李云輝，王 海，李治水*，沈桂明，石蘭英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

T08204塔的模擬研究與優(yōu)化改造

李云輝，王 海，李治水*，沈桂明，石蘭英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

丁辛醇產(chǎn)品作為重要的基礎(chǔ)原料，在化工、涂料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應用。以天津渤化永利化工股份有限公司#1丁辛醇裝置中T08204塔處理能力與分離效率的優(yōu)化為研究目標，采用Aspen及KG-TOWER軟件對T08204塔進行了流程模擬及水力學計算，并依據(jù)計算結(jié)果對塔內(nèi)件進行了優(yōu)化改造。結(jié)果表明，T08204塔的進料負荷由12 500,kg·h-1提升至13 700,kg·h-1；異丁醇與正丁醇的產(chǎn)品質(zhì)量也達到了國際先進水平。

T08204塔 流程模擬 KG-Tower 塔板效率 液相返混

丁辛醇產(chǎn)品作為重要的基礎(chǔ)原料，在化工、涂料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應用；[1]此外，正丁醇還有望替代汽油，為汽車提供動力能源。[2-3]近年來，隨著石油化工、煤化工、精細化工及生物化工的迅猛發(fā)展，丁辛醇產(chǎn)業(yè)也得到了快速擴張。隨著國內(nèi)丁辛醇產(chǎn)能的高速增長，市場競爭激烈化程度也日益加劇。[4-5]丁辛醇產(chǎn)品的利潤空間大幅縮水，眾多丁辛醇生產(chǎn)企業(yè)為了搶占市場，維護自身效益，在力爭降低成本的同時，也越來越注重提升丁辛醇產(chǎn)品的質(zhì)量。

年產(chǎn)22.5 萬t的#1丁辛醇項目作為天津渤化永利化工股份有限公司的支柱產(chǎn)業(yè)，是天津市第10批20項重大工業(yè)項目。該項目引進Davy公司的低壓羰基合成技術(shù)，以丙烯、合成氣等為原料，通過反應和精餾等單元操作生產(chǎn)丁辛醇。T08204塔是該套丁辛醇裝置中分離異丁醇與正丁醇的關(guān)鍵設(shè)備，對異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要的影響。本文以#1丁辛醇裝置中T08204塔為研究目標，采用Aspen及KG-TOWER軟件對T08204塔的工藝流程及水力學參數(shù)進行了模擬計算，并根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有塔內(nèi)件參數(shù)，對當前的T08204塔的塔內(nèi)件進行優(yōu)化改造，顯著提高了公司異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 丁醇單元工藝流程

Davy公司的丁辛醇工藝流程由羰基合成單元、丁醇單元和辛醇單元3個系統(tǒng)組成。在丁醇單元中，來自羰基合成單元的混合丁醛經(jīng)氣相加氫、精餾分離后，最終在T08204塔的塔頂與塔釜分別得到異丁醇與正丁醇產(chǎn)品。

因此，在丁辛醇工藝流程中，T08204的處理能力和分離效率直接決定了丁辛醇裝置中異丁醇與正丁醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，其設(shè)計操作對整個丁辛醇裝置的穩(wěn)定運行也有著至關(guān)重要的作用。

2 現(xiàn)存問題分析及模擬計算

2.1 進料負荷問題分析

#1丁辛醇裝置中的T08204塔為導向浮閥板式塔，塔徑2,400,mm，裝配有145層塔板，進料位置為第58層板(從上往下數(shù))，當前進料負荷為12,500,kg·h-1，回流比為12.0時，塔頂異丁醇產(chǎn)品純度可以達到99.5%,，塔底正丁醇產(chǎn)品純度為99.7%,；進一步提高進料負荷，則產(chǎn)品質(zhì)量迅速下降。

對于板式塔而言，影響其操作狀況和分離效果的主要因素為物料性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及氣液負荷。由于T08204塔的分離物系和塔板類型已確定，其操作狀況和分離效果便只與氣液負荷有關(guān)。要維持塔板正常操作和塔板效率的基本穩(wěn)定，必須將塔內(nèi)的氣液負荷限制在塔板的負荷性能范圍內(nèi)。因此，我們研究了當進料負荷達到12,500,kg·h-1時，T08204塔的氣液負荷是否在塔板的適宜操作范圍內(nèi)。圖1為優(yōu)化改造前T08204塔精餾段和提餾段兩側(cè)降液層的塔板負荷性能圖。

