貢文政 陳迎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

新型塔內(nèi)件技術(shù)在 EO 精制塔中的應(yīng)用

貢文政 陳迎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

對(duì)環(huán)氧乙烷裝置EO精制塔應(yīng)用新型塔內(nèi)件技術(shù)的情況進(jìn)行了分析介紹，對(duì)同類型塔器的設(shè)計(jì)和技改具有一定的借鑒意義。

EO精制塔；塔內(nèi)件；應(yīng)用

環(huán)氧乙烷（EO）是乙烯工業(yè)衍生物中僅次于聚乙烯占第二位的重要有機(jī)化工產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)乙二醇（EG）。近年來(lái)，世界環(huán)氧乙烷生產(chǎn)主要呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：一是先進(jìn)的核心技術(shù)仍由少數(shù)公司控制；二是生產(chǎn)裝置逐漸趨于大型化，而且建設(shè)地點(diǎn)向乙烯原料源豐富、價(jià)格低廉的地區(qū)集中；三是環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)裝置擴(kuò)建仍然以與乙二醇配套為主[1,2]。

2013年世界環(huán)氧乙烷產(chǎn)能達(dá)28 000 kt/a，2008～2013年間產(chǎn)能年增5.8%，2018年世界環(huán)氧乙烷產(chǎn)能將達(dá)30 990 kt左右。國(guó)內(nèi)至2015年環(huán)氧乙烷的產(chǎn)能將達(dá)到5 070 kt。因此，如何盡快消化吸收環(huán)氧乙烷裝置核心技術(shù)，主要設(shè)備盡可能做到逐漸國(guó)產(chǎn)化，成為下一步工作的重心。本文就環(huán)氧乙烷裝置中的核心設(shè)備EO精制塔內(nèi)件技術(shù)的進(jìn)展做一介紹。

1 EO精制塔技術(shù)簡(jiǎn)介

EO精制塔是環(huán)氧乙烷裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，出反應(yīng)器的含環(huán)氧乙烷氣經(jīng)吸收、解吸后形成主要含環(huán)氧乙烷的水溶液進(jìn)入該塔底部，在塔內(nèi)經(jīng)過(guò)精餾脫水脫醛，從塔頂部側(cè)線采出純度達(dá)到99.999 %以上的環(huán)氧乙烷產(chǎn)品。典型的EO/EG裝置生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1[1]。

圖1 EO/EG裝置工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Process flow diagram of EO/EG plant

由于環(huán)氧乙烷的常壓沸點(diǎn)僅10.8 ℃左右，因此，EO精制塔通常采用低壓操作，以控制塔頂?shù)臏囟冉咏?0 ℃，以滿足循環(huán)水的冷卻條件；塔底為含EO約7 %的115 ℃釜液循環(huán)處理。環(huán)氧乙烷的性質(zhì)很不穩(wěn)定，易燃爆，受熱極易聚合，而且聚合物粘附在塔內(nèi)不易清理。

該塔在塔內(nèi)件的選擇上，以往主要是考慮通量和板效率，傳質(zhì)計(jì)算需要40塊理論塔盤，基本采用90塊左右的塔盤結(jié)構(gòu)的板式塔，塔盤的形式基本上采用浮閥或篩板塔盤[2，3]。近年來(lái)，在某些裝置的同型塔器改造及設(shè)計(jì)中考慮到能耗及操作彈性，也有采用規(guī)整填料結(jié)構(gòu)的?？紤]到環(huán)氧乙烷的特性，近年來(lái)逐漸采用無(wú)活動(dòng)部件的塔盤結(jié)構(gòu)，以減緩聚合物的堵塞問(wèn)題。

