甲基叔丁基醚催化蒸餾塔內(nèi)件操作質(zhì)量等效計(jì)算方法探討

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司， 北京 100101)

催化蒸餾技術(shù)是中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的甲基叔丁基醚(MTBE)裝置工藝技術(shù)中的核心技術(shù)。它的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過(guò)程與分離過(guò)程在1臺(tái)塔設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該工藝技術(shù)具有流程短、轉(zhuǎn)化率高、催化劑用量小和節(jié)省公用工程等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。

催化蒸餾技術(shù)的核心設(shè)備是催化蒸餾塔。催化蒸餾塔內(nèi)部設(shè)有液體分配器、催化劑單元以及浮閥塔板，該塔不僅可以同時(shí)完成異丁烯的深度轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品分離，而且還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的深度轉(zhuǎn)化和反應(yīng)熱的充分利用[6-9]。催化蒸餾塔在結(jié)構(gòu)上集成了板式塔與填料塔的特點(diǎn)，塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，催化劑床層與浮閥塔板共同分布[10-12]。在計(jì)算催化蒸餾塔的風(fēng)載荷、地震作用和自振周期時(shí)，需要進(jìn)行塔器分段和質(zhì)量集中計(jì)算。單純的板式塔或填料塔的塔器分段和質(zhì)量集中可以借助SW6軟件，輸入塔板和填料參數(shù)后可由程序自動(dòng)完成計(jì)算，而催化蒸餾塔的混合結(jié)構(gòu)則無(wú)法直接使用SW6軟件進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

文中以某項(xiàng)目MTBE裝置催化蒸餾塔的設(shè)計(jì)為例，提出4種催化蒸餾塔塔內(nèi)件分段和質(zhì)量集中等效計(jì)算方案，對(duì)這4種方案計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，提出推薦使用的計(jì)算方案。

1 催化蒸餾塔設(shè)計(jì)概況

某項(xiàng)目中的MTBE催化蒸餾塔總體上為集填料塔與板式塔為一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)塔。塔體上部為4段反應(yīng)床層結(jié)構(gòu)，各反應(yīng)床層自下向上標(biāo)高依次為290 250 mm、310 850 mm、34 045 mm、37 050 mm。塔體下部為5組浮閥塔盤結(jié)構(gòu)，最低標(biāo)高11 800 mm，最高標(biāo)高290 250 mm。

該MTBE催化蒸餾塔內(nèi)徑2 200 mm，筒體切線間距40 500 mm，殼體材料Q345R，腐蝕裕量3 mm，設(shè)計(jì)壓力0.98 MPa/全真空，設(shè)計(jì)溫度155 ℃，操作介質(zhì)為C4、甲醇和MTEB混合物。地質(zhì)、自然條件參數(shù)：基本風(fēng)壓620 N/m2，地面粗糙度B 級(jí)，抗震設(shè)防烈度7級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.115g(αmax=0.1)，場(chǎng)地土類別IV(設(shè)計(jì)分組三)，保溫材料為泡沫玻璃(厚度100 mm)。

2 催化蒸餾塔塔內(nèi)件等效質(zhì)量計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算方案

催化蒸餾塔塔內(nèi)件質(zhì)量包括催化劑床層操作質(zhì)量和浮閥塔板操作質(zhì)量2部分。計(jì)算催化蒸餾塔塔內(nèi)件等效質(zhì)量時(shí)，按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[13]中對(duì)塔內(nèi)件的統(tǒng)計(jì)方法，將催化精餾單元操作質(zhì)量統(tǒng)計(jì)為工程應(yīng)用中的填料和塔板的操作質(zhì)量計(jì)入塔設(shè)備質(zhì)量的計(jì)算中。填料的等效關(guān)鍵是計(jì)算等效密度ρ，浮閥的等效重點(diǎn)是計(jì)算等效塔板塊數(shù)n，計(jì)算公式如下：

式中，m為統(tǒng)計(jì)的塔內(nèi)件操作質(zhì)量，m2為單塊浮閥塔板的操作質(zhì)量，kg;h為的內(nèi)件高度，m;S2為塔的橫截面積(指塔內(nèi)徑全截面)，m2。根據(jù)催化蒸餾塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出4種塔體分段和塔內(nèi)件分配方案并建立模型，見(jiàn)圖1。

