要求， 而塔釜乙苯含量在0 2 5 左右，也高于0 0 8 的设计值，而且进料负荷也没有达 到设计的生产能力，进料负荷越高，分离效果越差。 通过制定工艺操作方案，探索和考察了各种不同工艺条件对操作状况的影 响，并通过冷模试验，模拟软件的模拟计算，通过操作数据的对比和分析，找出 了该塔存在的问题，分析了问题产生的原因。在此基础上，提出了乙苯苯乙烯 分离塔的改造方案。 对t - 4 0 1 塔成功的进行了技术改造，更换了乙苯苯乙烯分离塔精馏段部分 填料和部分塔内件，解决了困扰该塔正常运行的主要矛盾，使得改造后的t - 4 0 1 运行效果明显好转。塔顶苯乙烯质量分数由原来的8 降至3 。 在进一步模拟分析研究的基础上，对该塔进行了一系列的优化操作，通过调 整精馏塔的操作压力与回流比等工艺参数，使得该塔的分离效果达最终达到甚至 超过设计指标，装置的生产能力得到大幅度的提高。塔顶苯乙烯含量小于l ， 塔釜乙苯含量小于0 0 8 w t ，苯乙烯产品纯度达到9 9 9 w t 以上，取得了较好的 经济效益。 关键词：乙苯：苯乙烯；精馏塔；参数优化 a b s t r a c t a f t e re x p a n dr e f o r m a t i o no fs i n o p e cq i l u ss t y r e n ep l a n t ，s o m ep r o b l e m s e x i s t e di n d i s t i l l a t i o nc o l u m nt - 4 01 ( f o re t h y lb e n z e n ea n ds t y r e n es e p a r a t i o n ) ，a n d r u n n i n gd a t aw a sn o tm e e tt h ed e s i g nd e m a n d s t h ec o n t e n to fs t y r e n ea tc o l u m nt o p w a s h i g h e rt h a nd e s i g nv a l u e s ，a n dt h ec o n t e n to fe t h y lb e n z e n ea tc o l u m nb o a o mw a s h i g h e rt h a ne x p e c t e d t h es e p a r a t i o ne f f e c to ft h ec o l u m nw a sr e d u c e da sp r o d u c t i o n c a p a c i t yw a si n c r e a s e d t h ee x p a n dr e f o r m a t i o nw a sn o tr e a c hi t sa i m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s ，w ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt h ei n d u s t r i a lt e s t s ， r e s e a r c ht h er e s u l t so fr u n n i n gd a t aw i t ht h ep r o c e s sp a r a m e t e rc h a n g e s w ea l s o c a r r i e do u tt h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n t si nm o d e ld e v i c ea n ds i m u l a t i o nw o r k sf o rt h e s e p a r a t i o nc o l u m n o nt h eb a s i so fo p e r a t i o nd a t aa n dr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ep r o b l e m s e x i s t e di nt h es e p a r a t i o nc o l u m nw e r ed i s c o v e r e d t h et e c h n i c a lr e f o r m a t i o np l a n s w a sf o r m e d ，a n dt h et e c h n i c a lr e f o r m a t i o nw a sc a r r i e do u t a f t e rt e c h n i c a lr e f o r m a t i o n ，t h er u n n i n gd a t as h o wt h a tc o n t e n to fs t y r e n ea t c o l u m nt o pw a sr e d u c e df r o m6 t ol e s st h a n3 a n dt h ec o n t e n to fe t h y lb e n z e n ea