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径向侧导喷射塔板在甲醇精馏工段中的应用
发布时间:2012/7/30 11:09:48 点击次数:3079
摘要:本文介绍了甲醇生产中精馏工段的任务和精馏工艺的选择,并介绍了天津市创举科技有限公司使用自己的专利产品-径向侧导喷射塔板在建滔公司12万吨/年的甲醇精馏工段一次开车成功,产品达到美国AA级标准的工作情况和设计理念。

径向侧导喷射塔板在甲醇精馏工段中的应用

 (河北工业大学化工塔器设计中心  天津市创举科技有限公司 300130

    近年来,我国的甲醇工业正随下游产品的开发而迅速发展。目前很多企业都开始着手甲醇的生产和开发,在过去较小规模的联醇生产的基础上,开发大规摸的单醇生产。而有条件的工厂甲醇生产的原料也由天然气、半水煤气转而使用过去废弃不用的焦炉煤气。据中国化工报2005年9月7日报道,继云南曲靖8万吨/年焦炉气制甲醇的装置投产后,2005年9月5日,建滔(河北)焦化有限公司的12万吨/年焦炉气制甲醇生产装置投产,一次试车成功,产品达到美国AA级标准。这是我国焦炉气制甲醇的第二套装置。在这个工程中,天津市创举科技有限公司承担了甲醇精馏工段的设计和甲醇精馏塔内件的设计、制造和安装工作。

1、甲醇精馏概述

1.1  为什么要进行甲醇精馏?

    在甲醇生产中,当原料气在甲醇合成塔内发生甲醇反应的同时,还伴随一系列的副反应。其产物是由甲醇、水及有机杂质等组成的混和溶液,我们称之为粗甲醇,粗甲醇中带有很多杂质,必须经过精馏才能获得我们需要的精甲醇。

1.2  粗甲醇的组成:

    由于甲醇合成时可以采用不同的催化剂,而且受压力、温度、合成气组成甚至是催化剂使用时期不同的影响,故粗甲醇的组成十分复杂。各厂之间、甚至一个厂在催化剂使用的不同时期内,粗甲醇的组成都不同。按照资料 粗甲醇的组分有40多种,其中列出了30种主要组分及沸点,还未包括常规状态下的气体成分。常见的25个组分及常压下的沸点见表1。

 

1 粗甲醇的组成

组成

沸点

组成

沸点

组成

沸点

组成

沸点

组成

沸点

H2

-252.8

二甲醚

-24.84

甲醇

64.7

正丙醇

97.21

异戊醇

119

N2

-195.8

甲酸甲酯

31.8

正己烷

68.74

正庚烷

98.43

正辛烷

125.67

CO

-191.5

正戊烷

36.07

乙酸已酯

77.1

异丁醇

99.5

正戊醇

137.98

Ar

-185.8

丙酮

56.29

乙醇

78.32

100

正壬烷

150.8

CO2

-78.4

乙酸甲酯

57.2

异丙醇

82.33

正丁醇

117.66

正癸烷

174.1

 

1.3 怎样选择粗甲醇精馏的工艺:

    目前我国的甲醇精馏工艺主要分为双塔精馏和三塔精馏两种。双塔精馏主要在系统能力比较小,投资比较紧,同时对甲醇质量没有特别严格要求的场合下采用;随着甲醇单系统能力的增大,用户对甲醇质量要求的提高,特别是用户在甲醇生产中迫切地要求降低能耗,因此催生了甲醇的三塔精馏。相对于双塔精馏,三塔精馏具有能耗低和产品精度高的优点,它的能耗至少要比双塔精馏低30%。但是它也有缺点:那就是投资相对较高,操作也比较复杂。

    相对于某一个工厂,它究竟是选用双塔精馏还是三塔精馏,完全取决于他自身的条件。比如投资条件、甲醇的用途、是否要求高精度甲醇及当地的能源价格等,它还取决于操作人员的技术水平。把各种条件综合起来分析,投资者才能进行正确的判断和决定。

2、径向侧导喷射塔板(CJST

    径向侧导喷射塔板是隶属河北工业大学的天津市创举科技有限公司研发的专利产品(专利号ZL 99 2 00122.6)。它是在垂直筛板的基础上开发出来的更新换代产品。大家都知道,垂直筛板的工作原理是:下层塔板上升的气体经塔板板孔上升,塔板上的液体靠自身的静压从帽罩底隙进入罩内,被上升的气体提拉、破碎、混合向罩顶撞击实现第一次传递过程;当气液混合物打到罩顶后折返,将气液接触面更新,在罩内完成了第二次传质过程;然后,气液混合物经罩侧面的小孔喷出,液体被分散成大量直径不等的液滴,形成大量再次被更新的表面,在塔板上进行第三次传质。气流每经过一层塔板,就要进行三次强烈的传质过程。因此说它的板效率是比较高的。

