洪 偉 祝 秀 劉海彬

天津市創(chuàng)舉科技有限公司

全逆流無返混噴射塔板技術(shù)在C4萃取中的應(yīng)用

洪 偉 祝 秀 劉海彬

天津市創(chuàng)舉科技有限公司

由于石油煉制和石化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物C4烴類的產(chǎn)量逐年增加，據(jù)推算，國內(nèi)煉廠C4總量每年超過600×104t，因此,研究C4組分的分離及深加工利用開發(fā)對國內(nèi)乙烯工業(yè)及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實作用。目前，在C4分離及深加工的萃取精餾中存在塔板阻力降大、處理能力達不到滿負荷、分離指標(biāo)不合格、能耗高等問題。介紹了浙江寧波昊德化學(xué)工業(yè)股份有限公司C4萃取及汽提塔改造前的情況及存在的問題。對此，將原DJ浮閥塔板全部更換為全逆流塔板，改造后裝置負荷由約80%提高到130%，蒸汽消耗節(jié)省35%，各項指標(biāo)均良好，未出現(xiàn)攔液等現(xiàn)象，裝置目前運行平穩(wěn)。

全逆流塔板 C4萃取 發(fā)泡物系 擴產(chǎn)改造 蒸汽消耗 節(jié)能

目前，在板式塔研究開發(fā)領(lǐng)域中仍長期存在阻力偏高、液面梯度導(dǎo)致的氣體分布不均、液體流動和傳質(zhì)過程中存在返混、處理易發(fā)泡物系工況下設(shè)備無法長期穩(wěn)定運行等問題，且在以往長期研究過程中基本上沒有突破性進展，導(dǎo)致塔板效率和塔板適用范圍無法在工業(yè)應(yīng)用實踐中得到大幅度提高，同時也成為板式塔技術(shù)創(chuàng)新的焦點問題。

攔液又稱為帶液或液泛，在氣液接觸過程中產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡的穩(wěn)定存在使得氣液混合物體積成倍增加，液體流動嚴重受阻，導(dǎo)致塔板和降液系統(tǒng)液體大量累積，塔壓降大幅提高，霧沫夾帶嚴重[1]。

針對塔板研究開發(fā)領(lǐng)域中存在的這些問題，天津創(chuàng)舉公司研究開發(fā)了全逆流無返混噴射塔板(簡稱全逆流PFST塔板)[2]，以全逆流和持液降泡兩個新概念為指導(dǎo)思想，從理論計算到化工過程模擬計算，從實驗數(shù)據(jù)的測量到塔板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，針對不同的問題提出了不同的結(jié)構(gòu)改進。例如：①塔板上存在液面梯度和液相返混等問題采用分隔流板(即導(dǎo)液槽)結(jié)構(gòu)；②霧沫夾帶和阻力問題采用立體噴射全逆流傳質(zhì)單元；③處理易發(fā)泡物系采用多個長窄條形大體積的降液槽，每個降液槽底部設(shè)有多個降液管。塔板結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1 全逆流無返混噴射塔板結(jié)構(gòu)的論證

傳統(tǒng)的塔板均為鼓泡態(tài)傳質(zhì)塔板，如F1浮閥或其衍生型式。這類塔板不能很好地解決大液量、易發(fā)泡、難分離物系的傳質(zhì)分離問題，原因在于：①現(xiàn)有塔板氣液錯流接觸，液相在塔中徑向流動過程中，存在濃度梯度，傳質(zhì)推動力降低，板效率下降；②大液量導(dǎo)致板上液面梯度增大，氣體分布不均狀況加??；③易發(fā)泡物系，鼓泡態(tài)傳質(zhì)，無消泡能力，極易造成液泛；④現(xiàn)有塔板在塔壁附近存在滯流、偏流及環(huán)流，形成傳質(zhì)“死區(qū)”，板效率下降。而全逆流PFST塔板是一種大液量多降液噴射塔板。該塔板降液系統(tǒng)采用多降液槽淋降的降液方式，氣相采用噴射型傳質(zhì)單元，能夠很好地解決大液氣比造成的傳質(zhì)效率下降、發(fā)泡等問題。其特征如下：