t c o l u m nb o t t o mw a sl e s st h a n0 0 8 w t t h ep u r i t yo fs t y r e n ea tc o l u m nb o t t o mw a s 9 9 9 o rm u c hh i g h e rt h et e c h n i c a lr e f o r m a t i o nw a ss u c c e s s f u l l y o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o na n da n a l y s i sr e s e a r c hr e s u l t si nd e e p l y , t h eo p e r a t i o n p a r a m e t e r sw a so p t i m i z e d ，t h r o u g hc h a n g e dt h ec o l u m no p e r a t i n gp r e s s u r ea n dr e f l u x , f o re x a m p l e ，t h ec o n t e n to fs 够r e n ea tc o l u m nt o pw a sr e d u c e df r o m2 t oo 8 ，a n d t h ec o n t e n to fe t h y lb e n z e n ea tc o l u m nb o a o mw a sl e s st h a n0 8 t h ep u r i t yo f s t y r e n ea tc o l u m nb o t t o mw a s m u c ht h a n9 9 9 t h r o u g ht h eo p t i m i z e do p e r a t i o n p r o d u c t i o nc o s tw a sr e d u c e da n de c o n o m i ci n t e r e s tw a sg a i n e d k e y w o r d s ：e t h y lb e n z e n e ；s t y r e n e ； r e c t i f i c a t i o nc o l u m n ；p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 铼佬录禾签字日期：2 口d 夕年岁月2 罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞墨堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 笋位论文作者签名：郐佬袜 签字隰叫年岁月矽日 导师虢翮pi 眵 衫 。 签字日期：矽年，月? 7 日 第一章乙苯苯乙烯分离塔存在的问题 第一章乙苯苯乙烯分离塔存在的问题 1 1 苯乙烯装置简介 苯乙烯是重要的基本有机化工原料之一，其用途广泛，是合成树脂、橡胶、 涂料的主要原料。全球范围内苯乙烯需求巨大，以苯乙烯为原料的合成材料的市 场需求增长迅速，以苯乙烯为原料的各种新材料、新用途不断涌现，导致苯乙烯 的市场需求连年增长，目前我国苯乙烯年需求量在5 0 0 万吨以上。国内主要生产 商有中海壳牌、上海赛科、江苏利士德、齐鲁等n ，。 国内苯乙烯主要用于生产聚苯乙烯( 含e p s ) ，占苯乙烯总需求的6 0 ；不 饱和树脂，占苯乙烯总需求的1 0 ；丁苯橡胶及胶乳占苯乙烯总需求的8 ： a b s s a n 占苯乙烯总需求的1 5 。其中用于生产聚苯乙烯和a b s 的数量最大， 占到整个苯乙烯消耗的7 5 以上，生产厂家主要集中在东南沿海、华东、华北 以及东北地区，这些地区的苯乙烯消耗量占到整个苯乙烯消耗量的9 0 以上， 而且这些地区的苯乙烯需求仍呈现出快速增长的态势心1 。 齐鲁2 0 万吨苯乙烯装置是国家科技攻关项目，中石化“十条龙”科技攻关 项目，该装置由2 1 0 k t a 乙苯装置和2 0 0 k t a 苯乙烯装置组成，是在原6 0 k t a l u m m u s 工艺装置的基础上改扩建而成的，装置于2 0 0 2 年1 0 月正式动工兴建， 2 0 0 4 年1 0 月实现一次开车成功，是国内独立设计开发最大的苯乙烯装置。 齐鲁苯乙烯装置苯乙烯生产工艺采用技术成熟的乙苯负压绝热脱氢工艺。设 计采用技术成熟、应用广泛的具有中间换热器的两级负压绝热脱氢制造苯乙烯的 技术路线，其特点如下： 采用国内开发的具有级间换热的负压绝热脱氢反应工艺技术。 采用国产g s 0 8 型乙苯脱氢催化剂，它具有稳定的高转化率和高选择性，其 性能已达到国际先进水平。 脱氢反应器采用国内开发的轴径向反应器。它合理利用轴径向流动技术，优 化集流和分流流道设计，使反应器压降满足负压反应要求，反应器容积利用率和 催化剂利用率较高。 脱氢液分馏精制采用四塔流程，苯乙烯经历两次加热，乙苯苯乙烯分离塔、 精苯乙烯塔采用低温高真空精馏工艺。 采用低温吸收工艺，充分同收脱氢尾气中的芳烃物质，降低装置的物耗和能 第一章乙苯苯乙烯分离塔存在的问题 耗。 