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C3分离塔提效扩能改造实例

侯鹏成 ,  赵志勇 ,  张鑫 ,  洪俊科 ,  高培生

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 256 -260.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 256-260. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.045
工业技术

C3分离塔提效扩能改造实例

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Retrofit of C3 splitter to improve separation efficiency and capacity

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摘要

某新建丙烷脱氢装置中,丙烯精馏塔采用了多溢流塔盘设计,面临着分离效率和处理能力不达标的各种问题,导致了最终产品纯度无法满足设计要求和额外的产品损失。通过对该丙烯精馏塔的成功改造,着重介绍了影响多溢流塔盘的分离效率和处理能力的各个设计要点。并通过该丙烯精馏塔改造前后的运行效果对比,阐述了影响该丙烯精馏塔产品不达标的关键设计因素。

Abstract

The C3 splitter (propylene distillation column) in a certain new propane dehydrogenation (PDH) plant,which is designed with multi-pass trays,suffers from poor separation efficiency and low capacity utilization.These issues results in that the product purity does not meet specifications and unexpected product loss is encountered.This paper delves into the key parameters influencing the efficiency and capacity of multi-pass trays through the successful retrofit of this C3 splitter.In addition,by comparing operational performance of the splitter before and after the retrofit,the key design factors leading to the off-specification product are described.

Graphical abstract

关键词

丙烯精馏塔 / 处理能力 / 分离效率 / 多溢流塔盘

Key words

propylene distillation column / processing capacity / separation efficiency / multi-pass tray

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侯鹏成,赵志勇,张鑫,洪俊科,高培生. C3分离塔提效扩能改造实例[J]. 现代化工, 2025, 45(8): 256-260 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.045

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丙烯(Propylene)作为关键的基础化工原料,在工业生产中具有举足轻重的地位。其可通过一系列化学反应,衍生出聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷等高附加值化工产品,广泛应用于塑料、橡胶、纤维等众多领域。丙烷脱氢(PDH)工艺凭借投资规模相对较小、经济效益显著等优势,近年来产能迅速扩张,目前通过该工艺生产的丙烯产能已占国内丙烯总产能的20%以上[1-2]。
丙烯精馏塔是丙烷脱氢装置中的核心设备,主要功能是实现混合碳三中丙烷与丙烯的高效分离,以获取聚合级丙烯。在工业生产中,塔顶丙烯产品摩尔分数要求大于99.6%,塔釜循环丙烷中的丙烯摩尔分数通常要求小于1%。然而,丙烷和丙烯之间的相对挥发度非常小,分离难度较大,因此需要大量的塔盘来实现理想的产品纯度和产品回收率。
宁夏宁东基地的某丙烷脱氢装置中的丙烯精馏塔,自初始开车以来,塔顶丙烯产品达不到设计要求,同时塔釜循环丙烷中的丙烯损失远超设计值,对整套装置的稳定、高效运行造成了显著影响。

1 工艺装置描述

该丙烯精馏塔的进料为来自上游的富含丙烷和丙烯的混合碳三,从第142层塔盘进入精馏塔。精馏塔塔径为6 500 mm,分离内件设计为207层4溢流形式塔盘,塔顶出口的气相丙烯经丙烯压缩机压缩后,进入该塔的塔釜再沸器作为塔釜热源,经再沸器换热后冷凝至液态丙烯,一部分降压后进入该塔第一层塔盘,闪蒸后的液相作为该塔的回流。另一部分作为塔顶产品由回流罐中采出,循环丙烷由塔釜采出。具体工艺流程如图1所示。
根据工艺包设计参数,塔顶丙烯摩尔分数为99.6%,塔釜丙烯摩尔分数为1.06%,相关进料、回流、塔顶采出和塔釜采出的具体参数如表1所示。

2 装置运行情况

该装置自2021年9月开车以来,丙烯产品指标与设计值存在较大偏差,为了保证产品质量,装置长期维持低负荷、高回流比运行。在确保产品指标的前提下,该塔最大处理能力仅能达到设计进料负荷的70%,当负荷进一步提升至80%时,会出现压降大幅上升、产品指标恶化、塔釜液位急剧下降等液泛现象。具体开车负荷及运行指标如表2所示。
苏尔寿化工(上海)有限公司通过现场数据采集与效率回归分析,发现该塔的实际运行全塔效率只有52%,远低于工艺包设计规定的81%全塔效率,具体效率曲线回归如图2所示。

