乙二醇間歇精餾利舊精餾塔內(nèi)冷器的改型設(shè)計(jì)

趙立巖，王國(guó)勝，郝俊靜，劉保雷

(1.中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 吉林設(shè)計(jì)院，吉林 吉林 132002；2.沈陽(yáng)化工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；3.吉林化工學(xué)院 石油化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

我國(guó)用于聚酯消費(fèi)的乙二醇的量約占乙二醇總消費(fèi)量的94.5%，剩余約6.0%的乙二醇消費(fèi)用于防凍劑、粘合劑、油漆溶劑、耐寒潤(rùn)滑油、表面活性劑以及聚酯多元醇等[1]。隨著聚酯行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)于乙二醇的需求量在逐年增長(zhǎng)，且表現(xiàn)出很強(qiáng)的成長(zhǎng)趨勢(shì)，需求成長(zhǎng)速度為23%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)乙二醇產(chǎn)量成長(zhǎng)速度，很大程度上是依靠進(jìn)口來(lái)滿(mǎn)足需求，自2002年開(kāi)始乙二醇進(jìn)口依存度超過(guò)70%[2]。2010年以來(lái)隨著國(guó)內(nèi)大型乙二醇裝置的建設(shè)大大改善我國(guó)乙二醇供銷(xiāo)格局，但是國(guó)內(nèi)乙二醇市場(chǎng)依舊火爆。

山東省濱州市無(wú)棣工業(yè)園區(qū)某廠(chǎng)以煤制乙二醇工藝的粗料為原料，通過(guò)間歇精餾的工藝對(duì)乙二醇進(jìn)行提純，引進(jìn)設(shè)備在試生產(chǎn)的過(guò)程中精餾塔的操作不穩(wěn)定，泛塔現(xiàn)象嚴(yán)重[3]，功耗較大，而且乙二醇產(chǎn)品的含水量相對(duì)偏高，因此需要對(duì)精餾塔本身以及裝置的流程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目本身圍繞利舊設(shè)備進(jìn)行改造完善工藝流程，現(xiàn)就核心的利舊設(shè)備-精餾塔的內(nèi)冷系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行改造，以適應(yīng)煤制乙二醇中提取較高純度乙二醇的工藝要求。

1 乙二醇間歇精餾工藝簡(jiǎn)介

加熱罐內(nèi)一次性進(jìn)料25 m3，加熱攪拌，產(chǎn)生的蒸汽自塔釜進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精制，經(jīng)塔頂內(nèi)冷換熱器部分冷凝后的蒸汽進(jìn)入外冷換熱器全凝，部分回流經(jīng)離心泵塔頂回流，各階段組分產(chǎn)品分別進(jìn)入相應(yīng)產(chǎn)品罐。粗乙二醇中的重組分留在加熱罐罐底，每五個(gè)間歇周期用蒸汽對(duì)罐底重組分進(jìn)行吹掃。

2 利舊精餾塔內(nèi)冷器故障原因的分析與驗(yàn)證

2.1 內(nèi)冷器故障原因分析

該企業(yè)引進(jìn)的設(shè)備在試生產(chǎn)過(guò)程中操作壓力不穩(wěn)定，間歇性出現(xiàn)泛塔現(xiàn)象，導(dǎo)致精制而得的乙二醇產(chǎn)品摻入雜質(zhì)呈“淺紅色”[4]。既無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品要求，還增加了功耗。經(jīng)分析，產(chǎn)生操作壓力不穩(wěn)的原因在于塔頂內(nèi)冷器屬于固定管板式換熱器，冷流體(20℃工藝水)走殼程，熱流體(塔內(nèi)蒸汽)走管程，熱交換后蒸汽冷凝下來(lái)的液體自?xún)?nèi)管壁下流，即上升蒸汽與冷凝液均在列管中流動(dòng)方向相反，由于原設(shè)備中內(nèi)冷器列管規(guī)格為25×1.5 mm，在精餾過(guò)程中凝液與上升蒸汽產(chǎn)生空間競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而發(fā)生“托液”現(xiàn)象，導(dǎo)致泛塔[5]。同時(shí)，在乙二醇精餾工藝中引進(jìn)真空操作，原固定管板式內(nèi)冷器的列管承壓能力受限，可能導(dǎo)致破裂情況進(jìn)真空操作，原固定管板式內(nèi)冷器的列管承壓能力受限，可能導(dǎo)致破裂情況發(fā)生[6]，所以，利舊設(shè)備的內(nèi)冷系統(tǒng)要進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足工藝要求。利舊內(nèi)冷器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 利舊內(nèi)冷器的基本參數(shù)

