曹傳波，秦利濤，孔令啟，李玉剛

(1.青島銀科恒遠(yuǎn)化工過(guò)程信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042；2.青島科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與化工研究所，山東 青島 266042)

甲苯二胺(簡(jiǎn)稱TDA，下同)是生產(chǎn)甲苯二異氰酸酯(簡(jiǎn)稱TDI)的主要原料，由DNT(二硝基甲苯)催化加氫得到，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)用于TDA生產(chǎn)的反應(yīng)器主要有兩種形式，內(nèi)盤(pán)管式和內(nèi)板換式，其主要區(qū)別在于移除反應(yīng)熱的形式不同。板式換熱器的傳熱系數(shù)大于盤(pán)管式，因此板換式擁有更高的取熱能力，但這種換熱形式對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和設(shè)備的加工要求很高，國(guó)內(nèi)的使用廠家多為國(guó)外引進(jìn)，價(jià)格高昂。

某廠家有一套建于90年代的TDA合成裝置，反應(yīng)器采用內(nèi)盤(pán)管方式換熱，運(yùn)行狀況良好，現(xiàn)最大負(fù)荷4萬(wàn)t/a。近年來(lái)隨著市場(chǎng)需求的增加[1]，裝置亟待擴(kuò)產(chǎn)改造。

1 擴(kuò)產(chǎn)瓶頸分析

1.1 裝置原況

原反應(yīng)器換熱方案如圖1所示。采用盤(pán)管冷卻水自循環(huán)換熱流程，反應(yīng)熱通過(guò)盤(pán)管由冷卻水帶出反應(yīng)器，冷卻水在冷卻器E1降溫后再進(jìn)入盤(pán)管循環(huán)，熱量最終被E1循環(huán)水帶走，反應(yīng)過(guò)程通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)口溫度來(lái)控制反應(yīng)器溫度。

設(shè)備數(shù)據(jù)：反應(yīng)器液面以下體積約52 m3，換熱盤(pán)管總面積580 m2，盤(pán)管體積16 m3，反應(yīng)器實(shí)際有效體積36 m3；冷卻器E1為板式換熱器，換熱面積550 m2；冷卻水循環(huán)泵P1額定流量1000 m3/h。

圖1 原反應(yīng)器換熱方案示意圖

操作數(shù)據(jù)：反應(yīng)溫度110℃；盤(pán)管冷卻水流量1000 m3/h，進(jìn)出口溫度45～58℃；裝置最大運(yùn)行負(fù)荷為4萬(wàn)t TDA/a。

若提高反應(yīng)器負(fù)荷，主要影響因素有兩個(gè)：一是反應(yīng)停留時(shí)間，即反應(yīng)器體積；二是反應(yīng)器的換熱能力。下面分別對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行分析。

1.2 反應(yīng)停留時(shí)間

反應(yīng)停留時(shí)間決定了反應(yīng)器需要的體積大小，根據(jù)該合成反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程[2]，在110℃反應(yīng)條件下，原反應(yīng)器的有效體積可以滿足6萬(wàn)t TDA/a的生產(chǎn)負(fù)荷。

表1 國(guó)內(nèi)使用板換反應(yīng)器廠家產(chǎn)能

國(guó)內(nèi)其它采用板換反應(yīng)器廠家的考察結(jié)果見(jiàn)表1，某廠家原盤(pán)管式反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積為36 m3，根據(jù)考察其他廠家反應(yīng)器的實(shí)際運(yùn)行能力來(lái)看，從停留時(shí)間角度考慮，加氫反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積可以滿足6萬(wàn)t TDA/a以上的生產(chǎn)負(fù)荷。若盤(pán)管換熱能力也可滿足6萬(wàn)t年產(chǎn)負(fù)荷，則裝置可直接擴(kuò)產(chǎn)，下面對(duì)換熱能力進(jìn)行分析。

