石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (3): 51-55
全逆流无返混喷射塔板技术在C4萃取中的应用
洪伟 , 祝秀 , 刘海彬     
天津市创举科技有限公司
收稿日期：2016-12-09
作者简介：洪伟(1977-)，男，高级工程师，2004年毕业于河北工业大学化工学院，硕士，主要从事化工分离塔器装置的研发和设计工作。E-mail：40955043@qq.com.
摘要：由于石油炼制和石化生产过程中产生的副产物C4烃类的产量逐年增加，据推算，国内炼厂C4总量每年超过600×104 t，因此, 研究C4组分的分离及深加工利用开发对国内乙烯工业及相关工业的发展具有重要的战略意义和现实作用。目前，在C4分离及深加工的萃取精馏中存在塔板阻力降大、处理能力达不到满负荷、分离指标不合格、能耗高等问题。介绍了浙江宁波昊德化学工业股份有限公司C4萃取及汽提塔改造前的情况及存在的问题。对此，将原DJ浮阀塔板全部更换为全逆流塔板，改造后装置负荷由约80%提高到130%，蒸汽消耗节省35%，各项指标均良好，未出现拦液等现象，装置目前运行平稳。
关键词：全逆流塔板    C4萃取    发泡物系    扩产改造    蒸汽消耗    节能    
Application of complete countercurrent tray in C4 extraction
Hong Wei , Zhu Xiu , Liu Haibin     
Tianjin Chuangju Technology Co., Ltd., Tianjin, China
Abstract: As a by-product of oil refining and petrochemical production process, C4 hydrocarbon productions increase year by year. It is estimated that the total annual C4 hydrocarbon productions of refineries in China are more than 6 million tons, therefore the research of C4 component separation and utilization of deep processing has important strategic significance and practical effect on the development of China's ethylene industry and related industries. At present, there are some difficulties on the extractive distillation of C4 hydrocarbon separation and deep processing such as tray pressure drop larger, processing capacity not up to the full load, separation index of unqualified, high energy consumption. In this paper, the problems of C4 hydrocarbon extraction towers and stripping towers before the renovation in Ningbo Haode Chemical Corporation are introduced. In view of the existing problems, the original DJ valve trays are replaced by the complete countercurrent trays. After the reconstruction, the processing capacity increases from about 80% loading to 130% loading, the steam consumption is saved by 35%, all indicators of productions are better, the phenomenon of liquid blocking device don't appear, and all devices are running smoothly.
Key Words: complete countercurrent tray    C4 extraction    foaming system    production expansion and reformation    steam consumption    energy saving    

目前，在板式塔研究开发领域中仍长期存在阻力偏高、液面梯度导致的气体分布不均、液体流动和传质过程中存在返混、处理易发泡物系工况下设备无法长期稳定运行等问题，且在以往长期研究过程中基本上没有突破性进展，导致塔板效率和塔板适用范围无法在工业应用实践中得到大幅度提高，同时也成为板式塔技术创新的焦点问题。

拦液又称为带液或液泛，在气液接触过程中产生大量气泡，这些气泡的稳定存在使得气液混合物体积成倍增加，液体流动严重受阻，导致塔板和降液系统液体大量累积，塔压降大幅提高，雾沫夹带严重[1]。

针对塔板研究开发领域中存在的这些问题，天津创举公司研究开发了全逆流无返混喷射塔板(简称全逆流PFST塔板)[2]，以全逆流和持液降泡两个新概念为指导思想，从理论计算到化工过程模拟计算，从实验数据的测量到塔板结构的优化，针对不同的问题提出了不同的结构改进。例如：①塔板上存在液面梯度和液相返混等问题采用分隔流板(即导液槽)结构；②雾沫夹带和阻力问题采用立体喷射全逆流传质单元；③处理易发泡物系采用多个长窄条形大体积的降液槽，每个降液槽底部设有多个降液管。塔板结构形式如图 1所示。

图 1     全逆流PFST塔板示意图 Figure 1     Schematic diagram of complete countercurrent PFST tower tray