焦油中苯乙烯的回收采用负压绝热闪蒸工艺。 对工艺凝液和尾气进行充分处理，“三废”排放量少，环境污染被控制到最 低程度。 本装置的脱氢液分馏精制采用苯乙烯只经历两次加热过程的四塔流程，即根 据脱氢液中各组分的沸点差异，先用第一座精馏塔( 乙苯苯乙烯分离塔) 在苯 乙烯同乙苯之间加以分割。乙苯苯乙烯分离塔顶馏出乙苯及比乙苯沸点更低的 组分；乙苯苯乙烯分离塔塔底则获得苯乙烯及比苯乙烯沸点更高的组分。然后， 通过乙苯回收塔和苯甲苯塔二座精馏塔使乙苯、甲苯和苯三者得到分离。乙苯 苯乙烯分离塔的釜液则通过精苯乙烯塔实现分离提纯，塔顶获得高纯度精苯乙 烯，塔釜为含有苯乙烯的重质馏分液，塔釜液再通过闪蒸罐等设备，最大限度回 收其中的苯乙烯。 在四塔流程中，苯乙烯只在乙苯苯乙烯分离塔和精苯乙烯塔两座精馏塔中 经历两次加热，有利于减少苯乙烯自聚。 本装置的分馏精制工艺对以下几个问题作了充分考虑： 乙苯苯乙烯分离塔，该塔是分馏流程中第一座分馏塔，也是最为关键的一 座塔。本工艺包采用高真空低温精馏工艺( 塔顶压力控制在12 k p a ) ，降低塔釜 温度，较大程度地减少苯乙烯的聚合损失，降低原料乙苯的单耗；同时，可以增 加乙苯和苯乙烯之间的相对挥发度。乙苯苯乙烯分离塔顶馏出液的工艺设计指 标为苯乙烯含量1 0 w t 。 乙苯回收塔，该塔实现乙苯同苯、甲苯分离。塔底所得乙苯循环使用；塔顶 馏出的苯和甲苯送入苯甲苯塔进行分离。 精苯乙烯塔，精苯乙烯塔底设外置立式热虹吸再沸器。考虑到该塔釜液粘度 较大，热虹吸再沸器形成的釜液自然循环可能导致传热效果欠佳，为此特地从该 塔釜液泵出口引出一股釜液进入再沸器底部。这样，再沸器将不是单纯的热虹吸 自然循环，而是处于部分强制循环工况，有利于再沸器的传热和釜液循环 7 3 。 1 2 乙苯苯乙烯分离塔的现状 乙苯苯乙烯分离塔是苯乙烯装置关键设备，乙苯脱氢单元反应后的脱氢液 进入乙苯苯乙烯分离塔，该塔以乙苯和苯乙烯作为关键组分，在塔釜得到粗苯 乙烯，然后粗苯乙烯进入精苯乙烯塔进行精制；塔顶得到乙苯、甲苯、苯等轻组 分。t - 4 0 1 塔直径为5 6 0 0 m m ，采用2 5 0 y 型板波纹填料，填料总高度为4 0 m ， 分六段安装，其结构如图1 1 所示。该塔采用低温精馏工艺h 1 ，设计苯乙烯生产 第一章乙苯苯乙烯分离塔存在的问题 能力为2 0 0 k f f a ，年操作时间8 0 0 0 小时。塔顶设计苯乙烯含量小于1 ，塔釜乙 苯含量小于o 1 5 w t 。 苯乙烯 h 2 + c 0 2 ( 2 - 9 ) a h r = - - 9 8 4k c a l g - t o o l 在水蒸汽浓度很高时，反应式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 可能被下列反应所代替： c 6 h 5 c h 2 c h 3 + 2 h 2 0 一c 6 h s c h 3 + c 0 2 + 3 h 2 ( 2 1 0 ) a h r = 2 6 14k c a l g m o l c 6 h 5 c h 2 c h 3 + 2 h 2 0 一c 6 h 6 + c 8 4 - f - c 0 2 + 2 h 2 ( 2 - 1 1 ) a i - i r = 16 3 6k c a l g m o l 由上列式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 至式( 2 1 1 ) 主、副反应可知，在水蒸汽存在 下的乙苯催化脱氢，除生成目的产物苯乙烯外，副产物主要有：氢气、苯、甲苯、 甲烷、乙烯、二氧化碳，一氧化碳等。 在乙苯脱氢工艺中，除了发生主反应式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 至式( 2 1 1 ) 诸 副反应外，原料乙苯中的化学杂质也发生反应，生成物还会进一步发生反应，故 最终生成物还含有另一些副产物，如二甲苯裂解、异丙苯脱氢生成0 c 甲基苯乙烯、 聚苯乙烯及焦油等。 值得指出的是：上述诸多反应也可以发生在催化剂床层之外的高温区域，如 反应器的入口管线和入口处。这些区域称为“无效体积”。由于无效体积中没有 催化剂，因此乙苯生成苯乙烯的选择性远远低于催化剂床层中的选择性，从而降 低了原料乙苯的有效利用率。为了提高苯乙烯收率，先进合理的脱氢反应器在设 计上应尽量减少无效体积。 反应产物经过油水分离后，油相被送至苯乙烯精制单元进行精制口1 。 2 2 苯乙烯精馏工艺的新进展 2 2 1 新型填料的开发和利用 苯乙烯装置乙苯苯乙烯分离塔是关键分离设备，通常最少需要8 0 块理论塔 板。当苯乙烯的原料乙苯是以催化干气( 稀乙烯) 制得时，乙苯中会有小于等于 0 2 的二甲苯( 间位：对位：邻位= 4 5 ：3 8 ：1 7 ) 带入脱氢液( d m ) 中，其中邻 二甲苯的常压沸点为1 4 4 4 ，与苯乙烯的沸点非常接近，更增加了苯乙烯单体 精馏的难度。这时乙苯苯乙烯分离则需要更高的理论塔板。目前乙苯苯乙烯分 离塔的设计基本上都采用金属板波纹型规整填料，当然塔内件如液体分布器、液 体收集再分布器、气体分布器等的设计也很重要h 1 。 