煤制乙二醇装置精馏塔器内件形式选择对比_李成科.pdf

第 3 期收稿日期:20220801作者简介:李成科，工程师，本科学历，现从事煤制乙二醇相关研究工作。煤制乙二醇装置精馏塔器内件形式选择对比李成科，吴浩，赵强(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林719000)摘要:乙二醇作为基础化工原料，在聚酯纤维及防冻剂领域应用广泛。聚酯级乙二醇作为乙二醇的精制品，在聚酯纤维生产中占据核心地位，采用合理的乙二醇精馏技术从粗乙二醇中提取聚酯级乙二醇尤为重要。通过对填料塔和板式塔介绍，选择科学的塔设备组合对于煤制乙二醇精馏工段起着重要意义。关键词:煤制乙二醇;精馏;填料塔;板式塔中图分类号:TQ221211文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03019703Selection and Comparison of Inner Parts of Distillation Tower inCoaltoEthylene Glycol UnitsLi Chengke，Wu Hao，Zhao Qiang(Shaan Coal Group Yulin Chemical Co，Ltd，Yulin719000，China)Abstract:As a basic chemical raw material，ethylene glycol is widely used in the fields of polyester fiber and antifreezeAs arefined product of ethylene glycol，polyester grade ethylene glycol occupies a core position in the production of polyester fibersIt isparticularly important to extract polyester grade ethylene glycol from crude ethylene glycol using a reasonable ethylene glycolrectification technology Through the introduction of packed tower and tray tower，the selection of scientific tower equipmentcombination plays an important role in the coaltoethylene glycol rectification sectionKey words:coaltoethylene glycol;rectification;packed column;tray column基于我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，煤炭对保障国家能源安全具有极其重要的战略地位。陕西省榆林市因煤炭资源丰富，煤化工行业发展迅猛，选用的煤化工技术也处于国内先进水平。2021 年 9 月，习近平总书记在陕西榆林化工考察时强调，现代煤化工是推进煤炭转型升级的重要方向，要立足国情，以高端化、低碳化为目标，提高煤炭的综合利用效能。煤制乙二醇作为煤化工四大产业之一，在国民的日常生活中占据重要地位。乙二醇的精制品聚酯级乙二醇，仅依靠单一的塔设备难以完成精馏工段操作，需合理化使用塔设备，才能有效提高乙二醇精馏效率，实现产品增产和能耗降低等目标。塔设备作为化工生产中的核心，根据其内件形式不同分为填料塔和板式塔1。通常情况下，板式塔存在分离效率低，负荷小等问题，但其结构简单、易放大且价格较低等优点，使其一直处于领先地位。然而全球能源危机的出现，为了使能源利用最大化，减少化工原料损失，促使填料塔技术取得了极大的进步，进入了一个全新时期，改变了板式塔为主导的局面2。陕煤集团榆林化学有限责任公司(简称榆林化学)作为全球在建最大煤化工企业，汇集了煤化工先进技术。该公司采用合成气技术，先将 CO 与亚硝酸甲酯(MN)反应生成草酸二甲酯(DMO)，再将 DMO 与新鲜氢气反应生成乙二醇。正常运行后，单系列乙二醇生产规模达 60 万 t/a，三套系列全部运行后生产规模可达 180 万 t/a，成为全球在建最大的煤制乙二醇装置。为保证聚酯级乙二醇产品品质及生产效率，避免塔设备因机械故障带来的损失，本文通过介绍板式塔与填料塔的工作状态及分类，根据榆林化学煤制乙二醇自身工艺特点及塔内件的发展状况，合理化使用塔设备，保证其生产正常进行。1填料塔和板式塔介绍及分类11填料塔介绍图 1 为填料塔的结构示意图，运行过程中，气体以自下而上的方式进入填料层空隙，液体以自上而下的方式进入填料层表面，二者流动过程中形成接触面，以此进行传输。为保证填料塔的传质效率，液体通过液体分布器使塔内液体分布均匀，气液在塔内更好接触，发挥填料塔的最大生产能力。塔壳体;液体分布器;填料压板;填料;液体再分布装置;填料支承板图 1填料塔的结构示意图3 12填料塔分类填料塔主要由填料、塔内件及塔体等三部分组成。其中塔体为填料装填提供场所，塔内件用于固定填料，而填料则是为气液两相提供能量交换场所4。填料作为填料塔的核心部件，主要分为散装填料和规整填料两种，本文主要对以上两种填料进行介绍，具体见表 1。