乙烯裝置急冷油塔改造技術(shù)方案探討

劉永莉

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

急冷油塔系統(tǒng)與急冷水塔系統(tǒng)和稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)一起構(gòu)成乙烯分離的重要系統(tǒng)單元——裂解氣預(yù)分餾系統(tǒng)，也稱為急冷系統(tǒng)。經(jīng)預(yù)分餾處理后的裂解氣再送到下游的壓縮、冷分離和熱分離等系統(tǒng)單元，最終分離出乙烯、丙烯等產(chǎn)品。采用石腦油、加氫尾油、輕柴油等餾分油作為主要原料的裂解裝置所產(chǎn)裂解氣中富含相當(dāng)量的輕、重燃料油餾分，為避免這些燃料油餾分與水混合后發(fā)生乳化而難于進(jìn)行油水分離，必須在冷卻裂解氣的過程中先將裂解氣中的燃料油餾分分餾出來【1】，因此必須設(shè)置急冷油塔。急冷油塔的主要作用可以概括為：1)冷卻來自裂解爐的裂解氣；2)冷凝并分離裂解氣中的重的副產(chǎn)品；3)獲取干點(diǎn)合適的汽油及閃點(diǎn)合適的燃料油；4)最大限度從裂解產(chǎn)物中回收熱量。

急冷油塔系統(tǒng)的操作性能和處理能力直接影響著整個(gè)乙烯裝置的生產(chǎn)負(fù)荷和能耗水平。對(duì)于大型乙烯裝置擴(kuò)能改造項(xiàng)目，急冷油塔改造方案的確定非常關(guān)鍵，需針對(duì)裝置原料特點(diǎn)、裂解產(chǎn)物組成、塔內(nèi)氣液負(fù)荷增幅、能量的合理利用等各方面進(jìn)行綜合分析和研究。

1 急冷油塔系統(tǒng)流程技術(shù)特點(diǎn)

某國(guó)產(chǎn)化大型乙烯裝置急冷油塔系統(tǒng)的流程示意如圖1所示。

圖1 某乙烯裝置急冷油塔系統(tǒng)流程示意

急冷油塔自上而下分為精餾段、盤油循環(huán)段、急冷油循環(huán)段3個(gè)部分。來自輕油爐和重油爐的裂解氣從底部進(jìn)料至急冷油塔，先后經(jīng)循環(huán)急冷油、盤油和回流汽油冷卻到約104 ℃后從塔頂送出到急冷水塔。裂解氣中的輕燃料油組分在精餾段被冷凝送到輕燃料油汽提塔，以維持裂解汽油的終餾點(diǎn)。塔釜的熱急冷油經(jīng)旋液分離器脫除焦碳顆粒后，大部分被送到急冷油/稀釋蒸汽發(fā)生器中回收熱量并發(fā)生稀釋蒸汽，少量被送到重燃料油汽提塔；重燃料油產(chǎn)品從塔釜采出。

設(shè)置盤油循環(huán)取熱系統(tǒng)是該急冷油塔系統(tǒng)流程的技術(shù)特點(diǎn)之一，通過回收裂解氣中間溫位的熱量作為下游分餾塔的再沸器熱源，使得急冷油塔內(nèi)的溫度分布更趨合理，操作運(yùn)行更穩(wěn)定；該流程的技術(shù)特點(diǎn)之二是選擇了有效的減粘方案，即通過設(shè)置重燃料油汽提塔，采用高溫乙烷爐裂解氣作為汽提介質(zhì)，使急冷油中沸點(diǎn)高、粘度低的中間組分返回急冷系統(tǒng)循環(huán)，重質(zhì)組分(PFO)作為產(chǎn)品采出，從而達(dá)到控制急冷油粘度、提高急冷油塔塔釜溫度的效果，這樣既能避免結(jié)焦堵塞，又能通過循環(huán)急冷油回收更多熱量。

