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    剩余碳五中甲醇含量超标原因分析及对策.pdf

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    剩余碳五中甲醇含量超标原因分析及对策.pdf

    刘成军等剩余碳五中甲醇含量超标原因分析及对策 47 l萎耋l 剩余碳五中甲醇含量超标原因分析及对策 刘成军 温世昌 周 璇 中国石油工程建设公司华东设计分公司 青岛26607 王玮瑶中国石油大学华东 青岛266555 摘要 某炼油厂催化轻汽油醚化装置在开工初期甲醇萃取塔顶剩余碳五中甲醇含量高达1.2%以上,造成 全厂调合汽油中甲醇超标。通过优化工艺操作条件,分析校对甲醇萃取塔填料层高度、直径和分布器等。发现 甲醇萃取塔未设置液体再分布器,对此提出了将每段填料的底部、中部的支撑格栅更换为分散/支承板的改造措 施。改造后甲醇萃取塔操作正常,剩余碳五中甲醇含量降至1o0-200mg/kg之间,达到了预期的效果。 关键词 甲醇萃取塔剩余碳五甲醇原因分析操作条件塔直径再分布器改造措施 某炼油厂400kt/a催化轻汽油醚化装置在开工 初期甲醇萃取塔顶剩余碳五中甲醇含量高达1.2% 以上,如装置满负荷运行,将造成全厂调和汽油中 甲醇含量超过0.32%,不能满足车用汽油GB 179302014国家标准中甲醇含量不大于0.3%的 要求。 针对剩余碳五中甲醇超标问题,首先从优化工 艺操作条件着手解决,进而分别对甲醇萃取塔内件 的安装进行了检查,对设计进行了校核。分析认为 该塔未设置液体再分布器是导致传质效率下降、甲 醇超标的主要原因。据此提出相应的对策,改造后 甲醇萃取塔操作正常,产品质量合格。 1工艺流程简述 轻汽油醚化装置甲醇回收部分的工艺流程见图1。 来自反应部分的剩余碳五/甲醇混合物从底部 进甲醇萃取塔,与从甲醇回收塔C一104底来 的萃取水逆流接触,将甲醇从剩余碳五中萃取至 水相,其中剩余碳五为分散相,萃取水为连续相。 甲醇萃取塔顶部流出的剩余碳五经剩余碳五聚结 器M一102脱水后作为汽油调合组分送出装置。 萃取水/甲醇混合物从甲醇萃取塔底部流出, 经甲醇回收塔进料/萃取水换热器E一108换热 至约86cIC后进甲醇回收塔,将萃取水和甲醇分离。 1.0MPa蒸汽作为甲醇回收塔底重沸器E一109 的热源。已脱除甲醇的萃取水自甲醇回收塔塔底 流出并经甲醇回收塔底泵P一105A/B加压、E 一108换热、再经萃取水冷却器E一107冷却 图1工艺流程简图 至402后循环至甲醇萃取塔上部。甲醇回收塔塔 顶馏出物经甲醇回收塔顶空冷器A一102和后 冷器E一110冷却至40℃后进甲醇回收塔顶回 流罐D一104。回流罐底出料经甲醇回收塔顶回 流泵P一106A/B加压后,一部分作为甲醇回 收塔塔顶回流,另一部分循环至反应部分。 甲醇回收部分的主要操作条件见表1。 2优化工艺操作条件 剩余碳五作为汽油调和组分,要求甲醇含量不 刘成军教授级高级工程师。1989年毕业于成都科技大学化学工程专业。一直从事石油与天然气化工专业的设计工作,曾发表论文 40余篇。联系电话053280950783,Emailliuchengjuncnpccei.etl。 48 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 表1主要操作条件 超过500mg/kg,而实际生产过程中甲醇平均含量仍 高达1.32%,造成全厂调和汽油中甲醇含量超标。 为解决该问题,先对工艺操作条件进行优化, 采取的措施及效果分述如下。 2.1降低萃取水中甲醇含量 萃取水中甲醇含量越低,萃取效果越好 J。 