根據(jù)計算，當進料負荷達到12,500,kg·h-1時，T08204塔精餾段的氣相流量(Vs)為13,699.39,m3·h-1，液相流量(Ls)為58.19,m3·h-1；提餾段的氣相流量為12,158.42,m3·h-1，液相流量為78.74,m3·h-1。

圖1中坐標點Pr與Ps分別代表進料負荷達到12,500,kg·h-1時，精餾段(見圖1a)和提餾段(見圖1b)兩側(cè)降液層的操作點。由此可知，根據(jù)T08204塔的原有設(shè)計參數(shù)，當進料負荷達到12,500,kg·h-1時，T08204塔提餾段和精餾段兩側(cè)降液層的氣液負荷在塔板的適宜操作范圍內(nèi)，操作點遠離霧沫夾帶線和漏液線。

此外，計算發(fā)現(xiàn)，根據(jù)T08204塔的原有設(shè)計參數(shù)，當進料負荷達到12,500,kg·h-1時，T08204塔提餾段和精餾段中間降液層的氣液負荷也在塔板的適宜操作范圍內(nèi)(負荷性能圖省略)，塔內(nèi)不會發(fā)生嚴重的霧沫夾帶和漏液現(xiàn)象。

2.2 T08204塔進料位置的核算

進料位置對于精餾塔的操作運行具有重要影響，適宜的進料位置可以保證在相同的塔板數(shù)與回流比下，達到最佳的分離效果；同時還有利于降低精餾塔能耗。由于T08204塔進料組成恒定，且已規(guī)定產(chǎn)品質(zhì)量，因此根據(jù)T08204塔實際塔板數(shù)，利用Aspen Plus模擬考察了塔頂異丁醇產(chǎn)品質(zhì)量、塔底正丁醇產(chǎn)品質(zhì)量與進料位置的關(guān)系規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 T08204塔產(chǎn)品質(zhì)量與進料位置的關(guān)系規(guī)律Fig.2 Variation of product purity as a function of feed-stage

由圖2可以看出，當進料口位于第56～65層塔板(由上往下數(shù))時，塔頂異丁醇產(chǎn)品和塔釜正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量百分濃度均在99.80%,以上。因此，在實際運行中選擇在第58層塔板進料是穩(wěn)定可靠的，能夠保證異丁醇和正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.3 T08204塔塔板效率的核算

在模擬過程中，根據(jù)優(yōu)化改造前的T08204塔的運行參數(shù)設(shè)置了進料條件、操作壓力、回流比等，同時設(shè)定了51%,的塔板效率，計算結(jié)果如表1所示。

表1的計算結(jié)果表明，各物流的模擬結(jié)果與優(yōu)化改造前的運行數(shù)據(jù)基本一致，由此可知，優(yōu)化改造前的塔板效率為51%,。因此，需要通過對塔內(nèi)件優(yōu)化改造來提高塔板效率，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 優(yōu)化改造前T08204塔的流程模擬Tab.1 Simulation results of the T08204 column before optimization

2.4 受液盤自支梁設(shè)計分析

T08204塔的塔內(nèi)件設(shè)計如圖3a所示，板間距為305,mm，中間受液盤自支梁高度(Hb1)為84,mm，中間出口堰高(Hw1)為40,mm；兩側(cè)受液盤自支梁高度(Hb2)為79,mm，兩側(cè)出口堰高(Hw2)為30,mm；因此在接近塔盤的中間出口堰處，塔盤上可供液體流動的空間高度(Ho1)只有181,mm；在接近塔盤的兩側(cè)出口堰處，塔盤上可供液體流動的空間高度(Ho2)只有196,mm。另外，由于塔盤上液體流動方向與受液盤自支梁垂直，在塔盤的出口堰附近，氣液傳質(zhì)的鼓泡層高度最高，受液盤自支梁會阻礙霧沫層，并妨礙液體進入降液管，將部分液體反彈回上層塔板，導致液相返混，從而影響塔板效率。同時，液相返混還會增加塔板的處理負荷，影響整個T08204塔的處理能力。

2.5 中間出口堰設(shè)計分析

T08204塔的中間出口堰設(shè)計如圖4所示，其長度為2,300,mm，但其僅靠兩端的螺栓固定在聯(lián)接板上，溢流堰折邊沒有固定在降液板自支梁上，進料負荷增大時，容易導致出口堰變形。

圖3 T08204塔優(yōu)化改造前的塔內(nèi)件布置示意圖Fig.3 The internals of T08204 column before optimization