由于裂解氣中含有焦粒，同時(shí)裂解氣中的不飽和烴也可能發(fā)生聚合結(jié)垢，所以急冷油塔內(nèi)件必須有良好的抗堵性能，以滿足裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

2 急冷油塔改造要求

2.1 急冷油塔進(jìn)料量及塔內(nèi)氣液負(fù)荷

本文所述乙烯裝置原設(shè)計(jì)產(chǎn)能為80萬t/a，改造后裝置需擴(kuò)能到110萬t/a，裝置規(guī)模增幅較大。重工況下加氫尾油和柴油這些重質(zhì)裂解原料占比很大，導(dǎo)致乙烯收率不高，僅為29.5%。因此與輕質(zhì)原料相比，為實(shí)現(xiàn)裝置產(chǎn)能，需要的原料總量會(huì)更多，急冷油塔進(jìn)料的裂解氣量也將更大。改造后重工況為急冷油塔系統(tǒng)的控制工況，對(duì)比原設(shè)計(jì)的控制工況，急冷油塔的裂解氣進(jìn)料總量增幅高達(dá)35%，且輕、重組分均增加，帶入急冷油塔的總熱量也增加，因此急冷油循環(huán)量上升，取熱量增加，同時(shí)盤油循環(huán)量和回流汽油量也均上升。改造前后急冷油塔內(nèi)各段氣液負(fù)荷對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 改造前后急冷油塔各段氣液負(fù)荷對(duì)比

從表1中可見，擴(kuò)能后急冷油塔內(nèi)的精餾段、盤油循環(huán)段和急冷油循環(huán)段的氣液負(fù)荷都有很大增幅，均超出原設(shè)計(jì)的最大氣液負(fù)荷，需要對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行改造，特別是增幅最大的盤油循環(huán)段，改造難度更高。

2.2 急冷油塔壓降

烴類蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯的裝置中，輻射爐管的壓力對(duì)裂解產(chǎn)物收率有明顯的影響，降低輻射爐管的出口壓力(COP)，有利于提高烯烴的收率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益【2】。裂解氣壓縮機(jī)一段入口壓力和COP密切相關(guān)，如果裂解爐和壓縮機(jī)之間的設(shè)備管道壓降大，使裂解氣壓縮機(jī)一段入口壓力降低、壓縮比增加，則壓縮機(jī)的功耗增加。若保持壓縮機(jī)入口壓力不變，則必須提高裂解爐出口壓力，從而使烴分壓增加、裂解選擇性降低【3】。因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減小裂解爐和壓縮機(jī)之間的設(shè)備管道壓降，在生產(chǎn)操作上也要防止工藝設(shè)備發(fā)生結(jié)垢。

裂解爐和壓縮機(jī)之間的主要設(shè)備是急冷油塔和急冷水塔。在本文所述乙烯裝置中，急冷水塔采用填料塔，全塔壓降相對(duì)較小。急冷油塔出于防止結(jié)焦的目的采用了板式塔，壓降相對(duì)較大，需嚴(yán)格控制。擴(kuò)能后，為保持裂解爐仍能在較低的COP下操作，急冷油塔全塔壓降仍限制在不超過15 kPa，這也為改造增加了難度。

3 急冷油塔改造技術(shù)方案

對(duì)于改造裝置，為減少改造工程量，縮短改造施工時(shí)間，塔的改造原則通常是利舊塔器殼體和設(shè)備基礎(chǔ)，通過更換高效或高通量塔盤來提高塔的處理能力。本文所述乙烯裝置原設(shè)計(jì)急冷油塔直徑為11.5 m，對(duì)于這種超大型塔設(shè)備，通過利舊殼體改造內(nèi)件來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能無疑是優(yōu)選方案，這對(duì)減少工程量和降低投資都更有利。

