甲苯二胺合成反應(yīng)器擴(kuò)產(chǎn)改造

曹傳波，秦利濤，孔令啟，李玉剛

(1.青島銀科恒遠(yuǎn)化工過程信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042；2.青島科技大學(xué) 計算機(jī)與化工研究所，山東 青島 266042)

甲苯二胺(簡稱TDA，下同)是生產(chǎn)甲苯二異氰酸酯(簡稱TDI)的主要原料，由DNT(二硝基甲苯)催化加氫得到，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。目前國內(nèi)用于TDA生產(chǎn)的反應(yīng)器主要有兩種形式，內(nèi)盤管式和內(nèi)板換式，其主要區(qū)別在于移除反應(yīng)熱的形式不同。板式換熱器的傳熱系數(shù)大于盤管式，因此板換式擁有更高的取熱能力，但這種換熱形式對反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和設(shè)備的加工要求很高，國內(nèi)的使用廠家多為國外引進(jìn)，價格高昂。

某廠家有一套建于90年代的TDA合成裝置，反應(yīng)器采用內(nèi)盤管方式換熱，運行狀況良好，現(xiàn)最大負(fù)荷4萬t/a。近年來隨著市場需求的增加[1]，裝置亟待擴(kuò)產(chǎn)改造。

1 擴(kuò)產(chǎn)瓶頸分析

1.1 裝置原況

原反應(yīng)器換熱方案如圖1所示。采用盤管冷卻水自循環(huán)換熱流程，反應(yīng)熱通過盤管由冷卻水帶出反應(yīng)器，冷卻水在冷卻器E1降溫后再進(jìn)入盤管循環(huán)，熱量最終被E1循環(huán)水帶走，反應(yīng)過程通過調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)口溫度來控制反應(yīng)器溫度。

設(shè)備數(shù)據(jù)：反應(yīng)器液面以下體積約52 m3，換熱盤管總面積580 m2，盤管體積16 m3，反應(yīng)器實際有效體積36 m3；冷卻器E1為板式換熱器，換熱面積550 m2；冷卻水循環(huán)泵P1額定流量1000 m3/h。

圖1 原反應(yīng)器換熱方案示意圖

操作數(shù)據(jù)：反應(yīng)溫度110℃；盤管冷卻水流量1000 m3/h，進(jìn)出口溫度45～58℃；裝置最大運行負(fù)荷為4萬t TDA/a。

若提高反應(yīng)器負(fù)荷，主要影響因素有兩個：一是反應(yīng)停留時間，即反應(yīng)器體積；二是反應(yīng)器的換熱能力。下面分別對這兩個因素進(jìn)行分析。

1.2 反應(yīng)停留時間

反應(yīng)停留時間決定了反應(yīng)器需要的體積大小，根據(jù)該合成反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)方程[2]，在110℃反應(yīng)條件下，原反應(yīng)器的有效體積可以滿足6萬t TDA/a的生產(chǎn)負(fù)荷。

表1 國內(nèi)使用板換反應(yīng)器廠家產(chǎn)能

國內(nèi)其它采用板換反應(yīng)器廠家的考察結(jié)果見表1，某廠家原盤管式反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積為36 m3，根據(jù)考察其他廠家反應(yīng)器的實際運行能力來看，從停留時間角度考慮，加氫反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積可以滿足6萬t TDA/a以上的生產(chǎn)負(fù)荷。若盤管換熱能力也可滿足6萬t年產(chǎn)負(fù)荷，則裝置可直接擴(kuò)產(chǎn)，下面對換熱能力進(jìn)行分析。

1.3 換熱能力

換熱能力是影響此類反應(yīng)器產(chǎn)能的另一個重要因素，裝置4萬t TDA/a負(fù)荷下具代表性的操作數(shù)據(jù)見表2，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，核算裝置運行工況和6萬t年產(chǎn)負(fù)荷下所需要的盤管面積，結(jié)果見表2。

表2 盤管換熱能力計算結(jié)果

注：根據(jù)物料特性及實際經(jīng)驗，冷卻水進(jìn)口溫度低于45℃會使物料在盤管壁上凝結(jié)，影響傳熱。反應(yīng)器盤管傳熱系數(shù)根據(jù)反應(yīng)器運行數(shù)據(jù)標(biāo)定得到[5]，為390 kcal/(h·m2·℃)。

可以看出：4萬t負(fù)荷操作條件下所需盤管面積為559 m2，原裝置為580 m2，核算結(jié)果與現(xiàn)場工況基本一致；但在6萬t負(fù)荷下，盤管面積需要887 m2，原裝置已不能滿足。

根據(jù)上述分析可知：原反應(yīng)器體積可滿足6萬t/a以上負(fù)荷，盤管的換熱能力是反應(yīng)器擴(kuò)產(chǎn)改造的瓶頸，要提高負(fù)荷，必須對現(xiàn)換熱方案進(jìn)行改造。

2 擴(kuò)產(chǎn)改造

由于反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時又屬于三類容器，因此改造反應(yīng)器內(nèi)部換熱型式比較困難。根據(jù)反應(yīng)裝置的實際情況，提出物料外循環(huán)換熱方案，在不改造反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的前提下，提高裝置產(chǎn)能，下面進(jìn)行討論。