1.1 多降液

(1) 塔板上的液體流動路程越長，傳質(zhì)推動力損失越大。多降液使塔板上各點的液相都處在一個初始濃度下(上層塔板下來的液體)，與氣相的接觸都處在一個較高的傳質(zhì)推動力下。

(2) 減小液面梯度，使氣體分布均勻。

(3) 在大液氣比操作狀況下，多降液能有效控制塔板上液層厚度，使其在合理的范圍內(nèi)。

1.2 噴射型傳質(zhì)效率高

(1) 噴射型塔板的氣液接觸表面積大，因為液相被氣體提升噴射形成了大量的液滴，分散態(tài)的液滴為氣液接觸提供了很大的表面積，這是與鼓泡態(tài)相比傳質(zhì)效率高的主要原因。

(2) 噴射型液相為分散相，液體被分散成為液滴，使得液相內(nèi)的分子傳遞路程與連續(xù)相的鼓泡態(tài)相比大為縮短，從而提升了傳遞速度。

1.3 消泡作用

噴射型塔板本身具有自消泡作用，特別適用于易發(fā)泡物系。氣體攜帶液體并流進入帽罩，而不是像浮閥等塔板氣體穿過板上液層，因而使塔板流動的液體基本上為不含氣體的清液，故降液管液泛的可能性大幅降低。

1.4 無返混

通過導(dǎo)液槽將塔板上未接觸液體(初始液)與接觸后液體(尾端液)進行分隔，完全實現(xiàn)液相無返混，讓汽液達到全逆流接觸。該塔板還可做到橫向上無液面梯度、濃度梯度以及溫度梯度。

1.5 阻力降低

噴射型塔板氣體并不穿過板上液層，只需克服被氣體提升的那部分液體的重力，所以造成的壓降更小，塔板壓降在低負荷時與F1型浮閥相當(dāng)，高負荷時比F1型浮閥低20%～30%，且負荷愈大，壓降越低。

1.6 處理能力大

由于噴射型塔板帽罩的特殊結(jié)構(gòu),氣體離開帽罩呈水平或向下方向噴出，這拉大了氣液分離空間和時間，使氣體霧沫夾帶的可能性大大降低,這使塔板氣體通道的板孔開孔率大幅提高，一般可達20%～30%。而在開孔率相同時，可允許操作氣速比一般塔板高出1.5～2.0倍。

圖2和圖3分別為鼓泡態(tài)塔板和噴射型塔板的傳質(zhì)示意圖和用高速相機拍攝的瞬間傳質(zhì)形態(tài)。從圖2和圖3可以看出，鼓泡態(tài)塔板氣體進入塔板液層被分散氣泡向上運動，液體隨氣泡做上下翻滾運動，這時氣體為分散相，液體為連續(xù)相，而噴射型塔板(如全逆流PFST塔板)，氣體通過板孔向上將液體提拉、破碎、向罩頂撞擊、折流側(cè)孔噴射，這時氣體為連續(xù)相，液體為分散相。

各種實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的浮閥塔板相比，全逆流PFST塔板具有傳質(zhì)效率高、霧沫夾帶少、夾帶返混低等特點。它實現(xiàn)了氣液相在塔板的濃度均一，對氣液相偏流具有很好的改善作用；降液區(qū)所占塔截面積很小，提高了塔截面的利用率，處理能力比傳統(tǒng)的浮閥塔板提高至少20%以上；由于液體在塔板上的流動路程變短，液位會相應(yīng)地降低，從而降低了液面梯度，避免了液相在塔板上的返混現(xiàn)象，同時還能降低發(fā)泡，攔液、液泛問題得到有效解決；它具有傳質(zhì)分離設(shè)備所要求的壓降小的特點。幾種塔板的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 幾種塔板的優(yōu)缺點對比Table1 Characteristiccomparisonofseveraltrays序號塔內(nèi)件類型優(yōu)點缺點應(yīng)用效果1ADV浮閥與普通浮閥相比,可提高氣體通量和傳質(zhì)效率常規(guī)設(shè)計采用雙溢流或四溢流,液面梯度和液層厚度較大,偏流逆流,返混較為嚴重,塔板一般為不銹鋼304一般,稍差2DJ塔板采用浮閥或固閥,并設(shè)置多個懸掛降液管,解決大液量下液體均布的問題依然屬于鼓泡態(tài)傳質(zhì)機理,對于易發(fā)泡物系,塔板上產(chǎn)生大量的泡沫,降液管內(nèi)泡沫較多,氣泡夾帶明顯,易出現(xiàn)液泛,塔板一般為不銹鋼304稍好3全逆流PFST塔板傳質(zhì)效率高,霧沫夾帶少,夾帶返混低,處理能力大,能耗少重量較大,造價較高優(yōu)秀