国内天津大学化学工程研究所和天津大学填料塔新技术公司曾在岳阳石化 9 第二章文献综述 公司涤纶厂、常州化工厂、上海高桥化工厂、吉化1 0 4 厂等，成功地采用金属板 波纹填料改造了乙苯苯乙烯分离塔。天津市新天进公司曾在抚顺化工塑料厂成 功地采用规整填料改造了乙苯苯乙烯分离塔，并成为中国石化总公司乙苯苯乙 烯分离塔改造样板塔。该公司还对齐鲁石化公司引进的乙苯苯乙烯分离塔进行 了改造，使塔顶苯乙烯损失量从4 左右降到1 2 以下。上海化工研究院也曾 在兰化公司进行过类似的改造阳1 。茂名石化2 0 0 4 年对其乙苯苯乙烯分离塔也进 行了改造，使得塔顶苯乙烯含量降低到了1 以下，取得了比较好的效果。 二十多年来，填料塔以其优良的的综合性能不断推广应用于工业生产中，改 变了板式塔长期占统治地位的局面，近几十年来国内外学者对填料塔进行了大量 的研究。主要集中在以下几个方面。 优化填料结构，开发多种规格和材质的高效率、低压降、大通量的填料，散 装填料包括金属、塑料、陶瓷阶梯环填料( c m r ) 和金属环矩鞍填料( i m t p ) 等，规整填料包括网波纹填料、板波纹填料等。其中苏尔寿( s u l z e r ) 公司推出 的规整填料o p t i f l o w 的效果较为引人注目，塔内持液量少，对伴有聚合物产物或 反应产物的操作过程尤其有利。另外，国内还有部分学者试图把板式塔与填料塔 两者结合起来，构成复合塔哺 1 川。 对塔内件进行优化匹配，一方面根据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿 塔高的分布来选择最合适的填料并优选其结构参数；另一方面是合理的设计气 体、液体分布器等塔内构件。一个优化匹配良好的填料塔对于顺利开车和运行是 绝对必要的u 剖。 2 2 2 对填料层内液体的流动与分布进行研究 众多学者对这个问题进行了大量的研究，t o u r 和l e r m a n 用随机游动机理解 释的填料层中的液体滴流流动；c i h l a 和s c h m i d t 推导出的著名的径向扩散模型； g u n n 在扩散模型基础上提出的流函数模型等。近代流体力学的发展给我们提供 了计算填料层内部流体流动的可能性，即计算流体力学技术，以严格的 n a v i e rs t o k e s 方程( 或r e y n o l d s 方程) 及连续性方程求解散为流动。英国伦敦 帝国学院s p a l d i n g 教授曾用计算流体力学方法计算了浅填料床层中的压力分布， 并将此法命名为p h o e n l c sn 2 1 引。 2 2 3 对蒸馏过程进行模拟 蒸馏过程的模拟计算已有长达半个世纪的历史，特别随着计算机技术的发展 与应用得到迅速发展，早期的模拟计算是针对板式塔进行的，假设各分离级均处 第二章文献综述 于汽液平衡状态，且级内液相和气相均处于完全混合，然后在每一平衡级中写出 m e s h 方程，联立求解。这种模拟方法的缺点是不反映塔内实际情况，实际蒸馏 的每一级并不处于气液平衡状态，因此要用总塔效率或板效率来校正，这就带来 较大的误差。8 0 年代中期提出非平衡级模拟方法，认为只在气液界面上存在平 衡关系，而由界面向主体的传质速率则由传质方程r 来计算，即在每级中写出 m e r s h 方程，然后联立求解。其缺点是仍然假设级内是完全混合的，但只有在 塔径很小时，全混合的假设才适用，对于大型塔会引入较大误差。9 0 年代又发 展了三维非平衡混合池模型。对于每一个混合池加入点效率方程，即在每一级中 写出m e p s h 方程，然后联立求解。实践应用证明，其预测的浓度及温度分布曲 线与于实际情况吻合较好，这种方法可用于填料塔的模拟。 除稳态蒸馏过程模拟外，非稳态蒸馏的模拟亦日益受到重视，动态模拟主要 用于：开工过程、控制循环操作过程、分批蒸馏以及过程控制。其中后二者对一 般工业生产尤为重要。另外，某些特殊蒸馏的稳态过程模拟，如反应蒸馏、三相 蒸馏等也有一些报道，其数学模型的基本方程与常态蒸馏过程相同，只是在相平 衡关系上需要有附加方程联立求解。 目前常用的化工模拟软件较多，其中a s p e np l u s 和p r o i i 最为有名，这些 软件在静态模拟方面与实际情况较为吻合，因此在企业内得到广泛的应用口引。 2 2 4 精馏技术的现状及展望 分子蒸馏技术对于一些热敏性极强的物料如二十八烷醇和三十烷醇的分离， 可以采用分子蒸馏技术。分子蒸馏是一种在高真空度条件下进行非平衡分离操作 的连续蒸馏过程。它可以使系统的操作压力达到o 1 p a ，物料在受热区停留时间 只有几秒，甚至零点几秒钟，因此该过程已成为分离目的产物最温和的蒸馏方法， 分子蒸馏技术是一种非平衡蒸馏，其分离效率低于一般的蒸馏。分子蒸馏技术已 广泛应用于工业生产，如天然维生素e 的提纯等。国外已经将实验室小试装置成 功放大至年产万吨级的工业装置，如处理棕榈油的大型装置等。但是，有关分子 蒸馏基础理论的研究非常少，还无法从理论上指导分子蒸馏器的设计，当前的分 子蒸馏器的设计主要是依靠经验，目前只局限于对降膜式分子蒸馏器和离心式分 子蒸馏器液膜内流动状态及传热和传质以及气相分子的运动状况的研究，还没有 涉及刮膜式分子蒸馏器的研究。这是因为在很多情况下，降膜式和离心式分子蒸 馏器内液膜的流动状况可以看成是稳态层流，而刮膜式分子蒸馏器内的液膜流动 为非稳态的湍流流动。