3.1 精餾段改造技術(shù)方案

急冷油塔精餾段為塔上部1號(hào)～12號(hào)塔板，原設(shè)計(jì)采用了由中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司(SEI)開發(fā)的SFV固閥塔板專利技術(shù)【4】。該固閥塔板的閥體由塔板本體沖出，通過閥腿與塔板相連，閥面為長(zhǎng)條形，兩端為弧形，閥面與塔板之間夾角為銳角，沿液流方向的末端與塔板平行。閥面上根據(jù)需要沖出一個(gè)或多個(gè)舌片，舌片與閥面的夾角呈銳角且方向與液流方向相同。SFV固閥塔板的結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 SFV固閥塔板結(jié)構(gòu)示意和長(zhǎng)軸剖面

SFV固閥塔板除具有抗堵性強(qiáng)的特點(diǎn)外，與其他現(xiàn)有固定閥塔板相比，其流體力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在塔板壓降更低、霧沫夾帶量更小、傳質(zhì)效率更高、氣液通量更大等方面。

急冷油塔精餾段為雙溢流，擴(kuò)能后氣液負(fù)荷增幅大，開孔面積不能滿足要求，原塔板不能利舊。通過詳細(xì)的計(jì)算和固閥排布方案研究，發(fā)現(xiàn)可以在現(xiàn)有的鼓泡區(qū)內(nèi)通過布置更多的SFV固閥滿足擴(kuò)能要求。最終確定將原塔板拆除后，更換為開孔率更大的固閥塔板。精餾段更換塔板前后的流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，在更換塔板后，泛點(diǎn)率、板壓降、閥孔動(dòng)能因子等各項(xiàng)指標(biāo)都能夠良好滿足擴(kuò)能改造要求。

表2 精餾段更換塔板前后流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果

3.2 盤油循環(huán)段改造技術(shù)方案

急冷油塔盤油循環(huán)段為塔中部13號(hào)～20號(hào)塔板，原設(shè)計(jì)也采用了SFV固閥塔板技術(shù)。擴(kuò)能后盤油循環(huán)段氣液負(fù)荷增幅較大，且采用四溢流結(jié)構(gòu)，鼓泡區(qū)面積有限，排閥空間不夠，采用固閥塔板不能滿足改造要求，因此擬采用一種新型高通量專利塔板——正交波紋塔板【5】。

正交波紋塔板(OWT)由SEI等單位合作開發(fā)，由北洋國(guó)家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司(北洋精餾)對(duì)塔板流體力學(xué)性能進(jìn)行研究，其通過將沖好孔的金屬板按照特定的波紋方程壓彎成波紋狀而形成。該波紋方程如下：

式中：H——波紋的深度，mm；

L′——波紋的長(zhǎng)度，mm。

H和L′的具體數(shù)值根據(jù)設(shè)計(jì)條件來選取。圖3為正交波紋塔板的結(jié)構(gòu)示意，圖中T為波紋板的厚度(單位：mm)。

圖3 正交波紋塔板結(jié)構(gòu)示意

正交波紋塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有良好的流體力學(xué)性能，其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是良好的抗堵性。塔板的降液區(qū)和鼓泡區(qū)交錯(cuò)排布，液相朝多個(gè)方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔板各區(qū)域的有效沖刷，降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

二是塔板壓降低，傳質(zhì)、傳熱效果好。由于正交波紋板凹凸不平的特殊結(jié)構(gòu)，使得波峰和波谷分別成為氣相和液相的既定通道，從而減小阻力損失，也保證了操作的穩(wěn)定性【6】；同時(shí)由于波峰、波谷在板上交替均勻分布，使得塔內(nèi)的氣液分布十分均勻；此外，氣體從波紋的斜向篩孔噴入液層，加劇了板上泡沫層的湍動(dòng)，促進(jìn)氣液更好接觸，增強(qiáng)了傳熱和傳質(zhì)效果，而且不同方向的斜向氣流相互作用還能有效抑制霧沫夾帶。

三是正交波紋塔板可以隨氣液負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)降液和升氣面積，因此具有很大的操作彈性。

圖4是由北洋精餾通過塔板性能測(cè)試得到的幾種不同塔板的全塔效率隨基于空塔截面積的動(dòng)能因子Fs的變化趨勢(shì)。Fs用于表征塔內(nèi)氣液負(fù)荷的大小。

