ODCB精餾塔再沸器氣蝕原因分析與改進

陳宏福

中石化石油工程設(shè)計有限公司 東營 257000

ODCB精餾塔再沸器氣蝕原因分析與改進

陳宏福*

中石化石油工程設(shè)計有限公司 東營 257000

針對塔釜再沸器換熱效果差、換熱管易腐蝕穿孔的問題進行系統(tǒng)分析，得出再沸器出口管線上限流孔板設(shè)計不合理是問題的主要原因，針對該問題對限流孔板進行重新設(shè)計并采取了一些措施，改進后裝置運行狀況良好。

限流孔板 塔釜 再沸器 腐蝕穿孔 改進

甲苯二異氰酸酯(TDI)是重要的化工基礎(chǔ)原料，在汽車、電子、涂料、建筑等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。在生產(chǎn)TDI的過程中，通常采用鄰二氯苯(ODCB)作為溶劑，ODCB精餾塔是TDI精制過程重要的分離設(shè)備之一，該塔為填料塔，其主要作用是將上游工序送來的TDI+ODCB溶液進行分離，并保證得到高純度的ODCB溶劑。在分離提純TDI的過程中，因TDI屬于熱敏性物料，高溫下易發(fā)生副反應(yīng)生成脲類、亞胺等[2]。為減少副反應(yīng)的發(fā)生，ODCB精餾塔在分離提純ODCB和TDI的過程中采用負壓操作，即塔頂25 kPa(A)，塔釜再沸器采用強制循環(huán)再沸器，通過增大再沸器物料循環(huán)量、降低再沸器出口溫度等方式減少TDI副反應(yīng)的發(fā)生。但在實際生產(chǎn)過程中，ODCB精餾塔的再沸器換熱效果較差，時常聽見再沸器內(nèi)部傳出類似水擊的異響，再沸器在運行不到半年的時間便出現(xiàn)了換熱管破裂和腐蝕穿孔的現(xiàn)象。操作人員針對該問題進行了認真的梳理、分析及改進，但效果不明顯。經(jīng)對塔釜再沸器及整個循環(huán)管路進行分析，最終找到了癥結(jié)所在并有效解決問題。

1 ODCB精餾塔工藝流程

上游工序來的TDI+ODCB物料經(jīng)泵加壓、計量后送至ODCB精餾塔，塔釜物料經(jīng)塔釜循環(huán)泵加壓后分為兩股物流，一股送至再沸器，用中壓蒸汽加熱至155℃后再循環(huán)至ODCB精餾塔內(nèi)；另一股送入下游工序，進一步分離提純TDI產(chǎn)品。因物料中含HCL、CCL4等低沸點物質(zhì)，為得到純凈的ODCB，該塔采用側(cè)線采出的方式得到純度較高的ODCB，塔頂物料經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后一部分回流至ODCB精餾塔內(nèi)，另一部分送至下游工序。具體流程見圖1。

圖1 ODCB精餾塔工藝流程

2 ODCB精餾塔再沸器設(shè)計參數(shù)及故障產(chǎn)生原因分析

針對塔釜再沸器換熱效果差、使用壽命短的問題，首先利用EDR模擬軟件對再沸器的結(jié)構(gòu)尺寸、換熱管壁厚、換熱管材質(zhì)等參數(shù)進行模擬，再沸器設(shè)計參數(shù)見表1。通過模擬分析結(jié)果及查閱相關(guān)標準、文獻[3]，再沸器設(shè)計合理，符合設(shè)計規(guī)定。根據(jù)塔釜物料的組分含量，當再沸器管程出口操作溫度169℃時，利用Aspen軟件計算得出再沸器管程物料對應(yīng)汽化壓力為46 kPa(A)，通過與現(xiàn)場操作人員進行探討，懷疑因ODCB精餾塔為負壓操作(操作壓力28 kPa(A))，再沸器出口管線靠近ODCB精餾塔處的限流孔板孔徑設(shè)計偏大，使再沸器內(nèi)物料的壓力降低，達到了物料在操作溫度下的飽和蒸汽壓46 kPa(A)，導致物料在再沸器換熱管內(nèi)部分汽化，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，從而使換熱器傳熱效果變差，嚴重時導致?lián)Q熱器振動產(chǎn)生異響甚至損壞。

表1 塔釜再沸器設(shè)計參數(shù)

3 限流孔板孔徑計算分析

針對以下限流孔板設(shè)計不合理的問題根源，進行詳細論述。

3.1 限流孔板前后壓差的確定

首先根據(jù)實際管道布置及設(shè)備布置情況，確定孔板之前的壓力，通過分析計算得出管道壓力損

失、塔釜再沸器的壓力損失、泵出口至限流孔板的高差等參數(shù)，見表2。由此可得出限流孔板之前的壓力為：

P1 =P泵出口-f管道-f再沸器-ρ物料*gh =334.9-20.1-16.4-1.0667×9.8×9.9 =194.9 kPa(A)

