（化学工程专业论文）炼油常减压装置中减压塔技术改造.pdf

中文摘要 本文以安庆石化总厂炼油厂i 套常减压装置中减压塔改造为实例，针 对在常减压装置减压蒸馏塔改造过程中经常遇到的如处理量瓶颈、塔内填 料段的优化设计等关键性问题提出解决方案。 通过实例分析，发现提高处理量后原塔中减二中气相负荷因子f 较大， 而填料的泛点因子c 达到了全塔最大值，成为全塔瓶颈。而采用新工艺方 案，即洗涤段采用冷回流可以有效降低减二中段气液相负荷。该方案在瓶 颈板负荷接近极限负荷的场合下是安全的。在汽提段，气相负荷上下变化 很大，采用塔板存在漏液或雾沫夹带问题，而使用规整填料，一是可以增 加汽提段理论板数以提高拔出率，二是可以适应汽提段气相负荷较大的变 化。减压蒸馏塔的一个显著特点是气液操作负荷沿塔高方向具有非常剧烈 的变化( 即使在一段填料内也如此) 。因此在确定填料型号和高度时必须对 此特点予以充分重视。为了和变化剧烈的气液负荷相适应并满足分离所需 的理论板数，整个塔身需要布置多种不同型号的规整填料，甚至在某些情 况下同一填料段内填料型号也是不相同的。这不仅增加了减压精馏填料塔 的设计和改造难度，同时存在一个如何进行填料床层的优化设计问题。本 文提出基于非平衡级模型的减压塔填料床层优化设计方法，使减压塔内填 料布置更加合理。 另外，采用新型规整填料一组片式波纹填料可以增加了减压塔的操作 弹性；提出了改进的气体分布器及集油箱的方案，并给出了制作公式或设 计校核。 置 关键词：原油蒸馏、减压蒸馏塔、脱瓶颈、填料塔设计、气体分布装 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , r e v a m p i n gp r o j e c t a n dr e l a t e ds t u d i e so nt h ev a c u u n l d i s t i l l a t i o nc o l u m no fn o 1c r u d eu n i to fr e f i n e r yo fa n q i n gp e t r o c h e m i c a l p l a n ti sr e p o r t e d n e wa p p r o a c h e sa r ep r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m st h a ta r e u s u a l l ye n c o u n t e r e di nr e v a m p i n go f v a c u u mc o l u m ni nc r u d eu n i to f r e f i n e r y ， s u c ha sd e b o t t l e n e c ko fc o l u m ns e c t i o n sw h e ni n c r e a s i n g t h r o u g h p u t a n d o p t i m a ld e s i g no f p a c k i n gl a y e r s b yc l o s ea n a l y s i s o nt h el i q u i da n dg a sl o a d si nt h eu n d e r l i n ev a c u u n l d i s t i l l a t i o nc o l u m nf o rs a t i s f y i n ga l li n c r e a s e dt h r o u g h p u td e m a n d i ti sf o u n d t h a tt h e1 0 w e s tp u m pa r o u n ds e c t i o no ft h ec o l u m ni sc r i t i c a li nd i a m e t e ra st h e f l o o d i n gf a c t o rw i t l l i nt l l i ss e c t i o ni si u s th i g h e rt h a n 也e t o l e r a t i o n t os o l v et h i s p r o b l e m ，ac o l dr e f l u xp r o c e s s i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e dt om o v e a p a r to ft h e h e a td u t yf r o mt h ep u m pa r o u n ds e c t i o nt ot h ew a s h i n gs e c t i o nb e l o w , a n ds o ， t or e d u c ee f f e c t i v e l yt h el i q u i da n d g a sp h a s e l t a di nt h eb o t t l e n e c ks e c t i o n