1 全逆流无返混喷射塔板结构的论证

传统的塔板均为鼓泡态传质塔板，如F1浮阀或其衍生型式。这类塔板不能很好地解决大液量、易发泡、难分离物系的传质分离问题，原因在于：①现有塔板气液错流接触，液相在塔中径向流动过程中，存在浓度梯度，传质推动力降低，板效率下降；②大液量导致板上液面梯度增大，气体分布不均状况加剧；③易发泡物系，鼓泡态传质，无消泡能力，极易造成液泛；④现有塔板在塔壁附近存在滞流、偏流及环流，形成传质“死区”，板效率下降。而全逆流PFST塔板是一种大液量多降液喷射塔板。该塔板降液系统采用多降液槽淋降的降液方式，气相采用喷射型传质单元，能够很好地解决大液气比造成的传质效率下降、发泡等问题。其特征如下：

1.1 多降液

(1) 塔板上的液体流动路程越长，传质推动力损失越大。多降液使塔板上各点的液相都处在一个初始浓度下(上层塔板下来的液体)，与气相的接触都处在一个较高的传质推动力下。

(2) 减小液面梯度，使气体分布均匀。

(3) 在大液气比操作状况下，多降液能有效控制塔板上液层厚度，使其在合理的范围内。

1.2 喷射型传质效率高

(1) 喷射型塔板的气液接触表面积大，因为液相被气体提升喷射形成了大量的液滴，分散态的液滴为气液接触提供了很大的表面积，这是与鼓泡态相比传质效率高的主要原因。

(2) 喷射型液相为分散相，液体被分散成为液滴，使得液相内的分子传递路程与连续相的鼓泡态相比大为缩短，从而提升了传递速度。

1.3 消泡作用

喷射型塔板本身具有自消泡作用，特别适用于易发泡物系。气体携带液体并流进入帽罩，而不是像浮阀等塔板气体穿过板上液层，因而使塔板流动的液体基本上为不含气体的清液，故降液管液泛的可能性大幅降低。

1.4 无返混

通过导液槽将塔板上未接触液体(初始液)与接触后液体(尾端液)进行分隔，完全实现液相无返混，让汽液达到全逆流接触。该塔板还可做到横向上无液面梯度、浓度梯度以及温度梯度。

1.5 阻力降低

喷射型塔板气体并不穿过板上液层，只需克服被气体提升的那部分液体的重力，所以造成的压降更小，塔板压降在低负荷时与F1型浮阀相当，高负荷时比F1型浮阀低20%~30%，且负荷愈大，压降越低。

1.6 处理能力大

由于喷射型塔板帽罩的特殊结构, 气体离开帽罩呈水平或向下方向喷出，这拉大了气液分离空间和时间，使气体雾沫夹带的可能性大大降低, 这使塔板气体通道的板孔开孔率大幅提高，一般可达20%~30%。而在开孔率相同时，可允许操作气速比一般塔板高出1.5~2.0倍。

图 2和图 3分别为鼓泡态塔板和喷射型塔板的传质示意图和用高速相机拍摄的瞬间传质形态。从图 2和图 3可以看出，鼓泡态塔板气体进入塔板液层被分散气泡向上运动，液体随气泡做上下翻滚运动，这时气体为分散相，液体为连续相，而喷射型塔板(如全逆流PFST塔板)，气体通过板孔向上将液体提拉、破碎、向罩顶撞击、折流侧孔喷射，这时气体为连续相，液体为分散相。

图 2     鼓泡态塔板示意图 Figure 2     Schematic diagram of bubble tray

图 3     喷射型塔板示意图 Figure 3     Schematic diagram of spray tray

各种实验结果表明，与传统的浮阀塔板相比，全逆流PFST塔板具有传质效率高、雾沫夹带少、夹带返混低等特点。它实现了气液相在塔板的浓度均一，对气液相偏流具有很好的改善作用；降液区所占塔截面积很小，提高了塔截面的利用率，处理能力比传统的浮阀塔板提高至少20%以上；由于液体在塔板上的流动路程变短，液位会相应地降低，从而降低了液面梯度，避免了液相在塔板上的返混现象，同时还能降低发泡，拦液、液泛问题得到有效解决；它具有传质分离设备所要求的压降小的特点。几种塔板的优缺点对比见表 1。