如圖4所示，正交波紋塔板與穿流篩板的最高傳質(zhì)效率基本相同，但最高傳質(zhì)效率所對(duì)應(yīng)的Fs因子差別很大，正交波紋塔板的Fs因子明顯大于穿流篩板，并且穿流篩板的效率曲線在最高效率點(diǎn)附近下降劇烈，而正交波紋塔板在最高效率點(diǎn)附近一段范圍內(nèi)曲線平緩沒有突變。由此可見，在相同開孔率條件下，正交波紋塔板具有更高的通量和穩(wěn)定性。

從圖4中還可以看出，在相同的氣液負(fù)荷下，正交波紋塔板的傳質(zhì)效率要低于固閥塔板，這是由于兩種塔板分屬不同的氣液流動(dòng)接觸類型。正交波紋塔板為逆流接觸，固閥塔板為錯(cuò)流接觸，而錯(cuò)流塔板的效率會(huì)更高。但從操作范圍來看，正交波紋塔板會(huì)更大，能處理更大的氣液負(fù)荷，更適合用于擴(kuò)能改造。

圖4 幾種塔板的全塔效率對(duì)比

圖5是正交波紋塔板與穿流篩板濕板壓降對(duì)比。由圖5可以看出，正交波紋塔板壓降明顯低于穿流篩板。因此采用正交波紋塔板可以降低裂解氣壓縮機(jī)的壓縮比，進(jìn)而降低功率，使乙烯裝置能耗進(jìn)一步降低。

圖5 正交波紋塔板與穿流篩板濕板壓降對(duì)比

針對(duì)擴(kuò)能后急冷油塔盤油循環(huán)段氣液負(fù)荷增幅過大的難題，在固閥塔板無法滿足通量要求的情況下，采用高通量的正交波紋塔板成為優(yōu)選方案。通過計(jì)算，對(duì)塔板的波高、波長(zhǎng)和開孔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都做了最優(yōu)化選取。表3是盤油循環(huán)段更換塔板前后的流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果。由表3可以看出，在更換為正交波紋塔板后，塔內(nèi)盤油循環(huán)段各項(xiàng)指標(biāo)都能良好滿足擴(kuò)能改造要求。

表3 盤油循環(huán)段更換塔板前后流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果

另外，通過調(diào)整塔板連接形式，既實(shí)現(xiàn)了塔板的牢固固定，也實(shí)現(xiàn)了盡量減少平板面積、增大起波面積的目的。

3.3 急冷油循環(huán)段改造技術(shù)方案

在急冷油循環(huán)段，裂解氣被循環(huán)急冷油冷卻。急冷油主要由稠環(huán)芳烴和瀝青質(zhì)組成，粘度較高，高溫下容易縮聚。為盡量防止塔板結(jié)焦，原設(shè)計(jì)采用了20層人字擋板塔板。因塔板數(shù)比較富裕，擴(kuò)能后為控制全塔壓降，采取的改造方案是拆除最下面一組4層人字擋板塔板。

改造后急冷油塔的壓降計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可以看出，全塔壓降能夠滿足不超過15 kPa的性能保證要求。

表4 改造后全塔壓降計(jì)算 單位：kPa

4 結(jié)語

大型乙烯裝置擴(kuò)能改造時(shí)，急冷油塔等大型塔器的改造原則通常是利舊殼體，通過改造塔內(nèi)件來提高塔的處理能力。急冷油塔處理全組分的裂解氣，擴(kuò)能后塔內(nèi)氣液負(fù)荷增幅大，且塔內(nèi)容易聚合結(jié)焦，因此必須選用抗堵性強(qiáng)、塔板壓降低、氣液通量大、傳質(zhì)效率高的高性能塔板。正交波紋塔板具備這些良好的流體力學(xué)性能。采用正交波紋塔板，在不增加塔壓降的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)能20%～40%。