i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tt h i sm e t h o dc a nb es a f e l yu s e dw h e nt h el o a di nb o t t l e n e c k s e c t i o ni sn o tt o of a rh i g h e rt h a l lt h em a x i m u m1 t a da l l o w e d t od e a lw i t ht h e d i f f i c u l t i e si n d e s i g n o fs t r i p p i n g s e c t i o n ，w h i c h i sc h a r a c t e r i z e d b yl a r g e d e v i a t i o no n l i q u i dl o a d ，w ep r o p o s e t oa p p l ys t r u c t u r ep a c k i n ga si tc a n p r o v i d e b o t hs t a b l eo p e r a t i o nu n d e rv e r yl a r g ev a r i a t i o no nl o a da n dh i g he f f i c i e n c yo f s e p a r a t i o n a n o t h e rd i f f i c u l t yo nd e s i g no fv a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m ni st h a t g a sa n dl i q u i dl o a dc h a n g ed r a m a t i c a l l ya l o n gt h ec o l u m nh i g h s ot h et y p ea n d 1 a y e rh i g h n e s so fp a c k i n gi ne a c ho f t h ec o l u m ns e c t i o n ss h o u l db es os e l e c t e d t h a tt h ec a p a c i t yo rt h ep e r c e n t a g et ot h em a x i m u ma l l o w a b l el t a df o re a c h s e c t i o na r e a p p r o a c ht ob e i n ge v e n i nt h i sp a p e gt h ea r r a n g e m e n to ft h e p a c k i n ga l o n gt h ec o l u m ni so p t i m i z e db yan o n - e q u i l i b r i u ms t a g ee v a l u a t i o n o n p a c k i n gh i g h ，a n dl o a dc h e c k i n go np a c k i n gt y p e i na d d i t i o n t oc a t c hu pw i t ht h ed e m a n df o rb i g h e rp e r f o r m a n c eo ft h e v a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m n 。w ei n t r o d u c ean e w l yd e v e l o p e ds t r u c t u r ep a c k i n g - z u p a k ，w h i c hc a nl e a dt ol o w e rp r e s s u r ed r o p ，h i g h e rc a p a c i t ya n de f f i c i e n c y a n d h i g h e rf l e x i b i l i t y f i n a l l y , s t r u c t u r e s o f g a s d i s t r i b u t o ra n d l i q u i d a c c u m u l a t o ra r ei m p r o v e df o rl a r g ed i a m e t e rc o l u m n s k e y w o r d ：c r u d eu n i t ，v a c u u m d i s t i l l a t i o n ，d e b o t t l e n e c k ，p a c k e dc o l u m nd e s i g n ， g a sd i s t r i b u t o r 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己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔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己在沧文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：怀f ， 签字日期：j 矽土年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘差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) 学位论文作者签名：1 可悸 导师躲豸。