表 1    几种塔板的优缺点对比 Table 1    Characteristic comparison of several trays

2 全逆流塔板的技术创新点
2.1 理论与技术创新

首次提出分隔流新概念并得以实现。分隔流即对塔板上液体(初始液体与传质完成液体)进行分隔，依靠分隔流板(即导液槽)的设置，将塔板上液相分隔，形成了未传质和完成传质两部分。实现了塔板无返混、无滞留、无偏流；同时保持每一个传质单元均在高推动力下进行传质，确保单体高效匀效与整体高效。这些特点是传统塔板不能做到的。

首次提出持液降泡概念。板式塔的降液管设计，尤其对于易发泡物系的分离，主要是从降液管的液泛考虑，以避免工业生产中出现液泛淹塔。对于发泡物系降液管的设计，从减少气相返混的角度出发，采用加大降液槽的体积并控制液体流速来延长液体的停留时间，以便让更多的气泡从液体中溢出破碎，减少液体对气泡的夹带，实现降低气相返混的目的。

2.2 结构创新

设置多个长窄条形降液槽、多个长窄条形受液槽均布在塔板上，每个降液槽底部设有多个降液管，降液管上开有导液孔，降液管通过降液口伸入到降液槽内。降液槽、受液槽设计为窄条状，所占塔截面积较小，特别适用于大液量的工况，与同等工况下的传统多降液管塔板及淋降塔板相比，液位低，压降小，消除了气液鼓泡传质机制；多个降液管的设计，实现液体分流，抗堵性强；通过调整降液槽的深度、降液管管径、降液管伸入降液槽的深度，可以自由调整塔板上液层的厚度，即可调节液体停留时间，降低发泡，提高气液分离效率；降液管上开的导液孔，是增加气液在降液管中的分离时间，增加降液管操作弹性，降低雾沫夹带。

导液槽的设置，将已传质和未传质的液体进行隔离，使发生气液传质的液体可以直接从导液槽通过降液槽流到下一层塔板，避免了与塔板上未发生气液接触的液体返混，使液体组分浓度与气体组分浓度之间形成最大差值，从而大幅提高了传质推动力和塔板效率。

传质单元采用立体喷射传质单元，发挥其气液喷射传质的高效率特性，重视气液接触时间和空间的提升，降低雾沫夹带，使之在整个塔板传质区的气液接触成为均布的、无错流的、喷射传质为主的过程，通过分流板将塔板上未接触液体(初始液)与接触后液体(尾端液)进行分隔, 完全实现液相无返混，让汽液达到全逆流接触。该塔板还可做到横向上无液面梯度、浓度梯度及温度梯度。同时消除偏流、滞流和液面梯度的影响，使塔板效率得到全面提升[2]。图 4为全逆流PFST塔板的立体喷射过程示意图。

图 4     全逆流PFST塔板立体喷射过程示意图 Figure 4     Schematic diagram of the three dimensional injection process of full countercurrent PFST tray

3 全逆流塔板技术在C4萃取中的应用案例
3.1 宁波昊德C4分离萃取精馏改造情况

宁波昊德化学工业股份有限公司(以下简称宁波昊德)4.7×104 t/a异丁烯装置由C4分离单元、丁烯异构单元、MTBE合成单元及MTBE裂解单元组成。其中，C4分离单元处理能力为12×104 t/a (不含醚后C4)，采用烟台大学工艺包，选用MEK和NFM作为萃取剂[3]，该物系的特点为液气比较大、易发泡且分离难度高。其核心设备为萃取精馏塔A、萃取精馏塔B和汽提塔，见图 5。

图 5     宁波昊德C4分离单元各塔 Figure 5     Towers of C4 separation unit

2014年该公司选用某大学的DJ塔板(一种固阀塔板)，并于2016年3月开车。运行中存在处理能力达不到满负荷的问题，仅为设计值的70%。经技术分析后发现，该问题的原因在于：液相通道面积小、塔板效率低、不能解决发泡问题。经与厂家技术负责人商讨后确定了解决方案：使用全逆流塔板进行改造，以提高塔的处理能力，直至设计值的130%。2016年4月对该系统进行了改造，于2016年6月开车并一次成功。改造前后指标对比见表 2。

表 2    宁波昊德C4分离萃取精馏改造前后指标对比 Table 2    Index contrast before and after transformation of C4 extraction distillation separation