圖4 中間出口堰示意圖Fig.4 Schematic of intermediate outlet weir

當中間出口堰的中心區(qū)域嚴重向降液管方向傾斜后，會導致液體向塔板中心區(qū)域匯集，而靠近塔板邊緣區(qū)的液層厚度變薄；從而加劇了塔板上各處氣液傳質(zhì)不均的現(xiàn)象，影響氣-液傳質(zhì)效率，導致T08204塔的塔板效率下降。[6]

2.6 塔板生產(chǎn)安裝質(zhì)量分析

此外，浮閥塔塔板的加工安裝是一個極為嚴肅的工作程序，需要嚴格、精心地控制工程質(zhì)量，這對浮閥塔的分離能力至關(guān)重要。當塔板出現(xiàn)生產(chǎn)或安裝質(zhì)量問題時，浮閥塔的塔板效率和處理能力就會受到影響，嚴重時可能會導致浮閥塔操作失效。[7]因此，也不排除T08204的塔板在加工安裝環(huán)節(jié)存在問題，導致塔板效率及處理能力不足。

2.7 問題分析小結(jié)

綜合上述分析可知，優(yōu)化改造前的T08204塔塔內(nèi)不存在嚴重的漏液或霧沫夾帶現(xiàn)象，原塔板效率不高主要可能受兩方面因素影響：①受液盤自支梁和中間出口堰設(shè)計；②塔盤生產(chǎn)安裝質(zhì)量。

3 T08204塔的優(yōu)化改造

3.1 T08204塔的優(yōu)化改造目標

在國內(nèi)丁辛醇市場中，以齊魯石化公司為例，其產(chǎn)品質(zhì)量標準為：正丁醇主含量≥99.8%,；異丁醇主含量≥99.7%,。在國際市場方面，日韓等國家要求正丁醇產(chǎn)品主含量控制在99.8%,以上，其中主控雜質(zhì)異丁醇含量嚴格控制在0.1%,以下；異丁醇產(chǎn)品主含量≥99.8%,。

因此，為精確制定T08204塔的優(yōu)化改造目標，結(jié)合優(yōu)化改造前T08204塔的運行參數(shù)，采用Aspen模擬軟件對進料負荷為13,676,kg·h-1時優(yōu)化改造后的T08204塔進行了流程模擬(設(shè)定板效率為68%,)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化改造后T08204塔的流程模擬Tab.2 Simulation results of the T08204 column after optimization

結(jié)合表2模擬結(jié)果可知，當T08204塔板效率達到68%,，進料負荷達到13,676,kg·h-1，回流比為12，回流溫度為108,℃時，T08204塔塔頂異丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量純度與塔釜正丁醇產(chǎn)品的質(zhì)量純度均大于99.80%,，且塔釜正丁醇產(chǎn)品中主控雜質(zhì)異丁醇含量約為0.05%,。

3.2 優(yōu)化改造后T08204塔的水力學計算

為減少施工周期，節(jié)約施工費用，避免施工風險，根據(jù)去年對T18204塔的優(yōu)化改造經(jīng)驗，本次優(yōu)化改造對T08204塔內(nèi)的支撐圈、降液板等塔內(nèi)件均不做調(diào)整，僅對塔板、溢流堰、塔板自支梁、受液盤自支梁等進行優(yōu)化改造。為了驗證優(yōu)化改造后的T08204塔能否達到60%,～110%,的操作彈性，采用KG-TOWER(V5.2)軟件對利用TRITON?塔板優(yōu)化改造后的T08204塔進行了水力學計算，塔內(nèi)物料體系的發(fā)泡因子取1，其結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，即使在110%,進料負荷(15,044,kg·h-1)條件下，精餾段塔板液泛率為69%～71%，降液管液泛率為35%,；提餾段塔板液泛率為73%～76%，降液管液泛率為47%；均低于液泛率上限值80%的設(shè)計要求，能保證T08204塔的穩(wěn)定運行。

表3 T08204塔的水力學計算結(jié)果Tab.3Hydraulic results of the T08204 column calculated by KG-TOWER

4 T08204的優(yōu)化改造

4.1 對受液盤自支梁的改造

由于T08204塔受液盤自支梁原設(shè)計高度偏大，會導致塔盤上液相返混，增加塔盤的處理負荷，影響整個T08204塔的分離效率和處理能力。因此，針對該問題，在節(jié)約改造費用的基礎(chǔ)上，我們制定了不更換原自支梁，通過在自支梁上開孔來抑制自支梁過高引起的液相返混現(xiàn)象，開孔示意如圖5所示。