事 彳f 习 签字同期：h j 年，月 ，日签字日期：a p c 辟i 乞月曰 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 燃料型减压塔的特点 燃料型减压塔的主要任务是将常压渣油，即经过初馏及常压拔出轻油 后的常底油进步拔出蜡油，从而为裂化装置提供原料。对催化裂化原料 的质量要求主要是残炭值要尽可能低( 即胶质、沥青质的含量要少) ，以免 裂化催化剂上生焦太多。同时还要求控制重金属，特别是v 和n i 的含量， 防止催化剂中毒。如果生产加氢裂化原料，则主要控制胶质沥青质含量， 以避免催化剂上焦炭沉积严重，而重金属含量则无需限制。裂化原料的馏 分组成要求是不严格的，所以对燃料型减压塔分馏精确度的要求就远较常 压塔和润滑油型减压塔为低。对提供蜡油催化原料的燃料型减压塔的工艺 要求可归结为：在控制杂质含量的前提下，尽可能提高拔出率或称拔出深 度以扩大裂化原料的来源。 由于国民经济对发动机燃料的需要量比对润滑油的需要量大得多( 仅 就数量、非指品种而言) ，所以燃料型减压塔的处理量通常都是很大的，塔 径也很粗。因而怎样缩小塔径、提高处理能力，就和提高真空度一样，成 为燃料型减压塔的关键问题。 提高真空度的问题，对润滑油型减压塔同样存在，只是对燃料型减压 塔更为突出。提高减压塔真空度的途径不外是： 一、提高减压塔顶真空度。 二、降低从汽化段至塔顶的压降。降低从汽化段至塔顶的压降的方法 是： ( 1 ) 减少塔板数，由于减压分馏的效果比较好，燃料型减压塔又不要 求高的分馏精确度：这就为大幅度减少塔板数提供了可能性。有的燃料型 减压塔两个侧线之间只有l 一2 层塔板。 ( 2 ) 采用新型塔板，以降低汽体经塔扳时的压力降。 ( 3 ) 采用填料塔技术。填料不仅具有气液接触效率高的优点，而且压 降较低。 第一章文献综述 ( 4 ) 采用塔顶循环回流及中段循环回流。要提高塔的处理能力，关键 在于减少塔内蒸汽负荷。要降低汽相负荷而还要提高生产能力，产品蒸汽 量是不能减少的，可以设法缩减的仅回流蒸汽一项。鉴于燃料型减压塔对 分馏精确度的要求很低，因此可以尽量减少内回流的量而不必顾及分馏效 率。 为了减少内回流量，必须用循环回流耿走热量。要是让塔顶和中段回 流将其所在塔段的回流热全部取出，就可使内回流量基本上降低到零。这 样在精馏段中基本上不存在内回流，而只有产品蒸汽通过。因此塔段与塔 段之间只有升汽管相通，而没有内回流相联系。在每一个塔段中，循环回 流过冷液体将该塔段侧线产品蒸汽通过汽一液接触将其冷凝下来。这几层塔 板就成为换热塔板，在其上发生的是平衡冷凝过程，所以这种塔段事实上 是一个冷凝段，或者说是一个混合式冷凝器。每一个塔段上循环回流取走 的热量，大体相当于该侧线产品的冷凝潜热。 除了将精馏段中的内回流基本消除以外，还力求使产品蒸汽也很快减 少，以减轻全塔蒸汽负荷，减少塔板压力降。为此常使二中泵回流将大部 分侧线产品蒸汽冷凝。二中泵回流取热量常比一中泵回流取热量高出2 3 倍，而二线蜡油的收率也相应地比一线蜡油的收率多出许多。 在燃料型减压塔内也有存在内回流的地方，即汽化段上面的几层塔板。 往往是将最下面侧线的一部分送回塔中作为回流，以防止重金属、胶质的 沥青质等杂质混入蜡油中。这里一般不另设循环回流，一则是为了简化流 程，- n 是由于混入减压馏分油中的上述杂质，与其说是被汽流的雾沫状 态夹带上去的，毋宁说是从汽化段挥发上去的。于是现在倾向于认为；在 这几层塔板上用顺应于平衡组成的液相回流以精馏的方式除去这些杂质， 要比用与塔内浓度梯度不相适应的外来的循环回流来冲洗，效果更好一些。 为了保证最低侧线抽出板下有一定的回流量，通常应有1 2 的过汽化 度。对裂化原料要求严格时，过汽化度可高达4 。一般来说，过汽化度不 要过高。 第一章文献综述 1 2 减压精馏工艺技术现状 1 2 1 规整填料的应用 燃料型减压塔的基本工艺要求是在避免热分解的前提下，尽量提高拔 出率，即减压馏分油的收率。做到这一点的关键在于两点，一是提高进料 闪蒸段的真空度，二是提高减压塔的进料温度。而提高进料闪蒸段的真空 度有两种方式： ( 1 )提高减压塔顶真空度； ( 2 )降低塔顶至进料闪蒸段的压力降。 山于规整填料的压降比相应规格的散装填料低，更低于具有同样理论 级数的塔板，并且新的性能优良的分布器的成功开发保证了填料段端面的 气液相的初始分布的均匀性，使规整填料能够充分发挥其传质、传热效率 高，通量大、压降低的优点。