国内对分子蒸馏技术的研究起步较晚，技术基础比较薄弱， 现在还处于消化吸收及小试研究阶段，分子蒸馏器的设计也是以模仿国外同类产 品为主。在应用研究方面，一个很重要的课题就是扩大分子蒸馏技术的应用领域， 第二章文献综述 尤其是对一些分离难度大的天然药物产业领域的扩张，全面提升原有产品的档 次。 蒸馏技术发展至今，其发展方向已经从常规蒸馏转向解决普通蒸馏过程无法 分离的问题，通过物理或化学的手段改变物系的性质，使组分得以分离，或通过 耦合技术促进分离过程，并且要求低能耗、低成本，向清洁分离发展。在蒸馏基 础研究方面：研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬态发展；研究目 标由现象描述向过程机理转移；研究手段逐步高技术化；研究方法由传统理论向 多学科交叉方面开拓n 7 2 。分子蒸馏技术分离苯乙烯仍停留在实验室阶段，其 大规模应用还有待时日，但其低温、高真空的特点，可显著降低苯乙烯的聚合损 失，有着广泛的应用前景。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 3 1 填料精馏塔常见故障诊断及处理 填料塔达不到设计指标统称为故障。填料塔的故障可由一个因素引起，也可 能同时由多个因素引起，一旦出现故障，工厂总是希望尽快找出故障原因，以最 小的费用尽快解决问题。故障诊断者应对塔及其附属设备的设计及有关方面的知 识有很深的了解，了解得越多，故障诊断越容易。 若故障严重，涉及安全、环保或不能维持生产，应立即停车，分析、处理故 障。 若故障不严重，应在尽量减少对安全、环境及利润损害的前提下继续运行。 在运行过程中取得的数据及一些特征现象，在不影响生产的前提下，做一些操作 变动，以取得更多的数据和特征现象。如有可能还可以进行全回流操作，为故障 分析提供分析数据。 分析过去的操作数据，或与同类装置相比较，从中找出相同与不同点。若塔 操作由好变坏，找出变化时间及变化前后的差异，从而找出原因。 故障诊断不要只限于塔本身，塔的上游装置及附属设备，如泵、换热器以及 管道等都应在分析范畴内。 仪表读数及分析数据错误可能导致塔的不良操作，每当故障出现，首先对仪 表读数及分析数据进行交叉分析，特别要进行物料平衡，能量平衡及相平衡分析， 以确定其准确性。 有些故障是由于设计不当引起的，对涉及引起故障的检查应首先检查设计图 纸，看是否有明显失误之处，分析失误是否为发生故障的原因；其次，要进行流 体力学核算，核算某处是否有超过上限操作的情况，此外，还需对实际操作传质 进行模拟计算，检查实际传质效率的高低。填料塔常见的故障诊断与处理方法如 下。 液体分布器分布不均匀，主要原因有设计存在问题、分布器堵塞、腐蚀漏液、 超过操作弹性、分布器分布不良。主要表现为塔的效率差，压降与设计差异大。 通常可根据各段的分离效率，确定哪个分布器分布不良，由于分布器堵塞、安装 水平度差及分布器入口液体入口不良引起的效率低，通常增加回流并不能使效率 提高；设计存在问题、超过操作弹性引起的效率低，调整同流可使效率提高。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 气体分布不均，通常为塔釜气相入口无气体分布器，主要表现为塔的效率差， 压降与设计差异不大，减少气相负荷或增加回流可明显改善分离效率，气相入口 无分布器还会引起雾沫夹带，在高负荷操作时压降大。有时达不到设计负荷。 液体收集器漏液，塔的分离效率差，由于降液管太小或入口阻力大，造成降 液困难，液体由升气管漏液，往往造成雾沫夹带，使压力增加，通量下降，增加 回流往往造成压力增高，效率下降，低负荷操作往往有高的分离效率。由于) 密 封不好，漏液或百叶窗式收集器溅液，压力降通常与设计差异不大，增加回流分 离效率一般提高，降低负荷操作分离效率也不高。 同一塔中选择多种填料，填料位置安装错误，达不到设计负荷，低负荷操作 某段填料分离效率低，高负荷时，低负荷效率高的那段填料效率下降、压降高。 填料安装不好，散装填料填充太松、规整填料每块之间及与塔擘之间间隙大， 填料变形大，散装填料安装挤压太紧。填料安装太紧，通常表现为阻力大，操作 上限低，降低操作负荷，分离效率可提高。填料安装太松，通常效率低，阻力小， 增加回流可使分离效率提高。 对于理论级数很多的大直径分段填料塔，采用液体收集器、分布器一体化液 体收集再分布器，液体没有完全混合，浓度分布不均匀，影响分离效率o 。 3 2 乙苯苯乙烯分离塔操作状况 自苯乙烯装置于2 0 0 4 年l o 月扩能改造完成， 1 - 4 0 1 塔未能达到设计生产能 力，仅为设计能力的9 0 ，严重制约着装置达标，成为生产的瓶颈。同时t - 4 0 1 塔的分离效果较差，塔顶苯乙烯含量较高，9 0 负荷下，塔顶苯乙烯含量8 左 右，远远高于1 的设计值。 由于t - 4 0 1 塔顶苯乙烯含量较高，苯乙烯损失严重，导致物耗较高，并且严 重影响到装置的正常运行，造成乙苯脱氢反应转化率降低、选择性下降，并造成 装置管线、设备堵塞。尤其是苯乙烯聚合易造成t - 4 0 1 塔的分布器堵塞，进一步 影响该塔的分离效果。 