2.1 改造方案

從反應(yīng)器內(nèi)引出一部分物料，將這部分物料在反應(yīng)器外冷卻降溫后再返回反應(yīng)器。這樣有部分反應(yīng)熱就被移到了反應(yīng)器外，反應(yīng)熱的移出不再全部由內(nèi)盤管承擔(dān)，減小了盤管負(fù)荷，從而解決了反應(yīng)器內(nèi)盤管換熱面積不夠的問題。

采出物料溫度110℃，冷卻水出口溫度在60℃左右，可用盤管出口的冷卻水對物料進(jìn)行降溫，冷卻水的降溫仍在E1中進(jìn)行，若E1能力足夠，只需增加兩臺設(shè)備：物料冷卻器E2，物料循環(huán)泵P2。改造方案如圖2所示。

圖2 改造方案示意圖

改造前后的熱量衡算方程分別為：

原裝置：Q反應(yīng)熱 = Q盤管 = QE1

改造后：Q反應(yīng)熱 = Q盤管 + QE2 = QE1

反應(yīng)器內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)改造困難，冷卻水泵P1與釜內(nèi)盤管匹配，也不易改動，改造的主要內(nèi)容是循環(huán)泵P2及物料換熱器E2大小的確定，下面進(jìn)行分析討論。

2.2 參數(shù)分析及討論

改造方案中三個換熱器相互影響，冷卻水的溫差決定了盤管負(fù)荷，E1的能力決定了盤管進(jìn)口溫度，E2的大小又影響物料循環(huán)量及E1的入口溫度，但總的說來，其本質(zhì)是盤管負(fù)荷與物料冷卻負(fù)荷的分配，如何在較少的設(shè)備投資和運行成本下，使新增設(shè)備與原盤管達(dá)成較好的適配，使換熱能力滿足擴(kuò)產(chǎn)要求，下面進(jìn)行計算分析。

計算基于以下已知條件和基本假設(shè)：

a、盤管面積：580 m2；盤管冷卻水流量：1000 m3/h；年產(chǎn)6萬t TDA負(fù)荷時反應(yīng)熱1.9×107kcal/h；

b、循環(huán)水進(jìn)出口溫度30～40℃；

c、盤管傳熱系數(shù)為390 kcal/(h·m2·℃)，E1板換傳熱系數(shù)取1700 kcal/(h·m2·℃)，新增管殼式E2傳熱系數(shù)取600 kcal/(h·m2·℃)；(E1、E2傳熱系數(shù)的取值來自設(shè)備廠家和工程經(jīng)驗)；

d、整個換熱過程沒有相態(tài)變化。

利用傳熱方程和熱量方程對三個換熱過程分別進(jìn)行分析可知，在未知數(shù)中只需確定兩個，即可解得整個過程的設(shè)備大小及各工藝參數(shù)?，F(xiàn)以設(shè)備大小為目標(biāo)函數(shù)，選取冷卻水進(jìn)口溫度和物料冷卻溫度為變量，通過給定不同數(shù)值，分析不同溫度對改造所需設(shè)備的影響規(guī)律。

共計算了5個工況：當(dāng)物料冷卻溫度80℃時，冷卻水進(jìn)口溫度取58、52、47℃3個點，見工況1～3；當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度47℃時，物料冷卻溫度取80、75、70℃3個點，見工況3～5，計算結(jié)果見表3。

表3 不同物料和冷卻水溫度對換熱面積及循環(huán)量的影響

從計算結(jié)果可以看出：

①隨著冷卻水進(jìn)口溫度的降低，E2的傳熱溫差增大，E1的傳熱溫差減小，E2承擔(dān)換熱負(fù)荷減小，物料循環(huán)量減小，E1面積增加，E2面積減??；

②隨著物料溫度的降低，物料冷卻器E2的傳熱溫差減小，E2面積增加，物料循環(huán)溫差增加，物料循環(huán)量減??；

綜上，降低冷卻水進(jìn)口溫度和物料溫度，可減小新增換熱器E2面積及物料循環(huán)量，代價是冷卻器E1面積需要增大?，F(xiàn)裝置冷卻器E1面積550 m2，可以滿足上述工況5工藝條件，新增一臺物料冷卻器447 m2，一臺循環(huán)泵221 m3/h即可滿足年產(chǎn)6萬t 負(fù)荷下的換熱要求。

3 結(jié)束語

通過上述分析討論，原裝置反應(yīng)器的有效體積可以滿足TDA年產(chǎn)6萬t 以上的生產(chǎn)負(fù)荷，其擴(kuò)產(chǎn)瓶頸在于反應(yīng)器的換熱能力不足；物料外循環(huán)換熱的方案，可提高反應(yīng)器的換熱能力，其中冷卻水進(jìn)口溫度和物料的冷卻溫度應(yīng)在工藝條件允許范圍內(nèi)盡量的低，這樣所需要的動力消耗越小，但新增換熱器設(shè)備投資越大。經(jīng)過多方權(quán)衡，結(jié)合廠家的實際情況，最終選定上述工況5作為改造方案，年產(chǎn)負(fù)荷由4萬t提高至6萬t。

本文分析了某廠甲苯二胺合成反應(yīng)器的擴(kuò)產(chǎn)改造問題，針對瓶頸提出改造方案，并對各參數(shù)與改造設(shè)備關(guān)系進(jìn)行了分析，得出較優(yōu)的改造方案，給廠家的擴(kuò)產(chǎn)改造提供了理論依據(jù)，也可供有相似反應(yīng)器改造的廠家借鑒參考。