在传热系数上，塔盘为1 8 0 0 5 0 0 0 g w m 2 k ； 乱堆填料( 鲍尔环) 为4 0 0 0 1 5 0 0 0 g w m 2 k ；规整填料( m e l l a p a k ) 为 5 0 0 0 - 1 8 0 0 0g w m 2 k ，可见规整填料的传热效率是最高的。研究表明，采 用规整填料代替浮阀塔板，在同样塔径及理论板数的情况下，处理量可增 加3 0 - - - 4 0 ，压降降低5 0 8 5 。因此，采用规整填料成为减压塔增加产量 及降低能耗的重要技术手段。 1 2 2 进料闪蒸结构的优化设计 通常认为，常压重油即减压精馏塔的进料经过减压炉加热后，以气液 两相的形式在极高的速度下进入减压塔，进行绝热闪蒸过程。虽然目前仍 不清楚该过程的实际情况，但是设计合理的进料闪蒸结构无疑有利于减少 雾沫夹带量，改善减压瓦斯油的质量，提高其收率。g l i t c h 公司、s h e l l 公 司都丌发了专用的两相进料分布器，国内也已应用了性能较好的双切向环 流式进料分布器，但可仍按闪蒸的基本原理研究设计强化闪蒸的新进料结 构，以减少不平衡压力和不平衡温度，强化闪蒸效果，提高减压拔出率。 第一章文献综述 1 2 3 洗涤段和汽提段的设计 g o l d e n 通过模拟计算研究了减压塔的洗涤段和汽提段对减压操作的影 响，指出高效率的洗涤段能够改善重减压瓦斯油的质量，同时有利于提高 减压馏分油的收率。 减压塔的汽提段不仅可以减少减压渣油中减压馏分油的含量，而且能 够改善重减压瓦斯油的质量。 第二章工程概述 2 1 改造背景 第二章工程概述 安庆炼油厂i 套常减压装置使用时间过长，设备腐蚀严重，存在很大 的安全隐患。因此该厂决定2 0 0 2 年对常减压装置进行改造。该厂现在有两 套常减压装置运转。为了节约能源、降低消耗，减少成本，需要对i 套常 减压装罱进行扩建，最大处理量达到4 5 0 万吨年。除减压塔外，常压塔及 其他冷换设备、机泵等均按最大负荷要求更换。 减压塔原内部结构见图2 1 。全塔从上至下分为六段，分别为：顶循、 减一中段循环、减二中段循环、净洗段、脏洗段、塔底汽提段。 图2 - 1 减压塔改造前的内部结构图 槲 棚一 栅一 殴一 段一 段 粞一 和一 贮一 黜一 麟一 般 氨黼嗣离型i 第二章： 程概述 2 2 基本技术参数 2 2 1 原料及性质 该装置加工管输原油及海洋原油( 惠州原油) 。其中管输原油占6 5 惠州原油占3 5 ，减压塔进料性质( 常底油) 的性质如下： 1 比重d ( 1 5 6 1 5 6 ) 0 9 4 5 2 w a t s o n k ( u o p k l 1 1 7 3 3 常底油蒸馏数据见表2 1 表2 - 1 常底油蒸馏数据 l t b p c r v a s t md 8 6 c r v 备注 io 2 8 3 2 0 12 9 0 3 1 4 5 3 5 5 5 0 83 4 0 7 4 2 1 0 3 8 3 9 3 8 3 6 2 9 4 3 3 0 4 6 7 6 2 74 3 8 9 4 6 5 0 5 3 4 5 8 34 9 7 7 2 5 7 0 6 2 0 2 2 95 7 8 0 5 4 9 0 7 6 4 5 0 96 9 8 0 2 1 9 5 8 3 0 7 5 47 4 4 7 5 1 1 0 0 8 8 9 7 8 67 9 1 4 8 1 2 2 2 各侧线收率要求 以4 0 0 万吨年规模为设计点，各侧线收率要求见表2 2 第二章工程概述 表2 - 2 各侧线收率要求 序号物流名称收率 流率k g m l 进料 1 0 03 2 3 5 0 0 2 凝缩油+ 不凝气 o 2 17 0 0 3 减一线油 7 6 42 4 7 0 0 4 减二线油 2 1 6 47 0 0 0 0 5 减三线油 1 0 0 53 2 5 0 0 6 减四线油 5 4 41 7 6 0 0 7 减压渣油 5 5 0 21 7 8 0 0 0 2 2 3 主要操作条件 主要操作条件见表2 - 3 项目单位数量备注 塔顶压力m m h g 2 0 塔顶温度 7 5 减一中回流温度 5 0 减二中回流温差 7 0 减三中回流温差 9 0 减压塔底汽提蒸汽量k g l l 5 7 0 汽提蒸汽温度 4 0 0 汽提蒸汽压力m p a 0 3 减压炉出口温度 牛3 9 5 2 2 4 设计要求 一、产品质量 装置在6 0 1 1 0 负荷运行时，减压塔应满足下列产品质量要求。 第二章工程概述 1 减三线油：残碳牛0 3 ( ) 2 混合蜡油：残碳二卜0 1 2 ( w t ) 3 减压渣油：a s t md 1 1 6 0 小于5 0 0 。c 含量牛5 ( w t ) 二、限制条件 l ，减压塔直径6 4 、壳体不变。 2 在要求的负荷范围内，全塔压降 1 5 m m h g 。 3 重量不要增加。 日- 第三章工艺改进 第三章工艺改进 3 1 洗涤段冷回流的采用 3 1 1 传统工艺存在的问题 图3 1 1 为典型的燃料型减压塔工艺流程。