t - 4 0 1 操作状况不好，造成了能耗、物耗偏高，造成经济效益的流失。 t - 4 0 1 塔2 0 0 4 年1 0 月2 0 0 5 年2 月进料负荷及产量统计数据见柱状图1 2 所示。 2 0 0 5 年2 月乙苯苯乙烯分离塔的塔顶和塔釜分析数据，见表1 3 。 2 0 0 5 年2 月份t - 4 0 1 塔顶苯乙烯含量( s - 4 0 0 9 ) 分析的折线图见图3 - 1 。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 图3 1t - 4 0 1 塔顶苯乙烯含量的变化( 图中数据为日均值) f i g u r e3 1t h ea n a l y s i sd a t ac h a n g e so ft - 4 01t o p 2 0 0 5 年2 月份t - 4 0 1 塔釜苯乙烯含量( s - 4 0 0 7 ) 分析结果折线图见图3 2 。 图3 2t - 4 0 1 塔釜苯乙烯含量的变化( 图中数据为日均值) f i g u r e3 - 2t h ea n a l y s i sd a t ac h a n g e so ft - 4 0 1b o t t o m 3 3 乙苯苯乙烯分离塔的工艺调整试验 鉴于目前的生产操作状况，为了弄清影响该塔分离效果的原因，制定如下工 艺调整方案。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 为防止工艺调整过程中苯乙烯产品出现不合格，污染苯乙烯产品，必须在调 整前将合格苯乙烯全部送出。保证苯乙烯储罐t a 5 0 8 一个罐为空罐，另一个维 持较低液位。防止因工艺调整导致产品不合格而出现产品堵库现象。 t - 4 0 1 进料负荷逐步降低，由目前的5 4 m h 降至4 0 m 。h ，塔压由1 4 k p a 逐 步调整至1 2 k p a ，整个调整过程中，一定要控制好蒸汽量和回流，首先要保证塔 釜苯乙烯产品合格。 改变进料位置的，在进行进料口切换时，首先打开上进料口，然后关闭下进 料e l 。切换后，稳定好蒸汽流量和回流量，使回流维持在1 3 0 - 1 4 0 m 3 h 之间， 在保证塔釜合格的基础上，逐步调整塔顶采出，使塔顶苯乙烯含量( s - 4 0 0 9 ) 降 低到3 左右。 然后根据分析结果，逐步提高t - 4 0 1 进料量，t - 4 0 1 进料最终调整到5 0 m 3 h 。 在进料量为4 7 m 3 h 时，保持进料量不变，稳定t - 4 0 1 塔操作，将回流稳定在1 4 0 左右，微调蜉：顶采出，使塔顶、塔釜都达到最佳状态，此时塔顶苯乙烯应小于 3 ，塔釜乙苯应小于0 1 ，然后可继续增加进料量。 工艺调整期间，一旦苯乙烯产品不合格，立即将苯乙烯改进不合格苯乙烯罐 t a 5 0 9 。 工艺调整期间，回收乙苯严禁直接进入脱氢单元，回收乙苯全部进入乙苯罐 t a 5 0 5 。 工艺调整期间，分析频率如下进料s - 4 0 0 8 、塔顶s - 4 0 0 9 、塔釜s - 4 0 0 7 每4 小时分析一次，取样必须有代表性，以上三个样取样时间应同时。工艺调整期间 视情况可适当加样分析。 工艺调整期间，要加强塔顶罐v - 4 0 1 及脱氢液罐t a 5 0 7 的切水操作，以防 止进料含有游离水对工艺造成影响。 3 3 1 乙苯苯乙烯分离塔的压力调整试验 通过调整乙苯苯乙烯分离塔的操作压力，考察该塔分离效果的变化。减压 对乙苯一苯乙烯相平衡的影响，减压确实大大降低了乙苯一苯乙烯的泡、露点， 但相对挥发度几乎不随塔内液相组成变化。 在9 0 负荷情况下，将乙苯苯乙烯分离塔的操作从1 2 k p a 逐步提高到1 4 k p a ， 其它条件不变，塔顶苯乙烯含量和塔釜苯乙烯的组成基本不变。压力调整后塔顶 苯乙烯仍然维持在8 左右，塔釜苯乙烯含量在9 9 7 左右。 由于提高了操作压力，塔内气相动能因子减小，相应的精馏塔的处理能力会 有所提高。但分离效果没有显著变化。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 3 3 2 乙苯苯乙烯分离塔的负荷调整试验 维持乙苯苯乙烯分离塔的操作压力不变，仍保持1 2 k p a ，然后，降低乙苯 苯乙烯分离塔操作负荷，操作负荷由9 0 调整到7 0 左右，保持乙苯苯乙烯分 离塔进料量为3 5 m 3 h ，回流比按设计值操作。操作分析数据如下表3 2 所示。 表3 1乙苯苯乙烯分离塔负荷调整操作分析数据 t a b l e3 lt h ea n a l y s i sd a t a o fe t h y l b e n z e n e s t y r e n ed u t ya d j u s t e d 通过以上分析数据，发现此时乙苯苯乙烯分离塔的操作状况明显好于9 0 负荷时的操作状况，由于回流比不变，进料量减少，塔顶采出减少，回流量减少， 乙苯苯乙烯分离塔内液、汽相负荷减少，尤其是提馏段液相负荷减少明显，同 时前面已经排除了乙苯苯乙烯分离塔分离效果差是由气相负荷引起的，因此可 以得出结论，该塔分离效果差的一个重要原因是由液相负荷引起的。 