乙二醇間歇精餾利舊精餾塔內冷器的改型設計

趙立巖，王國勝，郝俊靜，劉保雷

(1.中國石油集團東北煉化工程有限公司 吉林設計院，吉林 吉林 132002；2.沈陽化工大學 化工學院，遼寧 沈陽 110142；3.吉林化工學院 石油化工學院，吉林 吉林 132022)

我國用于聚酯消費的乙二醇的量約占乙二醇總消費量的94.5%，剩余約6.0%的乙二醇消費用于防凍劑、粘合劑、油漆溶劑、耐寒潤滑油、表面活性劑以及聚酯多元醇等[1]。隨著聚酯行業的快速發展，我國對于乙二醇的需求量在逐年增長，且表現出很強的成長趨勢，需求成長速度為23%，遠遠高于我國乙二醇產量成長速度，很大程度上是依靠進口來滿足需求，自2002年開始乙二醇進口依存度超過70%[2]。2010年以來隨著國內大型乙二醇裝置的建設大大改善我國乙二醇供銷格局，但是國內乙二醇市場依舊火爆。

山東省濱州市無棣工業園區某廠以煤制乙二醇工藝的粗料為原料，通過間歇精餾的工藝對乙二醇進行提純，引進設備在試生產的過程中精餾塔的操作不穩定，泛塔現象嚴重[3]，功耗較大，而且乙二醇產品的含水量相對偏高，因此需要對精餾塔本身以及裝置的流程進行優化改進，提升經濟效益。

項目本身圍繞利舊設備進行改造完善工藝流程，現就核心的利舊設備-精餾塔的內冷系統存在的問題進行改造，以適應煤制乙二醇中提取較高純度乙二醇的工藝要求。

1 乙二醇間歇精餾工藝簡介

加熱罐內一次性進料25 m3，加熱攪拌，產生的蒸汽自塔釜進入精餾塔進行精制，經塔頂內冷換熱器部分冷凝后的蒸汽進入外冷換熱器全凝，部分回流經離心泵塔頂回流，各階段組分產品分別進入相應產品罐。粗乙二醇中的重組分留在加熱罐罐底，每五個間歇周期用蒸汽對罐底重組分進行吹掃。

2 利舊精餾塔內冷器故障原因的分析與驗證

2.1 內冷器故障原因分析

該企業引進的設備在試生產過程中操作壓力不穩定，間歇性出現泛塔現象，導致精制而得的乙二醇產品摻入雜質呈“淺紅色”[4]。既無法達到產品要求，還增加了功耗。經分析，產生操作壓力不穩的原因在于塔頂內冷器屬于固定管板式換熱器，冷流體(20℃工藝水)走殼程，熱流體(塔內蒸汽)走管程，熱交換后蒸汽冷凝下來的液體自內管壁下流，即上升蒸汽與冷凝液均在列管中流動方向相反，由于原設備中內冷器列管規格為25×1.5 mm，在精餾過程中凝液與上升蒸汽產生空間競爭，進而發生“托液”現象，導致泛塔[5]。同時，在乙二醇精餾工藝中引進真空操作，原固定管板式內冷器的列管承壓能力受限，可能導致破裂情況進真空操作，原固定管板式內冷器的列管承壓能力受限，可能導致破裂情況發生[6]，所以，利舊設備的內冷系統要進行改型設計，以滿足工藝要求。利舊內冷器的基礎數據見表1。

表1 利舊內冷器的基本參數

2.2 列管內“托液”現象的驗證

該利舊精餾塔為填料塔，填料類型為散堆25 mm金屬鮑爾環，故依據貝恩-霍根關聯式可計算得泛塔氣速[7]，計算前提定位冷凝量為蒸汽總量的75%，即回流比為3，真空操作時乙二醇的沸點為136℃，該類型填料的關聯常數[8]A=0.1，K=1.75，填料比表面積αt=219 m3/m3，孔隙率ε=0.95 m3/m3。

解得uF=3.5 m/s

u=uF×0.7=3.50×0.7=2.45m/s

查不同類型填料的關聯常數值[9]，A=0.0942，K=1.75

其中，填料比表面積： αt=219 m2/m3

填料層孔隙率： ε=0.95 m3/m3

進入固定管板式內冷器總蒸汽量：

氣相冷凝液的體積流量：

q=0.5818×0.75=0.4364 m3/s

在真空操作條件下，乙二醇的沸點為136℃，所以20℃時氣相的體積流量：

乙二醇的摩爾流量：

冷凝液質量流量：

冷凝液體積流量:

固定管板式換熱器管橫截面積：

管中液體流速：

通過參照埃克脫通用關聯圖[10]，原利舊設備內冷器列管內氣液相負荷已經較大幅度超出正常操作范圍，列管內一定會發生液泛現象，冷凝液堵塞上升氣體導致塔內操作壓力不穩。

3 內冷器改造方案

3.1 設備選型分析

原利舊設備為固定管板式換熱器，蒸汽和冷凝液走管程，冷卻水走殼程，管內氣液空間競爭導致泛塔[11]，解決液泛可以采取以下方法。

(1)為避免因“托液”導致的泛塔現象，可以采取增加列管管徑的辦法，比如將列管設計為32×2 mm，以盡量避免上升蒸汽和下降的冷凝液的空間競爭。

(2)為徹底避免因內冷器導致的泛塔現象，固定管板式換熱器改型設計為U型管式換熱器，冷凝水走管程，蒸汽走殼程，冷凝液自U型管外壁向下。蒸汽出口不在開在塔塔頂而是開在塔的筒體最上方一側。

結論：針對以上兩種方法，選擇U型管換熱器是更好的選擇[12]。原因在于，U型管換熱器能從根本上解決問題，而且單位器型體積所具備的換熱面積更大。

3.2 U型管換熱器的設計

由于水的比熱明顯大于乙二醇的比熱，所以，熱負荷按照水的物性數據計算[13]。

填料塔的泛點氣速可由貝恩-霍根關聯式計算：

uF=3.18 m/s

泛塔率為0.7時被冷凝的氣相體積流量：

氣相冷凝液的質量流量：

qm=qvρ=0.26kg/s

熱負荷的計算：

Q =qmγ=580.22kW

傳熱系數的計算：

經過計算求得k=700W/(m2·℃)

計算逆流平均溫差：

Δt=74.89℃

換熱面積的計算：

依據計算結果的設備定型見表2。

表2 選取U型管換熱器的基本參數

4 結論

乙二醇間歇精餾塔內冷器的改造，將原有的固定管板式換熱器改型設計為U型管式換熱器從根本上解決了換熱器內氣-液空間競爭導致的“托液”現象，同時將換熱管的管壁從1.25mm增加到2mm，以保證真空操作時管壁的強度。