常底油经过减压炉加热后 进入减压蒸馏塔，进料在塔内减压条件下闪蒸，液相进入下部的汽提段， 经过汽提后成为减压渣油，气相经过三个冷却循环段冷凝并分别作为三个 侧线产品抽出，不凝气体包括水蒸汽、少量裂解气，作为塔顶气相排出。 在减三线抽出口的下部设有分离段，或称洗涤段。从减三线抽出少部分馏 分油回流入塔，进入下部洗涤段，以实现重质减压馏分油( 减三线) 与渣 油之间的分离，保证减三线油的质量如残炭、色度等。由于这一部分洗涤 油没有经过换热，直接进入洗涤段，实际上等同于内回流，或称之为洗涤 段热回流。 该常减压装置最初设计的处理能力为2 5 0 万吨年，减压塔直径一般为 64 米。近几年已有一些厂家在改为填料塔后，处理国内原油达3 5 0 万吨 年已经获得成功。处理国外轻质原油可达到5 0 0 万吨侔。但要处理4 5 0 万 吨年国内原油( 国内原油一般较重) ，处理量为国内最大，因而必须采用 新工艺以满足新的要求。 模拟过程设定全塔共有1 2 个理论板，从上至下分别为：1 3 块为减 顶循环段：4 ，5 块为减一中循环段；6 ，7 块为减二中循环段；8 1 0 为洗 涤段：1 1 ，1 2 为汽提段。根据前一章的设计要求、己知参数及限制条件， 对常减压处理量为4 0 0 万吨年，即减压进料量为3 2 3 s o o k e 班的工况进行 了模拟计算。表3 1 1 为减压塔温度、压力及流量的分布计算结果。 第三章工艺改进 塑i 已 一， 稿一吐年t 减压渣袖 图3 1 1 典型的燃料型减压塔工艺方案 出 表3 - 1 1 洗涤段采用热回流时各板气液相流量分布 i 理论板数温度压力液体流量气相流量 ( )( k p a )( k g h )( k g h ) l i 7 5 02 6 62 9 2 8 e + 0 43 0 5 5 2 1 6 8 62 8 44 6 6 6 e + 0 42 9 4 2 e + 0 3 3 2 0 0 63 0 25 1 3 5 e + 0 42 0 3 2 e + 0 4 4 2 4 5 53 2 12 0 3 2 e + 0 52 5 0 2 e + 0 4 5 2 6 6 33 3 92 1 4 3 e + 0 58 3 9 4 e + 0 4 6 3 0 4 33 5 72 3 6 8 e + 0 59 5 0 2 e + 0 4 7 3 2 2 63 7 52 5 0 2 e + 0 51 8 5 9 e + 0 5 _ 第三章丁艺改进 8 3 4 0 93 9 36 5 6 2 e + 0 41 9 9 4 e + 0 5 9 3 5 0 84 1 l5 4 5 2 e + 0 41 9 3 1 e + 0 5 1 0 3 5 9 _ 343 02 7 7 5 e + 0 418 2 0 e + 0 5 1 1 3 7 5 04 4 81 7 5 7 e + 0 51 5 5 3 e + 0 5 1 2 3 7 2 44 6 61 6 8 5 e + 0 57 4 19 e + 0 3 根据表3 1 1 中数据可以作出在洗涤段热回流条件下塔内气液流量随 理论板数变化趋势图( 图3 1 2 ) 2 b o 专 田_ | 煺 3 0 0 0 e + 0 5 一- 一液相流量 0 0 0 e + 0 5 5 0 0 e + 0 5 0 0 0 e + 0 5 1234567 891 01 11 2 理论板数 图3 1 2 洗涤段热回流条件下气液流量随理论板数变化趋势图 通过分析上图可以发现，气相负荷在第7 至第l o 块理论板之间达到最 大值。第7 块板位于减二中循环段，第8 至1 0 块为洗涤段。在一般情况下， 为了提高蜡油的收率，洗涤段的液相负荷均设置在较低的水平，只要满足 该段填料能发挥较高的分离效率所需的较小喷淋密度要求就可以了。而在 循环段中，为了满足换热的要求，液相负荷一般比较大。因此，气液相负 荷均较大的是第7 块理论板，即该塔的瓶颈塔板。 第7 块理论板的气相负荷g = i 8 5 9 x1 0 5 k g l l ；液相负荷l = 2 5 0 2 1 0 5 k g h ；气相密度pg = o 2 8 4 3 k g m 3 ；液相密度pl = 7 1 9 2 k g m 3 ；表面张力 o = 1 3 7 1 d y n e c m ：气相粘度n g = o 0 0 5 8 6 9 c p ；液相粘度r tl = 0 2 0 7 6 c p 。 第三章工岂改进 计算该理论板在4 5 0 万吨年处理量时的气体动能因子f f ：一!堡一：4x1859x1125x10s，3 q 3 6 0 0 z d 2 , p g 3 6 0 0 石6 4 2 o 2 4 6 5 面 负荷因子c s ： c ，：堡翌! l ：娑攀：塑! 婴! ! ! ! i ：o , 1 1 3 4 m s 孚d 2 扫万万了o 8 7 5 6 4 2 o t 2 8 4 3 ( 7 1 9 2 一o 2 8 4 3 ) 流动参数f p ： f p ：昙陋：型里型，f 坚塑：0 0 2 6 8 g 、p ， 1 ，8 5 9 x 1 0 5 、7 1 9 2 选择通量最大的1 2 5 型规整填料时，通过查图4 1 可知其在流动参数 为o 0 2 6 8 的条件下，最大负荷因子c s m a x 约为0 1 6 m s 。 