圖1a所示方案1為催化蒸餾塔實(shí)際組成，包括填料1～填料4共4段填料層和 塔盤1～塔盤5共5組浮閥塔板。圖1b所示方案2將塔內(nèi)件等效為1段填料層和1組塔盤。圖1c所示方案3將塔內(nèi)件等效為2組塔盤。圖1d所示方案4將塔內(nèi)件等效為1段填料。

2.2 催化劑床層質(zhì)量和浮閥塔板等效計(jì)算

2.2.1催化劑床層操作質(zhì)量

催化劑床層的操作質(zhì)量由催化劑支撐件質(zhì)量、催化劑床層及塔盤持液質(zhì)量、液體分布板持液質(zhì)量3個(gè)部分組成。催化蒸餾塔中催化分離單元的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

(1)催化劑支撐件質(zhì)量mzcj催化劑支撐件的總質(zhì)量為1 500 kg。催化劑支撐件是由催化劑支撐架、側(cè)板、襯板、分布板、金屬燒結(jié)網(wǎng)和鋼格柵共6部分構(gòu)成的組合件。按照組件統(tǒng)計(jì)的催化劑支撐件質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 催化劑支撐件質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖1 MTBE裝置催化蒸餾塔4種計(jì)算方案結(jié)構(gòu)模型

圖2 催化分離單元結(jié)構(gòu)

(2)催化劑操作質(zhì)量mj催化劑的操作質(zhì)量由催化劑床層質(zhì)量、瓷球質(zhì)量和催化劑持液質(zhì)量組成，按下式計(jì)算：

mj=ρ1S1h1

式中，ρ1為濕催化劑和瓷球的平均密度，kg/m3；S1為催化劑床層所占面積，m2；h1為床層高度，m。對(duì)于催化蒸餾塔中催化分離單元，濕催化劑和瓷球的平均密度為800 kg/m3，床層高度為800 mm。催化劑床層所占面積為圖2中塔體橫截圓面積減去2個(gè)扇形面積，計(jì)算得S1=3.14 m2。所以催化劑操作質(zhì)量mj=1 993 kg。

(3)液體分布板持液質(zhì)量mcy按下式計(jì)算：

mcy=ρ2S1h2

式中，ρ2為操作介質(zhì)的密度，kg/m3；h2為分布板上的持液高度，m。對(duì)于催化蒸餾塔中催化分離單元，h2為100 mm。計(jì)算得mcy=172.8 kg。

(4)單個(gè)催化劑床層總質(zhì)量m1根據(jù)計(jì)算的mzcj=1 500 kg、mj=1 993 kg、mcy=172.8 kg，求和得單個(gè)催化劑床層總質(zhì)量m1=3 666 kg。

2.2.2浮閥塔板操作質(zhì)量m2

浮閥塔板質(zhì)量包括浮閥塔板質(zhì)量和持液質(zhì)量2個(gè)組成部分。按照NB/T 47041—2014中的統(tǒng)計(jì)方法，浮閥塔板單位面積質(zhì)量按照75 kg/m2計(jì)算。塔內(nèi)橫截面積S2=3.80 m2，浮閥塔板持液高度按100 mm計(jì)算，則1塊浮閥塔板的操作質(zhì)量m2=495.9 kg。

3 催化蒸餾塔內(nèi)件計(jì)算結(jié)果及分段方案影響分析

3.1 塔內(nèi)件操作質(zhì)量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到圖1a所示催化蒸餾塔分段方案1中，4段填料層的填料密度均為877.064 kg/m3，填料層高度均為1 100 mm，塔盤1～塔盤5對(duì)應(yīng)的標(biāo)高依次為11 800 mm、30 800 mm、33 400 mm、36 000 mm、38 600 mm，塔盤1～塔盤5的構(gòu)成塔板數(shù)分別為30塊、2塊、2塊、2塊和2塊。圖1b所示方案2中，填料層填料密度為478.76 kg/m3，標(biāo)高29 250 mm，等效高度為10 050 mm。浮閥塔盤標(biāo)高11800 mm,塔盤的等效塔板數(shù)為30塊。圖1c所示方案3中，塔盤1標(biāo)高29 250mm，等效塔板數(shù)37塊。塔盤2標(biāo)高11 800 mm，等效塔板數(shù)30塊。圖1d所示方案4中填料標(biāo)高11 800mm，等效高度317.36 mm。