3 诊断与分析

该丙烯精馏塔原设计采用了207层4溢流塔盘,精馏段板间距为440 mm,提馏段板间距为 500 mm,塔盘设计采用了等流程长度、凹形受液盘等设计理念,为了尽可能地降低全塔压降,鼓泡区设计采用了较大的开孔率,具体塔盘结构设计参数如表3所示。
为了分析判断该丙烯精馏塔塔盘效率大幅低于设计值的原因,苏尔寿化工对影响该塔效率的因素进行了逐一分析排查,主要原因有以下几点。

3.1 鼓泡区气液相平衡设计不当

在4溢流塔盘形式中,奇数层和偶数层塔盘的几何结构存在差异,如图3所示,奇数层塔盘具有2个偏中心降液管,偶数层塔盘具有1个中心降液管和2个边降液管[2]。奇数层和偶数层塔盘因为降液管的设计被分为不同的鼓泡区,如图3中A、B、C、D所示。在塔盘运行过程中,液相自上而下由上一层塔盘降液管流至鼓泡区,并穿过鼓泡区进入塔盘的降液管内,气相由下至上逐层穿过鼓泡区,并和塔盘上的液相进行接触和传质。
气相和液相在塔内流动时,优先选择通过阻力较小的通道。为确保气、液两相在流动过程中不发生偏流,4溢流塔盘在水力学设计过程中需要采用特殊的平衡方法,来确保被分配至每个独立鼓泡区内的气液相比例的比值等于1(V/L=1)[3-5],从而保证全塔良好的分离效率和不会发生提前液泛。
然而,该塔原设计的4溢流塔盘没有采用平衡的设计,致使气相和液相在流动过程中出现偏流,严重影响了该塔的分离效率。

3.2 过大的开孔率设计

丙烯精馏塔通常具有大塔径、低板间距、高压、高回流比等特点[6]。大塔径和低板间距易导致液体流程长度偏长、流程长度与板间距的比值偏大。高压和高回流比容易造成塔内液体的溢流强度过大、液体在流动过程中液面梯度过高等问题。气液相偏流(vapor cross-flow channeling,VCFC),如图4所示,通常发生在同时具备溢流强度超过50 m3/(m·h),流程长度/板间距比值大于2且开孔率过大的塔盘设计中[3-4]。而丙烯精馏塔的特点恰好符合VCFC的发生条件。
该丙烯精馏塔的设计采用了较大的开孔率,导致干板压降偏小,气相在流通过程中优先选择液层偏薄的鼓泡区区域,加剧了因为没有平衡设计而引发的气液相偏流现象[7-10],最终导致塔盘效率急剧下降。

3.3 凹形受液盘设计过高

凹形受液盘的设计目的通常是为了保证降液管底隙的净密封,或者在液体流量过大时降低降液管底隙流出速度[11-14]。机械结构上,凹形受液盘一般和液体的流动方向垂直布置,如图5所示。塔盘工作时,气体穿过塔盘上的液体呈鼓泡状态。在水力学设计过程中,要求凹形受液盘的高度不得阻碍塔盘上的泡沫层流动至降液管[11-12]。
该丙烯精馏塔的设计中,凹形受液盘的高度设计过高,在较大的溢流强度和过高的泡沫层高度的工况下,过高的凹形受液盘容易阻碍塔盘上的泡沫层流入降液管,从而造成塔盘的提前液泛。同时凹形受液盘的设计,还会造成鼓泡区面积的损失[2]。

3.4 顶部回流液体初始分布不均

多溢流塔盘由于降液管布置的原因,鼓泡区被划分为多个不同的区域,在不同的鼓泡区区域内液体的混合、流动和平衡会相对困难[15-18]。如上述图3所示,4溢流塔盘被分为A、B、C、D不同的鼓泡区,液体在不同鼓泡区之间的流动和混合较差。因此,多溢流形式塔盘对塔顶液体的初始分配要求更为严格,不合理的回流初始分配设计会导致全塔效率的下降。
该塔设计采用了热泵精馏工艺[6],由于回流管线和塔内压力不一致的原因,导致进入塔内的回流为气液两相,这使得该塔顶部回流分布设计更为复杂,由于原顶部回流设计未考虑气液相分离空间及平衡设计,导致液体的初始分配不合理,从而导致该塔的全塔效率下降[15]。