为保证剩余碳五中甲醇含量合格,采取加大甲醇 回收塔回流比,并将正在循环的萃取水用新鲜的 除盐水进行置换的方法来最大限度地降低进甲醇 萃取塔的萃取水甲醇含量,但化验结果表明,萃 取后剩余碳五中甲醇含量由I.32%降至1.01%, 效果不明显。 2.2调整甲醇萃取塔操作压力 将甲醇萃取塔塔顶压力由设计值800 kPa降至 600 kPa或升高至1000 kPa,塔顶剩余碳五中甲醇 含量并没有大的变化,因此可以认定甲醇萃取塔操 作压力对萃取效果影响不大。 2.3降低甲醇萃取塔操作温度 将甲醇萃取塔的两股进料即剩余碳五/甲醇混 合物和萃取水的操作温度由40℃降至最低值362, 但剩余碳五中甲醇含量由1.25%降至1.17%,萃 取效果改善同样不明显。 2.4增加甲醇萃取塔萃取水进料量 根据P一105A/B、E一109等设备的富裕能力, 将甲醇萃取塔萃取水进料量由设计值12898kg/h增 大到1 6000kg/h,经化验甲醇萃取塔顶剩余碳五出 料中甲醇含量由1.32%降至0.97%,效果较好, 但与小于或等于500mg/kg的设计指标相比,差距 依旧太大。 2.5适当降低醇烯比 醇烯比是轻汽油醚化装置最重要的操作参数 之一。提高醇烯比,可提高活性烯烃转化率,并 降低二聚反应副产物DIA二异戊烯的含量, 有利于醚化反应,但装置能耗增加;降低醇烯比, 则催化剂床层上甲醇不足,副产物DIA含量增加, 醚化产物的逆向分解反应趋势增大,活性烯烃转 化率下降,另外二聚反应产生的反应热还可能造 成催化剂床层升温,加速催化剂降解失活。一般 情况,醚化反应的醇烯比保持在1.31.6之间可 满足要求。 适当降低醇烯比,将醇烯比由设计值1.5降至 1.3,这样进甲醇萃取塔的剩余碳五/甲醇混合物中 甲醇含量由9.69%降至7.12%,但经萃取后剩余 碳五出料甲醇含量由1.32%降至1.01%,仍不能 满足要求。 综上所述,对多项工艺操作条件优化,剩余碳 五中甲醇含量依旧超标,推测超标的主要原因不是 操作造成的,可能是由设备安装或设计失误造成 的。由于本装置其它设备操作正常,所以将排查 的重点转移到甲醇萃取塔内件安装和设计方面。 3 甲醇萃取塔内件设计校核 甲醇萃取塔规格为200021000T.L. mm。内设4段填料,填料及支撑格栅的材质 为30408。 首先对塔内件安装进行检查,进入塔内未发现 分布器等内件安装错误、填料堵塞等情况。由此可 基本确定甲醇超标问题是塔内件设计不当造成的。 3.1填料层高度 塔内填料为QH一1型内弯弧形筋片环填料, 与传统填料结构相比,该填料内部的流道更为合 理,促进了液滴群的分散一聚合一再分散循环, 提高了填料的传质效率;另外,它还具有0.2~0.3 的极小的高径比,使填料在乱堆时也能体现一定程 度的有序排列的特点,从而有效地抑制液一液体系 的严重轴向返混。费维扬 等的实验结果表明QH l型填料用于低界面张力体系的液一液萃取时,其 传质单元高度HTU为0.27~0.46m。 根据Aspen Plus模拟结果,甲醇萃取塔内有6 块理论板即可满足要求。该塔38mm QH一1型填 料层高度为10m,且同类装置甲醇萃取塔填料层高 度大都在8~10m之间,未发现剩余碳五中甲醇超标 问题,可见甲醇超标不是由填料层高度不足造成的。 3.2塔直径 该塔直径可根据液泛速度计算,Laddha等人通 过系统实验总结的液泛速度计算公式比较简单,物 理意义比较明确,可较好地用于工程设计之中 。 M 12 1一 , 1 刘成军等剩余碳五中甲醇含量超标原因分析及对策 49 ∥2u 1一 2/[318/ 。 ] “ CapP /e g,a p 2 3 4 D[L /0.785“ “d] 5 式中,u。 