1.3 換熱能力

換熱能力是影響此類反應(yīng)器產(chǎn)能的另一個(gè)重要因素，裝置4萬(wàn)t TDA/a負(fù)荷下具代表性的操作數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，核算裝置運(yùn)行工況和6萬(wàn)t年產(chǎn)負(fù)荷下所需要的盤(pán)管面積，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 盤(pán)管換熱能力計(jì)算結(jié)果

注：根據(jù)物料特性及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，冷卻水進(jìn)口溫度低于45℃會(huì)使物料在盤(pán)管壁上凝結(jié)，影響傳熱。反應(yīng)器盤(pán)管傳熱系數(shù)根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定得到[5]，為390 kcal/(h·m2·℃)。

可以看出：4萬(wàn)t負(fù)荷操作條件下所需盤(pán)管面積為559 m2，原裝置為580 m2，核算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工況基本一致；但在6萬(wàn)t負(fù)荷下，盤(pán)管面積需要887 m2，原裝置已不能滿足。

根據(jù)上述分析可知：原反應(yīng)器體積可滿足6萬(wàn)t/a以上負(fù)荷，盤(pán)管的換熱能力是反應(yīng)器擴(kuò)產(chǎn)改造的瓶頸，要提高負(fù)荷，必須對(duì)現(xiàn)換熱方案進(jìn)行改造。

2 擴(kuò)產(chǎn)改造

由于反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)又屬于三類容器，因此改造反應(yīng)器內(nèi)部換熱型式比較困難。根據(jù)反應(yīng)裝置的實(shí)際情況，提出物料外循環(huán)換熱方案，在不改造反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的前提下，提高裝置產(chǎn)能，下面進(jìn)行討論。

2.1 改造方案

從反應(yīng)器內(nèi)引出一部分物料，將這部分物料在反應(yīng)器外冷卻降溫后再返回反應(yīng)器。這樣有部分反應(yīng)熱就被移到了反應(yīng)器外，反應(yīng)熱的移出不再全部由內(nèi)盤(pán)管承擔(dān)，減小了盤(pán)管負(fù)荷，從而解決了反應(yīng)器內(nèi)盤(pán)管換熱面積不夠的問(wèn)題。

采出物料溫度110℃，冷卻水出口溫度在60℃左右，可用盤(pán)管出口的冷卻水對(duì)物料進(jìn)行降溫，冷卻水的降溫仍在E1中進(jìn)行，若E1能力足夠，只需增加兩臺(tái)設(shè)備：物料冷卻器E2，物料循環(huán)泵P2。改造方案如圖2所示。

圖2 改造方案示意圖

改造前后的熱量衡算方程分別為：

原裝置：Q反應(yīng)熱 = Q盤(pán)管 = QE1

改造后：Q反應(yīng)熱 = Q盤(pán)管 + QE2 = QE1

反應(yīng)器內(nèi)盤(pán)管結(jié)構(gòu)改造困難，冷卻水泵P1與釜內(nèi)盤(pán)管匹配，也不易改動(dòng)，改造的主要內(nèi)容是循環(huán)泵P2及物料換熱器E2大小的確定，下面進(jìn)行分析討論。

2.2 參數(shù)分析及討論

改造方案中三個(gè)換熱器相互影響，冷卻水的溫差決定了盤(pán)管負(fù)荷，E1的能力決定了盤(pán)管進(jìn)口溫度，E2的大小又影響物料循環(huán)量及E1的入口溫度，但總的說(shuō)來(lái)，其本質(zhì)是盤(pán)管負(fù)荷與物料冷卻負(fù)荷的分配，如何在較少的設(shè)備投資和運(yùn)行成本下，使新增設(shè)備與原盤(pán)管達(dá)成較好的適配，使換熱能力滿足擴(kuò)產(chǎn)要求，下面進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算基于以下已知條件和基本假設(shè)：