設(shè)計(jì)催化蒸餾塔時(shí)采用的計(jì)算軟件為SW6塔器計(jì)算模塊。由壓力載荷的計(jì)算結(jié)果分析[14]，催化蒸餾塔的壓力計(jì)算厚度由負(fù)壓控制，外壓圓筒計(jì)算長(zhǎng)度為4 000 mm時(shí)，容器的計(jì)算厚度為9.25 mm。實(shí)際將塔的筒體厚度分為2段，一段筒體長(zhǎng)16 000 mm、名義厚度18 mm，另一段筒體長(zhǎng)16 420 mm、名義厚度16 mm。進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算和地震作用的相關(guān)驗(yàn)算。

3.2 分段方案對(duì)塔計(jì)算的影響

3.2.1整塔操作等效質(zhì)量

塔式容器整塔操作質(zhì)量按下面的公式計(jì)算：

m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+mc

式中，m0為整塔操作質(zhì)量，m01為塔的殼體和裙座質(zhì)量，m02為塔的內(nèi)件質(zhì)量，m03為塔體保溫材料質(zhì)量，m04為平臺(tái)、扶梯的質(zhì)量，m05為操作時(shí)塔式容器內(nèi)的介質(zhì)質(zhì)量，ma為人孔、接管、法蘭等附屬件的質(zhì)量，mc為偏心質(zhì)量，kg。統(tǒng)計(jì)得到的催化蒸餾塔整塔等效操作質(zhì)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 催化蒸餾塔整塔等效操作質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，4種質(zhì)量等效方案的整塔操作質(zhì)量中內(nèi)件質(zhì)量是相同的。方案4的塔水壓試驗(yàn)質(zhì)量和塔最小質(zhì)量均最小，方案2的均最大。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[13]在對(duì)填料質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)中將填料的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)在塔操作時(shí)的內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量中，而塔盤的質(zhì)量則統(tǒng)計(jì)在塔的內(nèi)件質(zhì)量中。在整塔質(zhì)量統(tǒng)計(jì)中，水壓試驗(yàn)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)包含了內(nèi)件質(zhì)量，在最小質(zhì)量統(tǒng)計(jì)時(shí)包含了0.2倍內(nèi)件質(zhì)量數(shù)值的塔盤支撐圈和降液板質(zhì)量，而沒(méi)有包含填料的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[13]中對(duì)于塔的自振周期、塔設(shè)備本體和裙座的地震計(jì)算、裙座對(duì)接焊縫應(yīng)力校核計(jì)算，使用的質(zhì)量均是塔的操作質(zhì)量。在風(fēng)載荷控制時(shí)，塔的地腳螺栓最大拉應(yīng)力校核使用的是塔的最小質(zhì)量，塔的基礎(chǔ)環(huán)板最大應(yīng)力校核使用的是塔的水壓試驗(yàn)質(zhì)量。

3.2.2塔自振周期計(jì)算

塔自振周期計(jì)算結(jié)果是塔地震載荷和風(fēng)載荷計(jì)算的重要參數(shù)。按照NB/T 47041—2014，將直徑、材料、厚度沿高度變化的塔式容器視為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)體系，影響塔自振周期計(jì)算結(jié)果的主要因素是多質(zhì)點(diǎn)彈性體系的質(zhì)量分布。以4種方案計(jì)算結(jié)果為填料參數(shù)和塔板參數(shù)輸入SW6軟件，計(jì)算的催化蒸餾塔自振周期見(jiàn)表3。

表3 基于不同方案的催化蒸餾塔自振周期 s

從表3可以看出，對(duì)于第一振型計(jì)算周期T1的計(jì)算，方案2更接近實(shí)際并且方案2計(jì)算自振周期偏保守，自振周期增大，風(fēng)脈動(dòng)增大系數(shù)也增大，計(jì)算段水平風(fēng)力加大，因此計(jì)算風(fēng)彎矩時(shí)也會(huì)偏保守。方案3將內(nèi)件等效為2段不等間距塔板的計(jì)算結(jié)果和方案4將內(nèi)件等效為整塊填料的計(jì)算結(jié)果相同，但是4種方案的計(jì)算誤差很微小。