受液盤自支梁上的開孔位置沿自支梁水平中心線向縱向擴展；為了避免應力集中，開孔形狀設(shè)計為橢圓孔；兩側(cè)受液盤自支梁上的開孔大小為35,mm× 100,mm，中間受液盤自支梁上的開孔大小為40,mm×100,mm。

4.2 對溢流堰和受液盤的改造

針對中間溢流堰的變形問題，經(jīng)過研究所與丁辛醇分廠技術(shù)人員研究討論決定：在優(yōu)化改造期間對其進行檢測修正；利用卡子將出口堰的折邊固定在降液板自支梁上；另外，為了抑制塔板上液層厚度不均的現(xiàn)象，在兩側(cè)受液盤上點焊導流板，以保證塔板上液體的均勻分布。

4.3 對塔板的改造

為了確保T08204塔的優(yōu)化改造目標，在塔板上的液體入口處設(shè)置了鼓泡促進器，一方面防止液體入口處壓力過大導致漏液現(xiàn)象的發(fā)生；另一方面保證了塔板上氣液傳質(zhì)的均勻分配。為了保證該塔的分離效率，采用了北京澤華化學工程有限公司的微型浮閥塔板對原條形浮閥塔板進行更換，提高單層塔盤的浮閥個數(shù)，增加氣液傳質(zhì)面積。

4.4 優(yōu)化改造的運行效果

重新開車后，T08204塔的處理能力提升了約10%,；異丁醇與正丁醇產(chǎn)品質(zhì)量純度均達到99.80%,以上，正丁醇產(chǎn)品中主控雜質(zhì)異丁醇含量在0.04%,以下；同時，T08204塔每年可節(jié)約蒸汽0.9萬 t以上。

圖5 T08204塔受液盤自支梁優(yōu)化改造示意圖Fig.5 Optimization of the minor beam of seal pan in T08204 column

5 結(jié) 論

本文首先采用Aspen及KG-TOWER等軟件對T08204塔進行了流程模擬、水力學計算研究，為T08204塔的優(yōu)化改造提供了有力的理論支持。然后根據(jù)計算結(jié)果對塔板進行了優(yōu)化改造，并采用鼓泡器、導流板等對塔內(nèi)件進行優(yōu)化調(diào)整，大幅提高了T08204塔的塔板效率和處理能力，減小了回流比，節(jié)約了蒸汽消耗，降低了生產(chǎn)成本。本研究為小板間距精餾塔的設(shè)計及優(yōu)化提供了重要的工程依據(jù)和理論支撐?！?/p>

［1］ 李云輝，李治水，聶增來，等. 丁醛異構(gòu)物塔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究[J]. 天津科技，2015，42(11)：29-31.

［2］ Jin C，Yao M，Liu H，et al. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011(15)：4080-4106.

［3］ 張霞，李紅偉，馬曉建. 汽爆玉米秸稈發(fā)酵丁醇的酶解工藝優(yōu)化[J]. 高?；瘜W工程學報，2014(28)：934-938.

［4］ 杜小元，楊世東. 丁辛醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀與供需分析[J].現(xiàn)代化工，2014(4)：4-8.

［5］ 瞿亮，胡勇. 丁辛醇的出路[J]. 中國石油石化，2015(1)：56-59.

［6］ Kister H Z. Distillation Operation [M]. New York：McGraw-Hill，Inc.，1990.

［7］ 蘭州石油機械研究所. 現(xiàn)代塔器技術(shù)[M]. 北京：中國石化出版社，2005.

Research on Simulation and Optimization of T08204 Column

LI Yunhui，WANG Hai，LI Zhishui*，SHEN Guiming，SHI Lanying
(Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China)

This study aims to improve the feed loading and tray efficiency of T08204 column in #1 butyl octanol unit of Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd．process simulation and hydraulics calculation were investigated by using Aspen and KG-TOWER respectively．Then，the internals of T08204 column were optimized according to the calculated results．In consequence，the feed loading of T08204 was increased from 12,500,kg·h-1to 13,700,kg·h-1，and the quality of isobutanol and n-butanol has reached the international advanced level.

T08204 column；process simulation；KG-Tower；tray efficiency；liquid back-mixing

TQ062+.2

：A

：1006-8945(2016)10-0081-05

*通訊作者

2016-09-01