2.2 列管內(nèi)“托液”現(xiàn)象的驗(yàn)證

該利舊精餾塔為填料塔，填料類(lèi)型為散堆25 mm金屬鮑爾環(huán)，故依據(jù)貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式可計(jì)算得泛塔氣速[7]，計(jì)算前提定位冷凝量為蒸汽總量的75%，即回流比為3，真空操作時(shí)乙二醇的沸點(diǎn)為136℃，該類(lèi)型填料的關(guān)聯(lián)常數(shù)[8]A=0.1，K=1.75，填料比表面積αt=219 m3/m3，孔隙率ε=0.95 m3/m3。

解得uF=3.5 m/s

u=uF×0.7=3.50×0.7=2.45m/s

查不同類(lèi)型填料的關(guān)聯(lián)常數(shù)值[9]，A=0.0942，K=1.75

其中，填料比表面積： αt=219 m2/m3

填料層孔隙率： ε=0.95 m3/m3

進(jìn)入固定管板式內(nèi)冷器總蒸汽量：

氣相冷凝液的體積流量：

q=0.5818×0.75=0.4364 m3/s

在真空操作條件下，乙二醇的沸點(diǎn)為136℃，所以20℃時(shí)氣相的體積流量：

乙二醇的摩爾流量：

冷凝液質(zhì)量流量：

冷凝液體積流量:

固定管板式換熱器管橫截面積：

管中液體流速：

通過(guò)參照?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖[10]，原利舊設(shè)備內(nèi)冷器列管內(nèi)氣液相負(fù)荷已經(jīng)較大幅度超出正常操作范圍，列管內(nèi)一定會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象，冷凝液堵塞上升氣體導(dǎo)致塔內(nèi)操作壓力不穩(wěn)。

3 內(nèi)冷器改造方案

3.1 設(shè)備選型分析

原利舊設(shè)備為固定管板式換熱器，蒸汽和冷凝液走管程，冷卻水走殼程，管內(nèi)氣液空間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致泛塔[11]，解決液泛可以采取以下方法。

(1)為避免因“托液”導(dǎo)致的泛塔現(xiàn)象，可以采取增加列管管徑的辦法，比如將列管設(shè)計(jì)為32×2 mm，以盡量避免上升蒸汽和下降的冷凝液的空間競(jìng)爭(zhēng)。

(2)為徹底避免因內(nèi)冷器導(dǎo)致的泛塔現(xiàn)象，固定管板式換熱器改型設(shè)計(jì)為U型管式換熱器，冷凝水走管程，蒸汽走殼程，冷凝液自U型管外壁向下。蒸汽出口不在開(kāi)在塔塔頂而是開(kāi)在塔的筒體最上方一側(cè)。

結(jié)論：針對(duì)以上兩種方法，選擇U型管換熱器是更好的選擇[12]。原因在于，U型管換熱器能從根本上解決問(wèn)題，而且單位器型體積所具備的換熱面積更大。

3.2 U型管換熱器的設(shè)計(jì)

由于水的比熱明顯大于乙二醇的比熱，所以，熱負(fù)荷按照水的物性數(shù)據(jù)計(jì)算[13]。

填料塔的泛點(diǎn)氣速可由貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算：

uF=3.18 m/s

泛塔率為0.7時(shí)被冷凝的氣相體積流量：

氣相冷凝液的質(zhì)量流量：

qm=qvρ=0.26kg/s

熱負(fù)荷的計(jì)算：

Q =qmγ=580.22kW

傳熱系數(shù)的計(jì)算：

經(jīng)過(guò)計(jì)算求得k=700W/(m2·℃)

計(jì)算逆流平均溫差：

Δt=74.89℃

換熱面積的計(jì)算：

依據(jù)計(jì)算結(jié)果的設(shè)備定型見(jiàn)表2。

表2 選取U型管換熱器的基本參數(shù)

4 結(jié)論

乙二醇間歇精餾塔內(nèi)冷器的改造，將原有的固定管板式換熱器改型設(shè)計(jì)為U型管式換熱器從根本上解決了換熱器內(nèi)氣-液空間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的“托液”現(xiàn)象，同時(shí)將換熱管的管壁從1.25mm增加到2mm，以保證真空操作時(shí)管壁的強(qiáng)度。