为连续相的液泛速度,m/s;Udf为分散相 的液泛速度,m/s; 为液泛时分散相的存留分 数;Uo为特性速度,m/s;L 为分散相与连续相流 比,V/L;a。为填料比表面积,m /m。;P 为连续 相密度,k m ;e为填料空隙率,%;g为重力加 速度,m /s;△p为两相密度差,k m ;L为连续 相流量,m /s;V为分散相流量,m。/s;C为系数, 分散相向连续相传质时为0.820;D为萃取塔直径, m;Ue为连续相流速,m/s;Ud为分散相流速,m/s。 在本项目中,qb38mm QHl型扁环的比表面 积a。150 131 /m ,e95%;p 990 k m ,L 3.6210。m /s;分散相密度Pd625 kg/m ,V 11.4610 m /s;重力加速度为9.81m /s。将上 述数据代人式1~4,计算的液泛速度分别 为Ucf7.3910-。m/s,udf23.4110-。m/s。实 际操作流速一般取50%7O%的液泛流速,QH一1空 隙率较高,可取上限值,故连续相流速u 0.7 u。 5.1710一m/s,分散相流速ud0.7 udf16.39 10~m/s,代入式5后计算的萃取塔直径D 0.94m,实际直径为2.00m,直径满足要求。 3.3分布器 分布器的设计对填料抽提塔的性能具有重要 影响。由于液一液两相密度差小,粘度大,因此 填料萃取塔一般采用排管式分布器,而不采用窄 槽式分布器 ’。J。而且排管式分布器喷孑L处流速不 宜过高,否则会造成流体的过度分散或乳化,甚 至会导致填料抽提塔的局部液泛;过低会大幅降 低萃取效率。萃取水和剩余碳五分布器喷孔处流 速分别维持在0.3~0.6m/s和0.12~0.3m/s即可 满足醚化装置要求。 萃取水分布器和剩余碳五分布器型式见图2。 在本装置中,甲醇萃取塔萃取水分布器开孔 向下,孔径为西6mm,孔数为274个;剩余碳五分 布器开孔向上,孔径为中6mm,孔数为1620个。 计算的孔速分别为0.47m/s和0.25m/s,符合 要求。 图2 萃取水分布器和剩余碳五分布器示意图 3.4再分布器 液一液萃取轴向返混严重,塔的高度有60%一 75%用于补偿轴向返混引起的不利影响。为此,在 设计时应尽量采用对液滴具有分散一聚合一再分 散功能的性能良好的高效填料,同时在布置萃取 段填料高度时,根据实际工程经验每段填料的高 度不宜高于4 1TI,以23 m为佳,并在相邻两层填 料层之间增设两相再分配器,对两相流动状态重 新优化分配,从而减小轴向返混 ]。 甲醇萃取塔10m填料层仅在底部、中部设简单 的支撑格栅,没有再分布器。鉴于甲醇超标既不是 操作或安装失误造成的,也不是塔直径、填料高度、 分布器等内件设计不当引起的,故该塔未设再分布 器成为剩余碳五中甲醇超标最值得怀疑的原因。另 外,甲醇萃取塔设有填料再分布器的醚化装置在运 行过程中均未发现剩余碳五中甲醇超标问题。经炼 油厂、塔内件制造商及设计方协商,确定对甲醇萃 取塔进行改造,增设液体再分布器。 4改造情况及效果 将甲醇萃取塔每段填料的底部、中部的支撑 格栅更换为分散/支承板图3,该种型式的分散 /支承板既起支承作用,又起分布器或再分布器作 用。分散相通过面板上的小孔进填料床层。小孔 孔径为qb4mm,孔数为3640个,孔速为0.25m/s; 连续相通过面板上的降液管向下流动,降液管规 格为 53mm,个数为90个,其顶部设十字挡 板类部件用于防止QH一1填料落于塔釜中。 同时,对分散相分布器也进行了升级改造, 见图4。 分布器上设 453mm升液管36个,升液管 顶部与最底层分散/支承板的降液管底部重叠 30mm,这样可大幅度降低对两相界面产生过多扰 动,有利于提高传质效率。 