2 EO精制塔新型塔內(nèi)件技術(shù)介紹

2.1 UOP板式塔技術(shù)

某國(guó)內(nèi)大型EO/EG裝置均采用專利商推薦的UOP公司的專利技術(shù)SLOTTED TRAY，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種多降液管結(jié)構(gòu)的篩板塔盤，相鄰兩層塔盤的降液管垂直排布。該技術(shù)能夠在較高的液氣比條件下，降低塔盤的液流強(qiáng)度，維持較小的塔徑，從而保證在適宜的開(kāi)孔率下維持較高的塔盤效率。常規(guī)塔盤由于降液管根數(shù)較少，液流強(qiáng)度較大，板面上液層很厚；為了降低液流強(qiáng)度，增加堰長(zhǎng)就意味著要加大塔徑，使得塔盤上開(kāi)孔率非常低，不易保證較高的板效率。SLOTTED TRAY的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 UOP SLOTTED TRAY結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of UOP SLOTTED TRAY structure

2.2 SULZER板式塔技術(shù)

某EO/EG裝置中EO精制塔在一期工程設(shè)計(jì)時(shí)采用了瑞士SULZER公司的MVG固閥/BDH浮閥塔盤結(jié)構(gòu)，主體精餾傳質(zhì)段采用了單溢流MVG固閥結(jié)構(gòu)塔盤。MVG塔盤是SULZER常用的固閥塔盤之一，但是在國(guó)內(nèi)EO精制塔中應(yīng)用不多。該結(jié)構(gòu)塔盤屬于條形固閥塔盤，兼具篩板與浮閥塔盤的優(yōu)點(diǎn)，具有泡沫層較低、壓降低于浮閥塔盤、操作彈性高于篩孔塔盤的特點(diǎn)。沖壓成形的固閥塔盤板可以在較薄的板厚下保證較高的塔盤強(qiáng)度，并且抗堵塞能力優(yōu)于浮閥塔盤，這也是SULZER在EO精制塔上應(yīng)用該種塔盤的主要考慮因素之一。MVG塔盤的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖3 MVG塔盤結(jié)構(gòu)（左）及與常規(guī)篩板上升氣流方向（右）對(duì)比示意圖Fig.3 Contrast sketch of rising vapor direction for MVG tray structure（left）and normal sieve tray（right）

2.3 SHELL板式塔技術(shù)

SHELL（殼牌）公司最新HI-FI塔盤也是一種近年來(lái)應(yīng)用于EO精制塔中的專有技術(shù)塔盤。該塔盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與UOP公司的SLOTTED TRAY塔盤具有異曲同工的效果，該技術(shù)也是一種多降液管結(jié)構(gòu)的篩板塔盤，所異于UOP塔盤之處在于其每層塔盤上的多降液管是由數(shù)組矩形結(jié)構(gòu)的降液槽組成，槽內(nèi)視液流強(qiáng)度的不同安裝數(shù)個(gè)防沖導(dǎo)流板，相鄰兩層塔盤的降液管交錯(cuò)排布。該技術(shù)也可以在較高的液氣比條件下，降低塔盤的液流強(qiáng)度，維持較小的塔徑，從而保證在適宜的開(kāi)孔率下維持較高的塔盤效率。HI-FI塔盤的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

圖4 HI-FI塔盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of HI-FI tray structure

2.4 國(guó)內(nèi)板式塔技術(shù)

2.4.1 國(guó)內(nèi)板式塔技術(shù)一

國(guó)內(nèi)某大型EO/EG裝置在EO精制塔中采用了新型導(dǎo)向固閥/浮閥塔盤結(jié)構(gòu)，該新型固閥/浮閥塔盤是在常規(guī)固閥塔盤的基礎(chǔ)上，根據(jù)塔盤上液流強(qiáng)度的不同，將條形固閥改為帶有導(dǎo)向功能的梯形固閥結(jié)構(gòu)。該塔盤除具有與常規(guī)固閥塔盤相近的優(yōu)點(diǎn)外，增加的導(dǎo)向功能有利于降低塔盤上的液面落差，穩(wěn)定液面梯度，在一定程度上提高了塔盤的傳質(zhì)效率。新型固閥塔盤的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5。