所以该段填料在4 5 0 万吨年处理量时的泛点率c 为： c ：旦：业! ：0 7 1 c 。 o 1 6 可见在处理量达到4 5 0 万吨年处理量时，泛点率c 已经达到非常高 值，在工程上，一般应该控制填料的泛点率在0 7 以下。 3 1 2 工艺改进 由于设计的限制条件，塔径不可能增加。因此，要达到设计要求必须 对工艺进行调整和改进。为了降低瓶颈塔板的气液负荷，我们在传统工艺 的基础上，提出了洗涤段改用外冷回流的方案，该方案如图3 - 1 3 所示， 即将从减三线抽出少部分馏分油经过换热降温后再回流入洗涤段，其余与 传统的燃料型减压塔三段换热流程是一样的。 第三章t 艺改进 减压渣油 图3 - 1 3 洗涤段外冷回流的方案 在保持减压塔的进料状态、塔顶温度、全塔压降、三个侧线产品流量、 三个循环段温降等操作参数不变，只改变洗涤段回流的温度的情况下，重 新进行模拟计算。各板气液相流量分布见表3 - 1 2 。 表3 1 2 洗涤段采用冷回流时各板气液相流量分布 理论板数温度压力液体流量气相流量 ( )( k p a ) ( k g h )( k g h ) 1 7 5 02 6 62 9 2 9 e + 0 43 0 5 5 2 1 6 8 ，62 8 44 ，6 6 8 e + 0 42 9 4 3 e + 0 3 3 2 0 0 63 0 25 1 3 5 e + 0 42 0 3 3 e + 0 4 4 2 4 5 63 2 l2 0 3 3 e + 0 52 5 0 2 e + 0 4 5 2 6 6 43 3 92 1 4 4 e + 0 58 3 9 4 e + 0 4 6 3 0 4 53 5 71 7 3 1 e + 0 59 5 0 2 e + 0 4 7 3 2 0 93 7 51 7 9 1 e + 0 51 6 1 7 e + 0 5 8 3 3 6 73 9 36 3 9 4 e + 0 41 6 7 6 e + 0 5 9 3 5 0 14 ，1 15 4 3 7 e + 0 41 9 1 4 e + 0 5 1 0 3 5 9 14 3 02 7 7 5 e + 0 41 8 1 9 e + 0 5 第三章工艺改进 1 1 3 7 5 04 4 8i 7 5 7 e + 0 5 1 5 5 3 e + 0 5 i 1 2 3 7 2 44 6 61 6 8 5 e + 0 57 4 1 9 e + 0 3i 根据表3 - 1 2 中数据可以作出在洗涤段冷回流条件下塔内气液流量随 理论板数变化趋势图( 图3 一l 一4 ) 2 毒 哪 嫣 3 0 0 0 e + 0 5 2 5 0 0 e + 0 5 2 0 0 0 e + 0 5 1 5 0 0 e + 0 5 1 0 0 0 e + 0 5 5 0 0 0 e + 0 4 0 0 0 0 e + 0 0 l234567891 01 l1 2 理论板数 图3 1 4 洗涤段冷回流条件下气液流量随理论扳数变化趋势图 通过分析上图可以发现，第7 ，8 理论板的气液相负荷均有所下降。此 时的第7 块理论板的气相负荷g = i ，6 1 7 1 0 5 k c h ；液相负荷l = i 7 9 1 1 0 k g h ；气相密度pa - o 2 8 4 3 k g m 3 ；液相密度pe = 7 1 9 2 k m 3 ；表面张力 o = 1 3 7 1 d y n e c m ；气相粘度ng = 0 0 0 5 8 6 9 c p ；液相粘度nl = 0 2 0 7 6 e p 。 计算该理论板在4 5 0 万吨年处理量时的气体动能因子f ： 4 g4 1 6 1 7 1 1 2 5 1 0 3 6 0 0 z d 2 万3 6 0 0 窟6 4 2 厕 f 因子降低到了3 以下。 负荷及因子c s ： = 2 9 5 c ： ! ! ! ! 业 ： ! ! ! ! ! ! ：! 垄：! 骘! ! ! ! ! ：0 0 9 8 6 。 ；d2 - j p c ；( p l - p c ) o 8 7 5 。6 t 4 2 。0 2 8 4 3 x ( 7 1 9 2 - 0 2 8 4 3 ) 流动参数f p ： 第三章t 艺改进 f p ：三陋：旦堕娑，旦婴：0 0 2 2 g 、p ， 1 6 1 7 1 0 v7 1 9 2 选择通量最大的1 2 5 型规整填料时，通过查图4 - 1 可知其在流动参数 为o 0 2 6 8 的条件下，最大负荷因子c s m a x 约为0 1 7 m s 。 所以该段填料在4 5 0 万吨年处理量时的泛点率c 为： c ：旦一0 0 9 8 6 0 5 8 c 。 o 1 7 洗涤段采用冷回流后，与传统工艺相比第7 块理论板液相负荷下降了 2 8 4 ，气相负荷下降了1 3 ，填料的泛点率下降了1 8 。这说明，洗涤 段采用冷回流有效地降低了二中的负荷，脱除了瓶颈，提高了塔的处理能 力。 3 1 3 理论分析 从热力学上分析，采用冷回流使减二中循环段，即6 7 块板气液负荷 下降的主要原因是：由于回流液体处于过冷状态，所以在洗涤段的上部， 即第8 块理论板上发生了气液两相的换热。