2 全逆流塔板的技術(shù)創(chuàng)新點

2.1 理論與技術(shù)創(chuàng)新

首次提出分隔流新概念并得以實現(xiàn)。分隔流即對塔板上液體(初始液體與傳質(zhì)完成液體)進行分隔，依靠分隔流板(即導(dǎo)液槽)的設(shè)置，將塔板上液相分隔，形成了未傳質(zhì)和完成傳質(zhì)兩部分。實現(xiàn)了塔板無返混、無滯留、無偏流；同時保持每一個傳質(zhì)單元均在高推動力下進行傳質(zhì)，確保單體高效勻效與整體高效。這些特點是傳統(tǒng)塔板不能做到的。

首次提出持液降泡概念。板式塔的降液管設(shè)計，尤其對于易發(fā)泡物系的分離，主要是從降液管的液泛考慮，以避免工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)液泛淹塔。對于發(fā)泡物系降液管的設(shè)計，從減少氣相返混的角度出發(fā)，采用加大降液槽的體積并控制液體流速來延長液體的停留時間，以便讓更多的氣泡從液體中溢出破碎，減少液體對氣泡的夾帶，實現(xiàn)降低氣相返混的目的。

2.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

設(shè)置多個長窄條形降液槽、多個長窄條形受液槽均布在塔板上，每個降液槽底部設(shè)有多個降液管，降液管上開有導(dǎo)液孔，降液管通過降液口伸入到降液槽內(nèi)。降液槽、受液槽設(shè)計為窄條狀，所占塔截面積較小，特別適用于大液量的工況，與同等工況下的傳統(tǒng)多降液管塔板及淋降塔板相比，液位低，壓降小，消除了氣液鼓泡傳質(zhì)機制；多個降液管的設(shè)計，實現(xiàn)液體分流，抗堵性強；通過調(diào)整降液槽的深度、降液管管徑、降液管伸入降液槽的深度，可以自由調(diào)整塔板上液層的厚度，即可調(diào)節(jié)液體停留時間，降低發(fā)泡，提高氣液分離效率；降液管上開的導(dǎo)液孔，是增加氣液在降液管中的分離時間，增加降液管操作彈性，降低霧沫夾帶。

2.2.2 混合對照品溶液的制備 精密稱取龍腦對照品、水楊酸甲酯對照品各適量，加乙酸乙酯溶解，制成含龍腦、水楊酸甲酯質(zhì)量濃度均為0.1 mg/mL的混合對照品溶液。

導(dǎo)液槽的設(shè)置，將已傳質(zhì)和未傳質(zhì)的液體進行隔離，使發(fā)生氣液傳質(zhì)的液體可以直接從導(dǎo)液槽通過降液槽流到下一層塔板，避免了與塔板上未發(fā)生氣液接觸的液體返混，使液體組分濃度與氣體組分濃度之間形成最大差值，從而大幅提高了傳質(zhì)推動力和塔板效率。

傳質(zhì)單元采用立體噴射傳質(zhì)單元，發(fā)揮其氣液噴射傳質(zhì)的高效率特性，重視氣液接觸時間和空間的提升，降低霧沫夾帶，使之在整個塔板傳質(zhì)區(qū)的氣液接觸成為均布的、無錯流的、噴射傳質(zhì)為主的過程，通過分流板將塔板上未接觸液體(初始液)與接觸后液體(尾端液)進行分隔,完全實現(xiàn)液相無返混，讓汽液達到全逆流接觸。該塔板還可做到橫向上無液面梯度、濃度梯度及溫度梯度。同時消除偏流、滯流和液面梯度的影響，使塔板效率得到全面提升[2]。圖4為全逆流PFST塔板的立體噴射過程示意圖。