2.4.2 國(guó)內(nèi)板式塔技術(shù)二

國(guó)內(nèi)某EO/EG裝置在EO精制塔塔盤98層，在擴(kuò)能處理中處理能力增加80 %，采用規(guī)整填料、常規(guī)浮閥或篩板塔盤均不能在維持塔徑不變的情況下滿足改造后的生產(chǎn)能力。經(jīng)過(guò)技術(shù)評(píng)價(jià)采用了新型NewVST垂直篩板塔盤結(jié)構(gòu)[2，3]，該塔盤借助氣相在罩體內(nèi)上升的動(dòng)能，把進(jìn)入罩體與塔盤板面之間縫隙的液相在罩內(nèi)湍動(dòng)混合并破碎成液滴，水平噴出罩外，從而實(shí)現(xiàn)立體傳質(zhì)效果。

與之類似的NS型復(fù)合立體傳質(zhì)塔盤，或稱并流噴射型復(fù)合塔盤，吸取了NewVST垂直篩板塔盤立體結(jié)構(gòu)，采用并流噴射與規(guī)整填料捕沫傳質(zhì)有機(jī)結(jié)合，在混相流體噴射出罩體后進(jìn)入罩外設(shè)置的規(guī)整填料內(nèi)，霧沫夾帶大幅度減少，同時(shí)又提供了新的傳質(zhì)面積，增加了額外的傳質(zhì)效率。采用長(zhǎng)條型斜下向開(kāi)孔，使得塔盤開(kāi)孔率可達(dá)50 %左右，同時(shí)由于氣體不再由塔盤上的液層通過(guò)，塔盤壓降較低，上述結(jié)構(gòu)使得塔盤的氣相通量達(dá)到常規(guī)浮閥塔盤的2～3倍以上。NewVST與NS型復(fù)合立體傳質(zhì)塔盤結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6。

2.5 規(guī)整填料塔技術(shù)

EO精制塔采用規(guī)整填料結(jié)構(gòu)具有通量大、壓降低、傳質(zhì)效率與板式塔相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)主要采用比表面積250 m2/m3的MELLAPAK型規(guī)整填料，配以分布性能良好的重力型液體分布器，可以達(dá)到2～3塊/m理論板的效率。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在大中型EO/EG裝置EO精制塔中均有采用，效果良好。但是與板式塔結(jié)構(gòu)相比較，一次投資較高；同時(shí)由于填料塔的物料停留時(shí)間遠(yuǎn)低于板式塔，抗波動(dòng)能力略遜于板式塔結(jié)構(gòu)。規(guī)整填料性能特點(diǎn)國(guó)內(nèi)外此類論著頗多，本文不多贅述。

圖5 新型梯形固閥塔盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of new ladder type fixed valve tray

圖6 NewVST塔盤結(jié)構(gòu)（上）與NS型并流噴射復(fù)合塔盤結(jié)構(gòu)（下）示意圖Fig.6 Sketch of NewVST tray structure（up）and NS type parallel flow & injection compound tray structure（down）

3 工程應(yīng)用中的探討

隨著對(duì)EO產(chǎn)量的要求越來(lái)越高，在原廠生產(chǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有EO精制塔的改造以提高產(chǎn)能。一般板式塔結(jié)構(gòu)的EO精制塔的操作彈性在70 %～110 %。由于EO/EG經(jīng)濟(jì)效益較好，對(duì)EO的擴(kuò)能改造一般都選在催化劑換劑或者停車大修的階段進(jìn)行施工，該階段僅15～20 d，施工時(shí)間短，難度大，必須做好前期準(zhǔn)備工作，安排良好的施工計(jì)劃。

EO裝置擴(kuò)能改造視不同的裝置情況采用不同的改造方案綜合考慮，一般采用并聯(lián)一臺(tái)相同的EO精制塔或更換高效的塔板或高效填料的改造方案。同時(shí)，投資和占地也是必須考慮的因素，某裝置擴(kuò)能70 kt/a EO，采用并聯(lián)EO精制塔方案，塔及塔內(nèi)件的投資約800萬(wàn)元。某裝置擴(kuò)能100 kt/a EO，采用更換高效塔內(nèi)件，包括塔體改造和塔內(nèi)件費(fèi)用投資僅400萬(wàn)元。兩種改造方案的對(duì)比見(jiàn)表1。