    径向侧导喷射塔板是垂直筛板的更新换代产品,相对于垂直筛板,它除了具有垂直筛板的优点外,还具有以下特点:

2.1、由于帽罩为条形排布,塔板上液体流动通道变宽,流动阻力变小,这可使塔板上的液面梯度减小,从而使通过塔板板孔的气体分布趋于均匀。

2.2、由于帽罩的特殊结构,可使每层塔板的雾沫夹带减小,从而使塔板在通量增大时雾沫夹带不会超标。这就使径向侧导喷射塔板的生产强度变得更大。

2.3、由于帽罩上液体的喷射具有方向性,因此可以减少液体的返混,从而增大板效率。

2.4 帽罩上喷出的液体可以对喷,对喷的结果可以强化传质效率。

    由于径向侧导喷射塔板具有以上特点,因此它的板效率相对较高,通量也较其他塔板大。我们已经在很多塔内使用了这种塔板,特别是应用在化肥行业的变换气脱硫塔、饱和塔、甲醇精馏塔和焦化行业的脱苯塔、精苯工段的初馏塔、两苯塔、吹苯塔、纯苯塔、甲苯塔等塔器中,使用效果都很好。

3、精馏塔内件的选择

    对于甲醇精馏塔内件,目前国内主要的选择是:

3.1、采用板式塔:

    老式的精馏塔都采用板式塔板,从泡罩塔、浮阀塔开始,逐渐进步到目前采用的微分浮阀塔、垂直筛板塔和径向侧导喷射塔等。老式塔比如泡罩塔、浮阀塔等因板效率低,使得塔板层数多,一般的主塔要设85层塔板,这样使精馏塔塔高很高,从而使泵的电耗加大,能耗增大,设备投资也很大。从目前提倡的成本意识上讲是不可取的。

    新式塔如垂直筛板塔、径向侧导喷射塔等因为板效率高,因此塔板层数可大大的减少。对于垂直筛板塔,主塔塔板层数可减到70层甚至更低;因塔板的特殊构造,可缩短板间距,因此塔高大大降低,它的塔高可以和填料塔相似。这样,精馏工段的电耗就大幅度的降低了。

    另外,板式塔的一个最大的优点就是能很容易地处理侧线采出问题。因板式塔的每层塔板上都可以设采出点,在侧线采出区内,相邻的六块塔板上可连续设六个采出点,那么不论粗甲醇的成分如何变化,都能很容易的采出高品质的甲醇来。相对于填料塔,解决这个问题就比较难了。在这里我们必须明确,对于要求精甲醇达到美国AA标准的厂家来说,是须慎重考虑的一个关键问题。

    采用径向侧导喷射塔还有一个最大的优点,那就是业主可以省下很大一部分投资。相对于填料塔,径向侧导喷射塔内件的投资要比丝网波纹规整填料节省30%以上。而能耗可以和填料塔相当或略高。

3.2、采用填料塔:

    一般讲,大型的甲醇精馏装置大多采用填料塔,其目的可以降低塔高,从而达到节能。但是,填料塔在甲醇精馏的使用上也存在一定的不足:相对于板式塔,它的投资比较高;其侧线采出也不太好处理。因它的侧线采出点必须布置在分布器上。为了减少投资,它每层填料的高度都不可能布置得太低,不然就会增加塔填料的层数,相对增加了分布器的个数,从而增加投资。但是在侧线采出的区域,我们还必须增加采出点,以应对不同粗甲醇组成的需要。这就是一个矛盾。

    从设计者角度出发,对于使用填料塔的甲醇精馏,一般的设计思路是尽量减少侧线采出点,但这要求准确地计算出采出点的位置,实际上这是不太容易做到的。在甲醇生产的前期和后期,因粗甲醇的组成不相同,当粗甲醇成分变化时(这种变化是必然会发生的),或业主要求乙醇含量较低时,填料塔的设计就很难,它要求设计者的经验非常丰富。换句话说,对于填料塔,在设计上的要求是非常严格的。有些设计者采用填料塔,我们认为他的主要意图就是要为自己的设计负责,选择最节能的设计方案。但是,采用我们的径向侧导喷射塔也可以同样达到他的设计意图,而且计算上还有更大的裕度。既可做出节能设计,又可为业主节省大量的投资,这样做不是更好吗!