3 全逆流塔板技術(shù)在C4萃取中的應(yīng)用案例

3.1 寧波昊德C4分離萃取精餾改造情況

寧波昊德化學(xué)工業(yè)股份有限公司(以下簡稱寧波昊德)4.7×104t/a異丁烯裝置由C4分離單元、丁烯異構(gòu)單元、MTBE合成單元及MTBE裂解單元組成。其中，C4分離單元處理能力為12×104t/a (不含醚后C4)，采用煙臺大學(xué)工藝包，選用MEK和NFM作為萃取劑[3]，該物系的特點為液氣比較大、易發(fā)泡且分離難度高。其核心設(shè)備為萃取精餾塔A、萃取精餾塔B和汽提塔，見圖5。

2014年該公司選用某大學(xué)的DJ塔板(一種固閥塔板)，并于2016年3月開車。運行中存在處理能力達不到滿負荷的問題，僅為設(shè)計值的70%。經(jīng)技術(shù)分析后發(fā)現(xiàn)，該問題的原因在于：液相通道面積小、塔板效率低、不能解決發(fā)泡問題。經(jīng)與廠家技術(shù)負責(zé)人商討后確定了解決方案：使用全逆流塔板進行改造，以提高塔的處理能力，直至設(shè)計值的130%。2016年4月對該系統(tǒng)進行了改造，于2016年6月開車并一次成功。改造前后指標(biāo)對比見表2。

表2 寧波昊德C4分離萃取精餾改造前后指標(biāo)對比Table2 IndexcontrastbeforeandaftertransformationofC4extractiondistillationseparation指標(biāo)名稱使用其他型式塔板使用本項目技術(shù)塔板設(shè)計值與使用其他塔板相比塔板型式DJ塔板(固閥塔板)全逆流PFST塔板進料量/(kg·h-1)萃取精餾塔A/B125602160016800提高72%汽提塔124660226930提高82%溫度/℃萃取精餾塔A/B142.8140.3能耗低汽提塔156.8154.4能耗低蒸汽耗量/(kg·(t進料)-1)萃取精餾塔520.0295.0減少43%汽提塔53.837.5減少30%產(chǎn)品中萃取劑MEK和NFM總質(zhì)量分數(shù)/10-6萃取精餾塔10000≤35好汽提塔10000≤35好丁烷產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)/%9696≥95同等總烯烴產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)/%9090≥90同等指標(biāo)穩(wěn)定性不穩(wěn)定穩(wěn)定好

目前，寧波昊德C4處理能力為21.6 t/h，經(jīng)濟效益分析如下：

(1) 實際處理能力達到了21.6 t/h，在只更換塔內(nèi)件的情況下，處理能力由設(shè)計值的70%增加到設(shè)計值的130%，而且還有提升空間。

(2) 改造后設(shè)備的蒸汽耗量比原DJ塔板至少節(jié)省約35%，每天節(jié)省蒸汽188.8 t，每年可節(jié)省62 928 t，每噸蒸汽按180元計，則每年節(jié)省的蒸汽費用為1 132.7萬元。

(3) 改造后系統(tǒng)每年節(jié)省萃取劑約165 t，每噸MEK按8 400元計，NFM按20 000元計，每年可節(jié)省234.3萬元。

(4) 改造后檢修周期延長，每年比原DJ塔板少檢修3次，每次檢修停工4天。每次的檢修費用按10萬元計，停產(chǎn)費用按8萬元/天計，則每年因檢修而為企業(yè)節(jié)省的費用為126萬元。

從以上3項可以計算出:更換全逆流塔板后，每年可為企業(yè)創(chuàng)收1 367萬元，而改造所需的內(nèi)件費用及其他改造費用僅為200多萬元，證明該項目幾個月就可回收改造費用，經(jīng)濟效益顯著。