綜上所述，采用更換高效塔板改造方案會(huì)存在一些問(wèn)題，一般切割的原塔板支撐圈不能切割到與塔體完全一致，會(huì)留死角產(chǎn)生有EO死區(qū)；若更換高效規(guī)整填料，需切割多余支撐圈并新增承重支撐圈，新增的塔板或填料支撐圈需要支撐的重量較大。EO精制塔一般采用碳鋼基層復(fù)合不銹鋼，新增塔板支撐圈需焊接到塔體基層上，焊接時(shí)需破壞復(fù)合層，為避免EO直接與碳鋼接觸需修復(fù)內(nèi)層，修復(fù)難度較大。同時(shí)，施工時(shí)必須進(jìn)行熱處理，焊接要求很高，施工難度大。由于EO精制塔塔徑較小，有時(shí)需增加人孔，增加的人孔需要進(jìn)行熱處理，人孔直徑較大（直徑500 ～ 600 mm），增加的人孔是否會(huì)影響到塔體強(qiáng)度需要重新核算。

考慮到以上難點(diǎn)，根據(jù)裝置情況選擇合適的塔盤或填料至關(guān)重要，若擴(kuò)能要求低于50 %，可采用高效塔盤。若擴(kuò)能或投資適中，可采用高效規(guī)整填料。國(guó)內(nèi)某石化裝置曾經(jīng)采用NS型復(fù)合立體傳質(zhì)塔盤一對(duì)一更換原有的浮閥塔盤，該局部改造可大部分利用舊塔圈、降液管、受液盤及其他支撐結(jié)構(gòu)，僅更換可拆卸的塔盤板，成功的將原40 kt 裝置的產(chǎn)能提高一倍以上。

考慮EO死區(qū)和積聚的危險(xiǎn)性，內(nèi)件改造施工難度較大，但不用額外增加占地面積，投資較小，操作穩(wěn)定性易保障。增加新的EO精制塔，施工方案較靈活，擴(kuò)能范圍較廣，但增加額外占地面積，投資較大，控制方案較復(fù)雜。

表1 EO擴(kuò)能改造方案比較Tab.1 Contrast of different EO expansion plan

4 結(jié)論

本文對(duì)近年來(lái)在大型EO/EG裝置中的EO精制塔采用的新型塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)展做了概要性的闡述。對(duì)工程設(shè)計(jì)而言，先進(jìn)傳質(zhì)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)高性能的設(shè)備的支撐和保證。尤其對(duì)于大型化的裝置，必須找到較高的性能與較低的能耗以及安全操作和合理的投資之間的最佳關(guān)系點(diǎn)，而新結(jié)構(gòu)的塔內(nèi)件技術(shù)的選擇與應(yīng)用即是其中的關(guān)鍵因素之一。

[1]殷伊琳.環(huán)氧乙烷/乙二醇技術(shù)進(jìn)展及市場(chǎng)分析[J].天津化工，2012，26（5）.

[2]秦嶺.乙二醇改擴(kuò)建裝置塔內(nèi)件改造分析[J].現(xiàn)代化工，2008，6.

[3]呂建華，李柏春，安俊軍，等.梯形立體噴射塔板在環(huán)氧乙烷精制塔中的應(yīng)用[J].石油化工，2002，31（9）：749-752.

Application of New Internals in EO Tower

Gong Wenzheng, Chen Ying
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd.Shanghai, 200120）

In this article, the application of new internals in EO refining tower in ethylene oxide plant was introduced.What presented herein is valuable in the reference of design of reform for similar towers

EO refining tower； tower internal； application

TQ 052.4

：A

：2095-817X（2015）03-0042-004

2015-03-02

貢文政（1981—），男，工程師，碩士，主要從事環(huán)氧乙烷乙二醇工程設(shè)計(jì)。