4、建滔(河北)化工有限公司的选择

    我们对建滔公司甲醇精馏系统是这样考虑和选择的。

4.1、选择三塔精馏:

    由于建滔公司的产量较大,能耗要求较低,为了给业主节约能源,我们选择了三塔精馏方案。当然,由于业主是香港的公司,生产管理比较严格,仪表的配置也比较先进(他们的控制仪表选用DCS系统)。正是由于他们的硬件和软件条件都不错,因此选用三塔精馏就很容易成功。

4.2、选择我们的径向侧导喷射塔板,使用美国的PRO-Ⅱ化工工艺模拟计算软件对各塔的工作状态进行了详细的模拟计算后,最后确定各塔规格如下:

    预塔:     φ1200      塔板层数45层

    加压塔:   φ1600      塔板层数70层

    常压塔:   φ1800      塔板层数70层

5、建滔公司目前的生产情况

    建滔公司到目前班产已达到100吨的水平,而且在逐月增长。由于建滔公司的流量计不太准,按总流量和各分流量两组流量计的流量值综合分析,目前建滔公司甲醇精馏的吨醇蒸汽耗应该在1100Kg左右,这就是说,使用径向侧导喷射塔板在三塔甲醇精馏上可以达到比较低的能耗水平。在甲醇精馏上使用径向侧导喷射塔板是成功的。

    建滔公司目前各塔使用的回流比都比较小,按原设计,预塔回流比为0.5,加压塔为2.0,常压塔为2.5。但是他们实际控制的要比这个数值低.。在这样的操作条件下,他们的甲醇质量仍可达国标优级品。由于客户在乙醇含量上没增加特殊要求,因此他们就可以在比较节能的条件下生产。如果客户要求达到美国AA标准,那么操作条件就要变化。当然,如果这样操作,回流比和采出点都要变化,操作方法也就变化了。

    建滔公司目前加压塔和常压塔的采出比是1:1,但是按文章 的观点,该比例应当在0.47:0.53时最节能。因此建滔公司还是有办法进一步节能的。

6、讨论

6.1、建滔公司设计的控制系统虽然很先进,采用了DCS系统,但是在控制器的设置中,少加了三个计算机显示及调节仪表,即预塔、加压塔和常压塔的回流比的自动调节。目前在计算机上能看到的只是一个回流量,而一般我们控制的是回流比,因此当系统处理量发生变化时;或者我们主观上虽然没有加减量,但是由于设备原因,系统也在加减量时,我们只能手调回流量来维持设定的回流比。这个操作是经常发生的,因此对于总控室的操作人员来讲,这是一个很繁重但是必须做到的工作。如果回流比不能经常保持在我们的设定值,那么精馏塔的状态就不可能稳定。因此在今后的设计中,我们必须注意加装回流比的自动调节设备。

6.2、流量计选择的不好,因此流量不准。这也大大影响了操作的稳定性,因此今后在精馏系统的设计和仪表选型时,必须加以注意。

6.3、在生产过程中,他们曾把产量提到班产140吨的水平。结果发现,在高负荷的操作条件下,产品质量更容易控制,操作反而趋于简单。这也说明了径向侧导喷射塔板的操作弹性是很大的,而且负荷越高越容易操作。

6.4、建滔公司的产量是逐月递增的。这除了客观上的原因外,操作工的逐渐熟悉自己的操作要点并总结出经验也是十分重要的。这也从另一方面说明了三塔精馏操作的复杂性。

6.5、建滔公司目前粗甲醇含石蜡比较多,造成过滤器堵塞等弊病。我们认为主要原因是甲醇触媒选择的不合适,或者是合成工艺不当引起的。在这样的条件下,若选用丝网规整填料用做精馏塔内件,那么就会很容易堵住网眼,造成传质效率下降。但如果选用板式塔,这个问题就不存在了。

6.6、从建滔公司的经验可以看出,在甲醇精馏塔内使用径向侧导喷射塔板效果是很好的,并可以在大型装置上推广。

  

[参考资料]

[1] 冯元琪·甲醇·北京·化学工业出版社·2000年

[2] 林长青·张振欧·甲醇三塔精馏工艺中加压塔与常压塔工作状态的优化·化肥工业 ·2005年第6期

 

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