3.2.3塔截面地震力和彎矩計(jì)算

塔地震力的計(jì)算是將塔沿經(jīng)向分解為多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，并求解多質(zhì)點(diǎn)彈性體系在地震作用下，在質(zhì)點(diǎn)i上所產(chǎn)生的慣性力。分析文獻(xiàn)[13]中水平地震力的計(jì)算公式(F=αηmg)，可以看出塔的地震力計(jì)算影響因素是由任意高度分配的集中質(zhì)量m和其地震影響系數(shù)α決定的。自振周期的變化會(huì)影響地震影響系數(shù)α的取值，也就直接影響到水平地震力的大小[15]。從地震影響系數(shù)曲線可以看出，上升區(qū)段地震影響系數(shù)隨著自振周期加大而增大，下滑階段則恰好相反。以4種方案的計(jì)算結(jié)果作為填料參數(shù)和塔板參數(shù)輸入SW6軟件，計(jì)算的催化蒸餾塔1-1截面、0-0截面以及裙座-筒體連接段的地震彎矩見(jiàn)表4。

表4 基于不同方案的催化蒸餾塔地震彎矩 ×109 N·mm

由表4可以看出，各截面地震彎矩的計(jì)算誤差均在小數(shù)點(diǎn)后的第2位，因此計(jì)算結(jié)果的差別十分微小。由于在本次計(jì)算中最大彎矩是由風(fēng)彎矩控制的，故地震彎矩計(jì)算結(jié)果的差距并沒(méi)有影響最終計(jì)算結(jié)果。

3.2.4塔截面最大彎矩計(jì)算

以4種方案計(jì)算結(jié)果為填料參數(shù)和塔板參數(shù)輸入SW6軟件，計(jì)算得到的催化蒸餾塔1-1截面、0-0截面及裙座-筒體連接段的最大彎矩見(jiàn)表5。

表5 基于不同方案的催化蒸餾塔截面最大彎矩 ×109 N·mm

由SW6計(jì)算軟件對(duì)于4個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果可以看出，方案4與方案3計(jì)算的最大彎矩相同。方案2的最大彎矩略大于方案3。這是因?yàn)榇呋麴s塔各截面的最大彎矩是由風(fēng)載荷控制的。自振周期T1的計(jì)算值越小，風(fēng)彎矩計(jì)算值越大。

3.2.5塔裙座元件計(jì)算

以4種方案計(jì)算結(jié)果為填料參數(shù)和塔板參數(shù)輸入SW6軟件，計(jì)算得到的催化蒸餾塔裙座元件尺寸見(jiàn)表6。

表6 基于不同方案的催化蒸餾塔裙座元件尺寸 mm

由表6看出，4種方案的計(jì)算結(jié)果差別很小，方案2的地腳螺栓小徑計(jì)算結(jié)果相對(duì)于方案1略保守，方案1的基礎(chǔ)環(huán)板計(jì)算厚度略保守，這是由于塔的水壓試驗(yàn)質(zhì)量和塔最小質(zhì)量統(tǒng)計(jì)值不同造成的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)MTBE催化精餾塔的復(fù)雜內(nèi)件結(jié)構(gòu)，提供了4種內(nèi)件的質(zhì)量等效簡(jiǎn)化方案。計(jì)算結(jié)果表明，4種方案統(tǒng)計(jì)出的塔的操作質(zhì)量是相同的，但是塔的水壓試驗(yàn)質(zhì)量和塔最小質(zhì)量略有不同。方案2的計(jì)算結(jié)果最接近方案1的計(jì)算結(jié)果，并且按照方案2計(jì)算的最大彎矩和地腳螺栓結(jié)果偏保守，在軟件輸入時(shí)也比較簡(jiǎn)單。本次計(jì)算推薦使用方案2，基礎(chǔ)板需要取適當(dāng)?shù)挠嗔??；?種方案的自振周期和地震彎矩計(jì)算結(jié)果表明，SW6軟件給出的塔體分段可以滿足塔計(jì)算實(shí)際要求。對(duì)于內(nèi)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塔，可以通過(guò)內(nèi)件質(zhì)量等效法進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。