这导致如下两个结果，一是由 于第8 块板换热的发生，使得更多的气相在该板上冷凝，从而使得进入第 7 块板的气体量减少；二是由于进入第7 块板，即换热段的气体减少，所 以换热段的换热负荷减少，若减二中循环温差不变，则所需的循环回流量， 即换热段的液相负荷减少。这两种结果导致了第7 块塔板的气液相负荷同 时下降。 应该指出，这一工艺方案虽然可以有效降低瓶颈塔板的负荷，但是由 于在洗涤段的顶部有换热发生，即在洗涤段顶部的一段填料内，液相是过 冷的，使得该段的分离能力下降。这会影响到减三线油品质量，如残碳及 色度指标变差。但是在一般情况下，为保证减三线油品质量所需的液体回 流量较小，一般会小于设计可行分布器所需的最小流量。因此，这种冷回 流的工艺方案用于瓶颈板负荷刚超过极限负荷的场合是安全的。本文设计 的减压塔就属于这种情况。 为了减少二中循环段的负荷也可以使用另的一种方案，即将常底油进 入闪蒸塔闪蒸，闪蒸气进入一中循环段下面，液相进入减压炉。使用该方 第三章工艺改进 案也能达到脱除瓶颈的效果，但需增加闪蒸塔、泵及一些辅助设施。并且 为了避免闪蒸后的物沫夹带还需从减压塔引入回流液，从而增加了操作的 难度。与此相比，冷回流方案设备投资也很少，因此是较优方案。 3 2 汽提段规整填料的应用 在减压塔转油线下面的提馏段使用过热水蒸汽进行汽提。在这种情况 f ，没有液相水存在，过热蒸汽始终处于过热状态。其主要作用在于降低 油气分压以降低油的沸点。 对于石油馏分一过热水蒸汽体系，当塔内总压保持一定p 时，气相中， 根据道尔顿定律，塔内总压等于过热水蒸汽分压和油气分压之和，即 p = p ；+ p o 式中p 一体系( 塔内) 总压： p 。一过热水蒸汽分压； p o - 油气分压； 当体系总压一定时，如果没有水蒸汽存在，即p ，= 0 时，则油品要在 p = p 。时才能达到气液平衡。可是当存在过热水蒸汽时，只要风= p p 。， 油品习能达到气液平衡。换而言之，水蒸汽存在使油的沸点下降了，也就 是过热水蒸汽可以帮助油品在较低温度下气化。吹入的过热水蒸汽量越多， 形成水蒸汽分压越大，油气分压就越小，油品沸腾温度也就越低。 在进料以下汽提段用水蒸汽实施汽提的减压蒸馏称为湿式蒸馏，否则 称为干式蒸馏。实施汽提操作有利于提高拔出率，这早已被炼厂的实践所 证实，而汽提段的理论板数、压力降以及汽提蒸汽用量对汽提效果都有影 响。 一般汽提蒸汽的温度为3 8 0 4 0 0 。c ，高于塔底油品的温度，故可使塔 底重油得到加热，产生部分汽化。但蒸汽的热容很小，其效果甚微。而主 要的是水蒸汽的通入可降低塔内的烃分压，有助于油品的汽化。图3 2 1 是减压塔拔出率随蒸汽用量的增加而上升的情况。蒸汽量越大汽化量也就 越大，若不考虑其它因素，拔出率也就越高。图3 ，2 1 曲线1 即为仅考虑 第三章r 艺改进 汽提蒸汽量时拔出率变化情况。然而，由于水的分子量很小，使得塔内气 速增加，全塔压降增加( 使用板式塔时问题会更突出) ，导致因汽提带来的 油气分压的下降被抵消。甚至出现拔出率反而下降的现象。曲线2 为随气 蒸汽量进料量 图3 2 1 拔出率随汽提蒸汽量的变化图 速增加，因阻力降增加 而造成拔出率下降的情 况。曲线3 则是二者的 叠加，即拔出率随汽提 蒸汽量的增加而增加的 实际情况。另外由于汽 提量的增加油品也随之 变重，液相温度下降， 分压下降也不是与蒸汽 量成正比，丌始时很显著，再过多增加蒸汽量拔出率也不会再有明显增长。 因此，应将汽提蒸汽量控制在合适的范围，即所谓微湿式蒸馏。如在图3 2 1 所示的条件下，应将蒸汽量控制在减压塔进料量的1 ( w ) 以下。 在蒸汽量不变的情况下，增加汽提段的理论板数可改善汽提效果。由 于板数的增加会增加汽提段的压力降，所以在需要通过增加汽提蒸汽量来 提高拔出率的情况下，可考虑采用规整填料取代塔板。表3 2 1 为应用填 料的汽提段由2 块理论板增加到4 块时，拔出率提高的情况，其蒸汽用量 与进料量( 重量) 的比为0 4 3 2 。表3 2 1 表明，汽提段理论板数对拔出 率有显著影响。然而在实际应用中，一般认为汽提段油料较重容易引起填 料的堵塞，大多采用板式塔。但是汽提段的汽相负荷从下至上增加，变化 范围较大。而通常设计采用的塔板开孔率相同，且均为4 层，势必造成有 的塔板效率极低，即出现若最上层塔板效率高，则下面三层就会漏液，且 越下面的塔板越严重；相反，若下面的效率高时，上面三层已经因雾沫夹 带量过大而不能操作，从而减少了汽提段的理论板数。影响汽提效果。而 规整填料具有极高的气液负荷弹性，具有较大的通量和很低的填料压降， 可以满足汽提段气液相负荷变化大的要求。适当加高填料段，就能做到有 4 块理论板。而且不致于因压降增加而抵消油气分压的降低。 砷 勰 计 确 拍 f 醑毛蜒 第三章： 艺改进 这些年来，汽提段采用规整填料已经得到了大家的认可。无论在改造 中，还是在新设计的减压塔中均得到了推广应用，取得了很好的效果。