3.2 洛陽宏達C4萃取精餾塔、汽提塔、溶劑再生塔

2013年9月，洛陽煉化宏達實業(yè)有限責(zé)任公司10×104t/a C4裂解裝置消缺項目，12×104t/a烯烴提濃主裝置正式開車。裝置主體設(shè)備包括萃取精餾塔、汽提塔、溶劑再生塔，3臺設(shè)備塔內(nèi)件均由天津創(chuàng)舉公司設(shè)計制造。其中，萃取精餾塔、汽提塔采用該公司的發(fā)明專利技術(shù)全逆流無返混塔板。該裝置開車65 h后處理能力和產(chǎn)品指標(biāo)即達到或優(yōu)于設(shè)計值：異丁烷產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)為98%(設(shè)計值≥96%)，烯烴產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)為66%(設(shè)計值≥60%)，且裝置運行平穩(wěn)。萃取塔穩(wěn)定運行時溫度為118.8 ℃，設(shè)計溫度約為132 ℃，汽提塔穩(wěn)定操作時溫度為165 ℃，設(shè)計溫度為172.9 ℃，兩塔的蒸汽耗量明顯低于設(shè)計值，節(jié)能效果顯著。該技術(shù)體現(xiàn)出生產(chǎn)建立平衡快、運行穩(wěn)、溶劑用量少(僅為設(shè)計值的60%)以及能耗低等特點。

該項目萃取精餾塔和汽提塔兩臺設(shè)備的蒸汽耗量均比設(shè)計值節(jié)省20%，其每天共節(jié)省蒸汽48 t，每年節(jié)省的蒸汽費用為262.8萬元；項目中異丁烷產(chǎn)品產(chǎn)量約7.2 ×104t/a,烯烴產(chǎn)品產(chǎn)量約2.4×104t/a，質(zhì)量分數(shù)為98%(w)的異丁烷產(chǎn)品每噸價格增加100元，質(zhì)量分數(shù)為66%(w)的烯烴產(chǎn)品每噸價格增加300元，累計每年可為企業(yè)創(chuàng)收約1 700萬元，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié) 論

實踐證明，全逆流PFST塔板應(yīng)用于C4萃取精餾各塔內(nèi)件的改造是成功且有效的：

(1) 全逆流PFST塔板非常適用于大塔徑、液汽比大、易發(fā)泡難分離的物系，已成功應(yīng)用在C4深加工萃取精餾上。這項技術(shù)的成功應(yīng)用為國內(nèi)外的大液氣比、易發(fā)泡物系分離塔的設(shè)計提供了新的工程范例。

(2) 全逆流PFST塔板技術(shù)，在提高板式塔性能方面實現(xiàn)了質(zhì)的突破，增大了處理能力、提高了操作指標(biāo)、降低了蒸汽消耗，同時降低了萃取劑的損失，因此在投資、增收、節(jié)能、環(huán)保等方面效益顯著。

(3) 推廣前景廣闊：全逆流PFST塔板技術(shù)在國內(nèi)化肥、煉油、石化、焦化、生化、制藥、化纖等行業(yè)相似工況的項目有很好的推廣價值，是一項投資少、見效快的新技術(shù)。國內(nèi)應(yīng)用化工分離的塔器數(shù)量較大，該塔板技術(shù)具有廣泛的適用性。隨著該技術(shù)的完善和推廣應(yīng)用，必將給行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

[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, 張兵， 等. 一種分隔流無返混噴射塔板： 102961888 A[P]. 2013-03-13.

[3] 王文華， 任萬忠. 用萃取精餾法分離C4烷烴與烯烴的研究進展[J]. 化工技術(shù)與開發(fā)， 1999(2): 20-23.

Application of complete countercurrent tray in C4extraction

Hong Wei, Zhu Xiu, Liu Haibin

Tianjin Chuangju Technology Co., Ltd., Tianjin, China

As a by-product of oil refining and petrochemical production process, C4hydrocarbon productions increase year by year. It is estimated that the total annual C4hydrocarbon productions of refineries in China are more than 6 million tons, therefore the research of C4component 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 C4hydrocarbon 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 C4hydrocarbon 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.

complete countercurrent tray, C4extraction, foaming system, production expansion and reformation, steam consumption, energy saving

洪偉(1977-)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，碩士，主要從事化工分離塔器裝置的研發(fā)和設(shè)計工作。E-mail：40955043@qq.com

TE962

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.011

2016-12-09；編輯：康 莉