經(jīng)模擬計算，限流孔板至ODCB精餾塔的管道阻力降為2 kPa，ODCB精餾塔內(nèi)的塔釜操作壓力為28 kPa(A)，所以限流孔板之后的壓力P2為30 kPa(A)，小于物料在169℃下的飽和蒸汽壓46 kPa(A)。

限流孔板前后壓差為：

△P=P1-P2
=194.9 kPa

因孔板前后壓差不高于2500 kPa，根據(jù)HG/T20570.15-95可知選用單板限流孔板。

3.2 限流孔板孔徑的計算

根據(jù)HG/T 20570.15-95標準，當限流孔板流經(jīng)的是液相時，孔板孔徑的計算式：

(1)

式中，Q為工作狀態(tài)下流經(jīng)孔板的體積流量，m3/h；C為孔板流量系數(shù)，由雷諾數(shù)Re和孔板孔徑d0查圖2求取；d0為孔板孔徑，m；△P為孔板前后的壓降，Pa；γ為物料介質(zhì)的相對密度(與4℃下液態(tài)水的密度相比)。

限流孔板所在管道規(guī)格及體積流量等具體操作參數(shù)見表3，代入式(1)得：

表3 限流孔板所在管道規(guī)格及操作參數(shù)

因雷諾數(shù)：

因此限流孔板C-Re-d0/D關(guān)系可查圖2求取。

設(shè)，

C=0.602

則，

d0=0.2214
d0/D=0.2214/0.5973=0.37

查圖2得：

C=0.602

與假設(shè)的C值0.602相等，這說明d0=0.2214m=221.4mm有效(單孔、單板)。

圖2 限流孔板C-Re-d0/D關(guān)系

4 消除再沸器故障的鞏固措施

考慮到限流孔板只起到粗略限壓的作用，在工程計算中也有誤差的存在，為了更好的保證塔釜再沸器內(nèi)壓力和流量穩(wěn)定，在靠近限流孔板之前再沸器出口管線上添加手閥，并在手閥之前加裝就地壓力表，具體流程見圖3。

當限流孔板的孔徑因長期運行而沖刷增大時，可通過適當調(diào)節(jié)手閥開度來維持塔釜再沸器的正常操作壓力和流量，并可通過設(shè)置的壓力表來檢測限流孔板之前的壓力，保證塔釜再沸器內(nèi)的壓力不至于太低而使物料發(fā)生部分汽化，引起塔釜再沸器換熱效果差并發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，從而保證了裝置能夠連續(xù)生產(chǎn)，減少故障停車檢修的次數(shù)和時間。

將重新設(shè)計計算的孔徑為221.4mm的限流孔板安裝于再沸器出口管線后，塔釜再沸器運行狀況良好，能夠滿足工藝要求。限流孔板壓力表指數(shù)為194 kPa(A)，與理論計算的194.9 kPa(A)相當吻合，遠大于管程對應(yīng)操作溫度下的汽化壓力46 kPa(A)，從而消除了物料在再沸器管程內(nèi)部分汽化的弊端。在運行的一年多時間內(nèi)，塔釜再沸器未出現(xiàn)腐蝕穿孔和物料泄漏的現(xiàn)象。

圖3 ODCB精餾塔改造后的流程

5 結(jié)語

本文針對塔釜再沸器換熱效果差、換熱管易腐蝕穿孔的問題進行了系統(tǒng)分析，得出塔釜再沸器出口管線上限流孔板設(shè)計不合理是造成該問題的主要原因。針對該問題對限流孔板的選型、孔徑計算進行了詳細的論述，從而確定最佳的限流孔板形式為單板，孔徑為221.4mm，將設(shè)計的改限流孔板安裝于裝置上，裝置運行良好，能夠滿足工藝要求。

再沸器出現(xiàn)換熱管破裂、振動的原因有很多，有再沸器設(shè)計自身的原因，如折流板間距、防沖板、折流板切口等設(shè)計不合理，也有再沸器所在管路系統(tǒng)設(shè)計不合理的原因。在遇到此類問題時，要具體問題具體分析，切不可生搬硬套。

1 王 康等.TDI分離工藝控制方案優(yōu)化設(shè)計[J].天津化工，2009，23(1)：24-26.

2 詹建鋒.TDI回收技術(shù)探討[J].化學工程與裝備，2013，(2)：27-28.

3 李保紅等.基于過程模擬軟件的管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計[J].大連民族學院學報，2010，1(1)：1-5.

2016-9-27)

*陳宏福：工程師。2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)工業(yè)催化專業(yè)獲碩士學位。現(xiàn)從事石油化工、油氣處理與儲運方面的設(shè)計工作。 聯(lián)系電話：13906477301，E-mail: sleccchf@163.com。