3 3 3 乙苯苯乙烯分离塔加料位置调整试验 正常生产情况下，采用下进料口进料，精馏段填料高度2 3 米，提馏段填料 高度1 7 米，采用a s p e np l u s 软件模拟，精馏段、提馏段均满足要求。 由于塔顶苯乙烯含量较高，考虑可能原因为精馏段填料高度不足，理论板数 较少，不能满足分离要求。但事实上精馏段填料高度2 3 米，相当于4 6 块理论版， 相比之下提馏段填料高度仅为1 7 米，相当于3 4 块理论版。而塔釜苯乙烯含量为 9 9 7 左右( 9 9 7 以上为优级品) ，欲提高苯乙烯产品品质，则塔顶夹带苯乙烯 损失越多。 假定 i - 4 0 1 塔提馏段填料高度不足，理论板数较少，即使精馏段理论板数充 足，能够满足精馏要求，由于控制塔釜苯乙烯浓度不低于9 9 7 ，受精馏物料平 衡的影响，必然导致塔顶苯乙烯含量异常升高。精馏塔物料平衡方程如下所示。 f = w + d 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 f 术x f = w , x w + d * x d 其中，卜一进料流量 卜塔釜采出流量 卜塔顶采出流量 x 广某一组分的进料组成 x 广该组分的塔釜采出组成 x d _ 该组分的塔顶采出组成 由物料平衡方程可以看出，如果塔釜产品为主要产品，应严格控制组分中轻 组分的含量，当塔釜组成不能满足质量要求时，可以通过提高塔顶采出的方法， 改变物料平衡，此时塔顶重组分含量增加，塔釜轻组分减少，产品质量随之改善， 但塔顶中夹带的重组分增多，产品损失增加。乙苯苯乙烯分离塔是否属于此种 情况呢? 为验证该假定成立，调整t - 4 0 1 的加料位置，将加料位置由下进料口改至上 进料口，此时精馏段填料高度1 1 2 米，相当于2 2 4 块理论板，提馏段2 8 8 米， 相当于5 7 6 块理论板，此时提馏段理论板数富余，精馏段理论板数不足。 改变进料位置后，操作分析数据如下表3 3 所示。 表3 2 上进料口位置进料操作分析数据 t a b l e3 - 2t h ea n a l y s i sd a t ao fe t h y l b e n z e n e s t y r e n eu p f e e d i n g 从数据可以看出，改为上进料e l 进料后，t - 4 0 1 操作状况有所好转，塔顶苯 乙烯夹带明显减少，同时塔釜苯乙烯浓度提高，产品品质得到改善。因此原假定 t - 4 0 1 塔提馏段填料高度不足，理论板数较少，得到了验证。t - 4 0 1 塔分离状况 较差的原因是由提馏段引起的，原因可能是填料高度不足或者其他原因导致乙苯 苯乙烯分离塔填料效率下降。 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 3 3 4 工艺调整试验结论 通过工艺调整试验，对乙苯苯乙烯分离塔的操作状况得出以下结论，首先 乙苯苯乙烯分离塔分离状况较差的原因是多方面的，其中主要是设计原因造成 的。存在问题如下，乙苯苯乙烯分离塔分离状况欠佳，与塔内液相负荷、气相 负荷关系密切相关，并且可能存在的原因为液相分布不均、气相负荷过大或者是 塔内填料及塔内件安装不规范导致的。 其次该塔进料位置存在问题，导致提馏段填料高度不足，提馏段理论板数不 足，使得乙苯苯乙烯分离塔物料平衡出现问题，导致了分离效率的下降。提馏 段理论板数不足可能的原因其一为提馏段填料及塔内件安装不规范导致的，其二 为设计失误导致的。 3 4 软件模拟运算 采用上加料口时，通过a s p e n 软件模拟对乙苯苯乙烯分离塔进行分析，在 塔釜粗苯乙烯满足质量要求的情况下，计算结果为，塔顶苯乙烯含量为2 5 ， 对比采用上进料口的操作情况，模拟结果与操作基本吻合。 原方案按8 0 块理论板设计，对原工艺包数据和现在实际操作数据均已核算， 完全满足设计要求。 实际中体现出填料效率下降的主要原因是第1 段以下填料段液体分布严重 不均匀。因此，针对第1 段以下填料均按比例折算填料效率。结合工业试验数据 和工业运行数据对填料效率加以分析。数据分别见表3 3 、3 - 4 、3 - 5 、3 - 6 。 1 9 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 表3 3 上进料试验，1 段以下折填料效率( 2 0 0 4 年1 2 月2 2 日数据) t a b l e3 - 3t h ep a c k i n ge f f i c i e n c yu n d e rf i r s tp a c ks t a g e ，u p f e e d i n g 表3 - 4 下进料试验，1 段以下折填料效率 t a b l e3 - 4t h ep a c k i n ge f f i c i e n c yu n d e rf i r s tp a c ks t a g e d o w n - f e e d i n g 表3 5上进口运行数据6 5 填料效率验证( 1 0 0 负荷) t a b l e3 - 5 o p e r a t i o nd a t ao fe f f i c i e n c y6 5 。