例 如1 9 9 4 年安庆2 5 0 万吨年常减压装置减压塔的汽提段改造为填料塔；2 0 0 1 年克拉玛依炼油厂一套常减压装置减压塔更新汽提段采用规整填料；2 0 0 2 年九江炼油厂常减压装置减压塔更新汽提段也采用了规整填料等。 表3 2 一l 汽提段理论板数对拔出率的影响 汽提段理论板数 2 4 拔出率( ) 5 5 4 8 5 6 5 7 基于上边的分析，本文的设计在汽提段采用规整填料。 3 3 填料床层的优化设计 减压精馏塔内部是由多个分离段和换热段组合形成的复杂分离设备， 塔内部不同的区域分别具有汽提、吸收、精馏等不同的操作特性。和常规 精馏塔比较，减压精馏塔的一个显著特点是气液操作负荷沿塔高方向具有 非常剧烈的变化( 即使在一段填料内也如此) 。因此无论是减压精馏填料塔 的新设计或原有板式塔的改造，在确定填料型号和高度时必须对此特点予 以充分重视。为了和变化剧烈的气液负荷相适应并满足分离所需的理论板 数，整个塔身需要布置多种不同型号的规整填料，甚至在某些情况下同一 填料段内填料型号也是不相同的。这不仅增加了减压精馏填料塔的设计和 改造难度，同时存在一个如何进行填料床层的优化设计问题。特别是在塔 径和塔高一定的情况下，要想达到最大的处理能力和最佳的分离效果，填 料床层的优化设计就显得非常重要。 减压精馏塔填料床层的常规设计方法是根据平衡级模型计算所得的工 艺数据，针对塔内每一段的最大气液负荷进行填料f 因子和泛点率的校核， 确定该床层的填料型号，然后根据工艺要求确定相应的填料安装高度。这 种填料床层设计方法的优点是简单、快速、直观，对塔径和塔身高度较充 裕的减压塔，应用起来是比较方便和可靠的。由于受平衡级模型的限制， 该种方法存在不可避免的缺陷是不利于对填料床层内的详细情况进行了 第三章工艺改进 解，因此很难对填料床层进行细致的优化设计。在处理量和安装高度较紧 张的情况下，采用此种方法所作出的填料床层布置方案就显得较粗糙，有 时甚至造成不尽合理。 和其它石油化工行业应用较多的常规精馏塔比较，减压精馏塔由于对 产品的质量控制要求较低，因此完成分离任务所需的理论板数相对较少， 一般来讲十几块理论板即可满足要求，每一个分离段或换热段内只需几块 理论板。但由于处理量相对较大和操作压力较低，使得气液负荷一般来讲 都相对较大。基于这一特点，减压精馏塔内布置的大多为具有通量较大、 理论板数较低特性的填料。要想进行填料床层的优化设计，依据工艺模拟 计算所得的塔内理论板数和气液负荷等工艺参数，将填料高度和某一型号 填料的理论扳数及泛点率进行关联是必要的。平衡级模型由于其提供的工 艺数据信息相对较少，且相邻两块理论板的气液负荷变化较大，因此很难 和填料高度进行密切关联。考虑到减压塔的上述特点，并结合多年对减压 精馏塔工艺模拟及应用填料改造设计经验，我们提出了一种基于非平衡级 模型的减压塔填料床层优化设计方法。该方法使用填料的等板高度作为经 验参数，用分散理论板数作连接点，将非平衡级模型所得塔内工艺计算数 据和床层填料高度进行关联，从而对整个塔身完成气液负荷、填料泛点率 等参数随填料高度的变化趋势图。通过对趋势图的分析，可以对不同填料 段内的填料型号和填料高度进行调整，完成填料床层的优化设计，使得减 压塔内填料的布置更加合理，满足工艺过程的要求。 以下是我们针对安庆炼油厂减压塔改造的工艺要求，在进行使用规整 填料完成改造设计方案时，使用非平衡级模型对填料床层进行优化设计的 具体实例。该改造项目的特点是改造后要求的处理量和操作弹性均较大， 且塔高度和塔内填料及内件重量要有所限制。为了满足工艺要求，在进行 填料床层设计时作了反复调整。为了陈述方便，在此我们略去设计过程中 的具体调整细节，仅将最后两步调整过程作一说明，以展示非平衡级模型 在填料床层优化设计过程中的应用特点。 图3 3 1 表示了塔内气液负荷随理论板的变化趋势。在理论板以外的 数据点是通过非平衡级模型模拟计算所得的。分别为：1 3 块为减顶循环 第三章工艺改进 段：4 ，5 块为减一中循环段；6 ，7 块为减二中循环段；8 1 0 为洗涤段： l l ，1 2 为汽提段。从中可以看出气液负荷沿整个塔高变化相当剧烈。 根据实际经验，安排填料为：减一线2 5 0 y ：1 8 0 0 m m ；减二线3 5 0 y ： 2 0 0 r a m 、2 5 0 y ：1 0 0 0 m m ；减三线2 5 0 x ：2 0 0 m m 、2 0 0 x ：4 0 0 m m 、1 2 5 x ： 1 6 0 0 m m ；洗涤段2 5 0 y ：2 0 0 m m 、2 5 0 x ：4 0 0 m m 、2 0 0 x ：1 2 0 0 i m n 、2 5 0 x ： 1 4 0 0 m m 。要核算这几段填料的泛点率，先将所选填料型号及高度根据经验 折算成理论板数，然后在图3 3 一l 中找到对应的理论板位置。根据图中气 液相负荷曲线可查出对应的气液相负荷。这样可以作出气液相负荷随填料 高度变化图( 图3 3 2 ) 。进而经过计算可以得到对应所选择填料的泛点率。 再与填料高度作图，得到泛点率随填料高度变化的曲线图。通过对曲线的 分析，我们可以作出优化调整，在泛点率较低的位置设置效率较高的填料， 提高分离能力。在泛点率较高的位置设置大通量的填料，以降低压降，使 其