4 改造方案

苏尔寿化工采用苏尔寿高性能塔盘VGPLUSTM对原有塔盘进行了升级改造。苏尔寿VGPLUSTM高性能塔盘技术是增强型塔盘板与高性能降液管设计的有机结合,具有以下优势[3]:①增加约30%的处理能力;②降低约20%的操作压降;③传质分离效率等同或更高;④液面梯度更低;⑤液相和气相分布更均匀。相关塔盘及性能曲线如图6和图7所示。
在改造设计中,对鼓泡区的开孔率设计进行了优化;采用了苏尔寿特有的气液相平衡方法对原4溢流塔盘进行了平衡设计;对该塔塔顶回流的液体分布装置进行了升级改造,提供了气液相分离空间,优化了塔顶回流液体的初始分配;拆除原有的凹形受液盘,消除液体在流动过程中被阻碍的风险,同时也增加了鼓泡区面积。
除上述改造措施外,还采用了以下提高塔盘效率的方法。

4.1 采用ModArc多弦型降液管

多弦型降液管[2]如图8所示,相比于传统降液管可以在保持降液管面积相同的情况下,增加出口堰的长度,从而有效降低液体溢流强度。同时,可以增加液体在流程长度方向上最小弦长和最大弦长的比值,进而减少液体液面梯度和流动滞留区域,有效地促进液体的平推流,提高塔盘效率[19-21]。

4.2 合理布置苏尔寿推动阀

液体在塔盘板上流动时,因流程长度过长和弓形区域过大等因素,易在塔盘上存在较大的滞留区域和液面梯度。苏尔寿推动阀[15]可以有效减少塔盘上液体滞留区域和液面梯度。本次升级改造中,在塔盘板上弓形区域内,流程长度方向上和降液管出口等部分区域合理布置了苏尔寿推动阀,降低了液面梯度,减少了滞留区域,保障了塔盘效率的提升[22-23]。苏尔寿推动阀如图9所示。

5 现场安装

该套装置的改造工作由苏尔寿化工(上海)有限公司安装团队负责实施,包括全塔原有207层塔盘的拆卸以及新设计塔盘的安装工作。得益于全塔改造设计方案中没有任何动火要求以及现场施工的精益管理,全部的拆卸以及重新安装工作在22 d内顺利完成,并于2023年4月具备开车条件。

6 改造后的运行情况

改造后的丙烯精馏塔于2023年4月重新开车,稳定运行后,苏尔寿化工对该塔的运行数据进行了收集分析,并与工艺包设计数据、改造前运行数据进行了对比。对比结果表明,改造后丙烯精馏塔塔顶丙烯产品指标、塔釜丙烯损失、回流比以及处理能力等指标均优于工艺包设计值,相较于改造前的运行数据有了大幅度的提升。具体数据如表4所示。
为了进一步评估改造后该塔的全塔效率,苏尔寿化工对开车后的运行数据进行了模拟分析,并与工艺包设计效率以及改造前的全塔运行效率进行了对比。结果显示,改造后该塔的全塔效率高于93%,优于工艺包设计数据,且大幅高于改造前该塔的实际运行效率。具体数据如表5所示。

7 结语

丙烯精馏塔因为特定的操作工况和产能需求,通常采用大塔径、低板间距和多溢流或多降液管的塔盘设计,对塔盘及其内件的设计提出了极高的要求。任何设计不合理都可能导致该塔操作效率严重下降,进而影响处理能力和产品指标。本次丙烯精馏塔的成功改造,充分证明了合理的塔盘设计是保障塔顶产品质量、塔釜循环丙烷中丙烯损耗和装置处理能力的关键,为装置的长周期、低能耗稳定运行提供了有力支撑,有效提升了企业的经济效益。

参考文献

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