目前，宁波昊德C4处理能力为21.6 t/h，经济效益分析如下：

(1) 实际处理能力达到了21.6 t/h，在只更换塔内件的情况下，处理能力由设计值的70%增加到设计值的130%，而且还有提升空间。

(2) 改造后设备的蒸汽耗量比原DJ塔板至少节省约35%，每天节省蒸汽188.8 t，每年可节省62 928 t，每吨蒸汽按180元计，则每年节省的蒸汽费用为1 132.7万元。

(3) 改造后系统每年节省萃取剂约165 t，每吨MEK按8 400元计，NFM按20 000元计，每年可节省234.3万元。

(4) 改造后检修周期延长，每年比原DJ塔板少检修3次，每次检修停工4天。每次的检修费用按10万元计，停产费用按8万元/天计，则每年因检修而为企业节省的费用为126万元。

从以上3项可以计算出:更换全逆流塔板后，每年可为企业创收1 367万元，而改造所需的内件费用及其他改造费用仅为200多万元，证明该项目几个月就可回收改造费用，经济效益显著。

3.2 洛阳宏达C4萃取精馏塔、汽提塔、溶剂再生塔

2013年9月，洛阳炼化宏达实业有限责任公司10×104 t/a C4裂解装置消缺项目，12×104 t/a烯烃提浓主装置正式开车。装置主体设备包括萃取精馏塔、汽提塔、溶剂再生塔，3台设备塔内件均由天津创举公司设计制造。其中，萃取精馏塔、汽提塔采用该公司的发明专利技术全逆流无返混塔板。该装置开车65 h后处理能力和产品指标即达到或优于设计值：异丁烷产品质量分数为98%(设计值≥96%)，烯烃产品质量分数为66%(设计值≥60%)，且装置运行平稳。萃取塔稳定运行时温度为118.8 ℃，设计温度约为132 ℃，汽提塔稳定操作时温度为165 ℃，设计温度为172.9 ℃，两塔的蒸汽耗量明显低于设计值，节能效果显著。该技术体现出生产建立平衡快、运行稳、溶剂用量少(仅为设计值的60%)以及能耗低等特点。

该项目萃取精馏塔和汽提塔两台设备的蒸汽耗量均比设计值节省20%，其每天共节省蒸汽48 t，每年节省的蒸汽费用为262.8万元；项目中异丁烷产品产量约7.2 ×104 t/a, 烯烃产品产量约2.4×104 t/a，质量分数为98%(w)的异丁烷产品每吨价格增加100元，质量分数为66%(w)的烯烃产品每吨价格增加300元，累计每年可为企业创收约1 700万元，经济效益显著。

4 结论

实践证明，全逆流PFST塔板应用于C4萃取精馏各塔内件的改造是成功且有效的：

(1) 全逆流PFST塔板非常适用于大塔径、液汽比大、易发泡难分离的物系，已成功应用在C4深加工萃取精馏上。这项技术的成功应用为国内外的大液气比、易发泡物系分离塔的设计提供了新的工程范例。

(2) 全逆流PFST塔板技术，在提高板式塔性能方面实现了质的突破，增大了处理能力、提高了操作指标、降低了蒸汽消耗，同时降低了萃取剂的损失，因此在投资、增收、节能、环保等方面效益显著。

(3) 推广前景广阔：全逆流PFST塔板技术在国内化肥、炼油、石化、焦化、生化、制药、化纤等行业相似工况的项目有很好的推广价值，是一项投资少、见效快的新技术。国内应用化工分离的塔器数量较大，该塔板技术具有广泛的适用性。随着该技术的完善和推广应用，必将给行业带来巨大的经济效益和社会效益。

参考文献
[1]
DIEGO B, CANDIDO D, AIDO P. Process for separation of butadiene by plural stage extractive distillation: US 4128457 A[P]. 1978-12-05.
[2]
王柱祥, 商恩霞, 张兵, 等. 一种分隔流无返混喷射塔板: 102961888 A[P]. 2013-03-13.
[3]
王文华, 任万忠. 用萃取精馏法分离C4烷烃与烯烃的研究进展[J]. 化工技术与开发, 1999(2): 20-23.
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