50 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,245 吣线 。。 。。 ;O O 。 。 c 。J 。0。 。0。 }0。 c c 0 0 l。O lh cf o 。0。 c。 6 o 0 『 . r t ; ; ’ ;r }} 0 L-j Lj 图3分散/支承板示意图 图5 分散相分布器及其与分散/支承板 相对位置示意图 根据改造方案,对4个分散/支承板及1个分 散相分布器进行设计,内件制造安装完毕后,对 醚化装置进行了全量操作。装置运行结果表明 甲醇萃取塔性能良好,经萃取水萃取后的剩余碳 五中甲醇含量见表2。 改造后甲醇平均含量降至130mg/kg,小于设 计值,达到了预期的效果。 表2改造后甲醇萃取塔各进、出物流性质平均数据 4 结语 本文分析引起甲醇萃取塔顶剩余碳五中甲醇 超标的原因,并提出改造措施。由于液一液萃取 过程具有两相密度差小,连续相粘度较大,两相 轴向返混严重,界面现象复杂等特点,液一液萃 取填料塔比传统的气一液两相填料塔对两相流动 的均匀性要求更加严格,建议填料层高度每隔23 m设置再分配器,以减小轴向返混并提高传质 效率。 参考文献 1 GB 179302013车用汽油[S].中华人民共和国国家 质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会发 布.中华人民共和国国家标准,北京中国标准出版 社,2013. 2李金柱.MTBE装置萃取塔的操作与优化[J].石汕炼制与 化工,2008,3915357. 3费维扬,温晓明,陈德宏.填料萃取塔没计和应用的若干 特点[J].炼油设计,1998,2824952. 4费维扬,温晓明,陈德宏.填料萃取塔液泛速度的计算 [J].炼油设汁,1998,2833841. 5费维扬,张宝清,于志刚.大型萃取塔液体分布器性能和 设计方法的研究[J].化学工程,1990,1832227. 6钱建兵,朴香兰,朱慎林.炼油厂液化石油气胺法脱硫工艺 设计优化[J].炼油技术与工程,2007,3711720. 收稿日期20140529 2015年化学工程征订启事 化学工程是由华陆工程科技有限责任公司主办,中国石油和化工勘察设计协会化学工程设计专业委员会协办的科 技期刊。中国国际图书贸易总公司代理对外发行,发行代号M4814。 办刊宗旨积极宣传化学工程学科的科研、开发成果;推广化学工程设计、生产新技术及经验;交流化学工程信息、 工程建设产品;促进科技成果的转化,积极为设计、生产、科研、教学服务,不断提高化学工程学术与技术水平。 主要栏目专家特约、节能减排、生物化工、环境化工、过程强化、能源化工、材料科学、传质过程及设备、传热过 程及设备、化工热力学、化工流体力学、反应工程、煤化工、医药工程、膜技术、过程模拟、化工系统工程、化工工艺等。 本刊为月刊,每期定价15元,全年定价180元,邮发代号52-52,全国各地邮局均可办理订阅,也可随时向编辑部 订阅。国外订户请与中国国际图书贸易总公司联系。国内统一刊号CN6I一1136/TQ;国际标准刊号ISSN10059954。 地址西安市高新技术产业开发区唐延南路7号华陆大厦化学工程编辑部;邮编710065;电话 029 87988830;传真02987988280;Emailchemengchinahualueng.tom;网址www.chinahualueng.tom;www. ntcced.tom;//imiy.chinajourna1.net.en。

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