u p f e e d i n g ( d u t y10 0 ) 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 o 6 5l8 4 83 7 4 45 5 9 2 运行数据 7 8 7 7 8 0 0 6 o 0 6 2 1 3 2 1 3 如果将一段以下，效率小于6 5 的填料更换为5 0 0 x 填料，模拟计算结果如 下见表3 - 7 、3 - 8 。表3 7 上进料操作，1 段以下折填料效率，换5 0 0 x t a b l e3 - 7t h e5 0 0 xp a c k i n ge f f i c i e n c yu n d e rf i r s tp a c ks t a g e ，u p f e e d i n g 表3 8 下进料操作，l 段以下折填料效率，换5 0 0 x t a b l e3 - 8t h e5 0 0 xp a c k i n ge f f i c i e n c yu n d e rf i r s tp a c ks t a g e d o w n f e e d i n g 更换5 0 0 x 填料后，一段以下6 5 的填料效率满足设计要求。更换5 0 0 x 填 料后，一般宜采用上段进料，但如果保证l 段以下填料效率在8 0 以上，则采用 下段进料分离效率更高。 2 1 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 3 5 乙苯苯乙烯分离塔原设计方案分析 3 5 1 乙苯苯乙烯分离塔的结构 大量的操作数据和试验数据表明，乙苯苯乙烯分离塔的设计安装存在一定 问题，凶此有必要对乙苯苯乙烯分离塔的原设计方案、设计条件进行重新核算， 以便找出设计安装存在的问题，便于制定乙苯苯乙烯分离塔的改造方案和对该 塔进行改造，使之满足设计要求。 原设计方案为精馏段3 段填料，提馏段3 段填料，共计6 段，采用的是规整 填料2 5 0 y 板波纹填料，理论板数：8 0 块( 不含塔底再沸器和塔顶冷凝器) ，最佳 进料位置：第3 4 块。乙苯苯乙烯分离塔结构图见图3 3 、3 - 4 。 o “i 丽一谚毒n 勘墨 嚣一x 雾 1 l f 避l 。 嚣 嬗辩豆煮、 蕞佳长善叠一。一一一，_ ! 、。 孙鬟 掣，； 兰乏x = j 譬 髓竣鼻。； l l - 。j 一， 。 n - 。单，9 姜。 姆哆灭塞 i 哺0 i ；盯 。- di 一 卜 j 章圆萋j_-一， 图3 3 乙苯苯乙烯分离塔结构图a f i g u r e3 3e t h y l b e n z e n e s t y r e n ec o l u m ns t r u c t u r ea 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 晨橱 图3 4 乙苯苯乙烯分离塔结构图b f i g u r e3 - 4e t h y l b e n z e n e s t y r e n ec o l u m ns t r u c t u r eb 原设计工艺计算数据见表3 9 、图3 5 、3 6 。 表3 - 9乙苯苯乙烯分离塔工艺计算数据 t a b l e3 - 9 e t h y l b e n z e n e s t y r e n ec o l u m ns i m u l a t i o nd a t a 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 1 4 1 3 童1 2 枢 11 豁： 1 0 2 02 53 03 54 0 进料理论板序号 图3 5 进料板位置与热负荷关系曲线 f i g u r e3 - 5f e e d i n gt r a ya n dh e a td u t yr e l a t i o nc u r v e 7 5 蔓 蜒7 叵 6 5 2 53 03 54 0 进料理论板序号 图3 - 6 进料板位置与回流比关系曲线 f i g u r e3 - 6f e e d i n gt r a ya n dr e f l u xr a t i or e l a t i o nc u r v e 3 5 2 流体力学分析 + 塔底熟 + 塔顶熟 + 回流比 精馏段流体参数见表3 1 0 。 塔内径：5 6 0 0 m m ，填料高度：2 3 0 0 0 m m ，填料：2 5 0 y 板波纹填料。 2 4 第三章乙苯苯乙烯分离塔操作状况分析 表3 - 10 精馏段流体参数分析 t a b l e3 - 1 0 f l u i d - d y n a m i c sa n a l y s i so f r e c t i f y i n gs e c t i o n 提馏段流参数分析见表3 1 1 。 。 塔内径：5 6 0 0 m m ，填料高度：2 3 0 0 0 m m ，规整填料2 5 0 y 板波纹填料。 表3 11 提馏段流体参数分析 t a b l e3 11f l u i dv a l u ea n a l y s i so fs t r i p p i n gs e c t i o n 从以上数据可以看出，原设计数据均在正常设计范围内，出现分离效果差的 第= 章l 苯苯l 烯丹高塔撮作状况分析 原因根可能是填料安装存在问题或是存在