a、盤(pán)管面積：580 m2；盤(pán)管冷卻水流量：1000 m3/h；年產(chǎn)6萬(wàn)t TDA負(fù)荷時(shí)反應(yīng)熱1.9×107kcal/h；

b、循環(huán)水進(jìn)出口溫度30～40℃；

c、盤(pán)管傳熱系數(shù)為390 kcal/(h·m2·℃)，E1板換傳熱系數(shù)取1700 kcal/(h·m2·℃)，新增管殼式E2傳熱系數(shù)取600 kcal/(h·m2·℃)；(E1、E2傳熱系數(shù)的取值來(lái)自設(shè)備廠家和工程經(jīng)驗(yàn))；

d、整個(gè)換熱過(guò)程沒(méi)有相態(tài)變化。

利用傳熱方程和熱量方程對(duì)三個(gè)換熱過(guò)程分別進(jìn)行分析可知，在未知數(shù)中只需確定兩個(gè)，即可解得整個(gè)過(guò)程的設(shè)備大小及各工藝參數(shù)。現(xiàn)以設(shè)備大小為目標(biāo)函數(shù)，選取冷卻水進(jìn)口溫度和物料冷卻溫度為變量，通過(guò)給定不同數(shù)值，分析不同溫度對(duì)改造所需設(shè)備的影響規(guī)律。

共計(jì)算了5個(gè)工況：當(dāng)物料冷卻溫度80℃時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度取58、52、47℃3個(gè)點(diǎn)，見(jiàn)工況1～3；當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度47℃時(shí)，物料冷卻溫度取80、75、70℃3個(gè)點(diǎn)，見(jiàn)工況3～5，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同物料和冷卻水溫度對(duì)換熱面積及循環(huán)量的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出：

①隨著冷卻水進(jìn)口溫度的降低，E2的傳熱溫差增大，E1的傳熱溫差減小，E2承擔(dān)換熱負(fù)荷減小，物料循環(huán)量減小，E1面積增加，E2面積減?。?/p>

②隨著物料溫度的降低，物料冷卻器E2的傳熱溫差減小，E2面積增加，物料循環(huán)溫差增加，物料循環(huán)量減?。?/p>

綜上，降低冷卻水進(jìn)口溫度和物料溫度，可減小新增換熱器E2面積及物料循環(huán)量，代價(jià)是冷卻器E1面積需要增大?，F(xiàn)裝置冷卻器E1面積550 m2，可以滿足上述工況5工藝條件，新增一臺(tái)物料冷卻器447 m2，一臺(tái)循環(huán)泵221 m3/h即可滿足年產(chǎn)6萬(wàn)t 負(fù)荷下的換熱要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析討論，原裝置反應(yīng)器的有效體積可以滿足TDA年產(chǎn)6萬(wàn)t 以上的生產(chǎn)負(fù)荷，其擴(kuò)產(chǎn)瓶頸在于反應(yīng)器的換熱能力不足；物料外循環(huán)換熱的方案，可提高反應(yīng)器的換熱能力，其中冷卻水進(jìn)口溫度和物料的冷卻溫度應(yīng)在工藝條件允許范圍內(nèi)盡量的低，這樣所需要的動(dòng)力消耗越小，但新增換熱器設(shè)備投資越大。經(jīng)過(guò)多方權(quán)衡，結(jié)合廠家的實(shí)際情況，最終選定上述工況5作為改造方案，年產(chǎn)負(fù)荷由4萬(wàn)t提高至6萬(wàn)t。

本文分析了某廠甲苯二胺合成反應(yīng)器的擴(kuò)產(chǎn)改造問(wèn)題，針對(duì)瓶頸提出改造方案，并對(duì)各參數(shù)與改造設(shè)備關(guān)系進(jìn)行了分析，得出較優(yōu)的改造方案，給廠家的擴(kuò)產(chǎn)改造提供了理論依據(jù)，也可供有相似反應(yīng)器改造的廠家借鑒參考。