791李成科，等:煤制乙二醇装置精馏塔器内件形式选择对比DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.048山东化工表 1填料塔介绍类型特点散堆填料拉西环结构简单、易于生产、造价低，但气液分布差，传质效率低，持液量大，气体通过填料层的阻力大，通量小鲍尔环气体流动阻力较低，液体分布比较均匀，传质效率相比拉西环增加 30%，但价格较拉西环高阶梯环机械强度高，传质效率比鲍尔环高弧鞍表面利用率高，流动阻力小，但填料间容易叠合，传质效率降低，强度差矩鞍环不易叠合，液体分布均匀规整填料波纹填料结构紧凑，具有大的比表面积，传质效率较高，但不适用黏度大的物料，造价较高格栅填料抗堵能力强，板片利用率高，但比表面积低，用于要求压降小、负荷大及防堵等场合脉冲填料处理量大，压降小，适用于真空精馏，但适用于大塔径的场合13板式塔介绍图 2 为板式塔的结构示意图。图 2板式塔的结构示意图板式塔运行过程中，塔内液相在重力作用下从塔顶沿着塔板流向塔底，在塔板表面形成液层;塔内气相在压力差作用下从塔底向上穿过塔板表面的液层流向塔顶，进而使得气液两相组成沿塔高呈阶梯式变化。14板式塔分类塔板作为板式塔的主要构件，按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流式、逆流式及并流式5。错流式塔板有降液管，塔板上的气液两相为逆流流动，广泛应用于精馏操作中，本文主要对应用较成功的错流式塔板进行介绍，具体见表 2。表 2错流式塔板介绍类型优点缺点泡罩型塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易漏液，塔板不易堵结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大筛孔塔板结构简单，成本低，生产能力及板效率比泡罩塔高操作弹性小，筛孔容易堵塞浮阀塔板生产能力大(比泡罩型塔板大 20%，与筛孔塔板相当)，操作弹性大，塔板效率高，结构简单，成本低浮阀的阀片易脱落，维修成本高，塔板压降较大喷射型塔板气液接触充分，效率高，低板压降，抗堵塞能力强操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄2填料塔在乙二醇精馏中的应用21乙二醇精馏系统图 3 为乙二醇精馏系统流程图，该系统主要由甲醇回收塔、脱水塔、脱醇塔、乙二醇产品塔、乙二醇回收塔及乙二醇浓缩塔组成。甲醇回收塔主要回收加氢粗醇产品中的甲醇，侧采出精甲醇;脱水塔主要分离粗醇产品中的水分和部分低沸点一元醇类;脱醇塔主要分离粗醇产品中的二元醇类及酯类等轻质二元醇;乙二醇浓缩塔主要回收轻质二元醇中的乙二醇;乙二醇产品塔主要获得聚酯级乙二醇产品;乙二醇回收塔主要回收工业级乙二醇和塔釜采出重馏分。图 3乙二醇精馏系统流程图22填料塔的精馏压力及工艺流程精馏压力:乙二醇属于热敏性物料，温度过高时分子间发生自聚，易形成重质二元醇，影响产品品质。结合乙二醇理化性质及经济合理性，精馏乙二醇时通常选择负压操作，而乙二醇精馏塔的操作压力主要由塔顶和塔底温度决定，应根据实际情况再确定操作压力。本公司控制甲醇回收塔、脱水塔、脱醇塔、乙二醇产品塔、乙二醇回收塔及乙二醇浓缩塔塔顶和塔底温差分别为 972，1044，13，10，23 和 33。工艺流程:来自乙二醇合成工段的粗甲醇与粗乙二醇分别进入甲醇回收塔不同位置，经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回甲醇回收塔塔顶作为回流，少量与脱水塔顶采一起送至乙醇分离系统;在脱水塔中，来自甲醇回收塔891SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷第 3 期的粗乙二醇经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回脱水塔作为回流，少量与来自甲醇回收塔塔顶采出的产品混合后送至乙醇分离系统;在脱醇塔中，来自脱水塔的粗乙二醇经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回脱醇塔作为回流，少量的采出送至乙二醇浓缩塔;在乙二醇浓缩塔中，来自脱醇塔塔顶采出的混合醇酯经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回乙二醇浓缩塔塔顶作为回流，其余作为塔顶混合醇酯产品采出送往成品罐区，乙二醇浓缩塔塔釜物料送至液相加氢工段;在乙二醇产品塔中，来自脱醇塔塔釜的粗乙二醇经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回乙二醇产品塔塔顶作为回流，其余塔顶产品(工业级乙二醇)与来自乙二醇回收塔的塔顶采出混合后送至液相加氢工段。乙二醇产品塔侧线采出聚酯级乙二醇产品送至聚酯级乙二醇产品中间罐或乙二醇提纯单元;在乙二醇回收塔中，来自乙二醇产品塔塔釜的物料经再沸器加热后，塔顶气相冷凝形成的冷凝液大部分返回乙二醇产品塔塔顶作为回流，其余作为塔顶产品与乙二醇产品塔共同采出。23填料塔的进料状态及加热方式进料状态:填料塔进料可存在多种状态，包括气液两相、饱和液体、过冷液体、饱和蒸汽及过热蒸汽6。在乙二醇精馏过程中，甲醇和乙二醇进入填料塔内的状态由前一工段决定，即粗甲醇和粗乙二醇。该状态处于过冷液体，可在进料前进行预热，形成饱和液体状态，既可以提高精馏效率又能更好地控制工艺操作。加热方式:本装置填料塔加热方式为间接加热，甲醇回收塔、脱水塔、脱醇塔、乙二醇产品塔、乙二醇回收塔及乙二醇浓缩塔等各塔釜均存在塔釜再沸器，由 S3S 提供热源。甲醇回收塔中部再沸器由脱醇塔和乙二醇产品塔塔顶废锅产生的副产蒸汽作为加热剂。为防止加热蒸汽产生的冷凝水与物料混合，在塔釜再沸器中引出冷凝液，实现节能降耗。3组合塔在 DMO 精馏中的应用31DMO 精馏系统本装置分为 DMO 精馏和甲醇回收两个系统。其中，DMO精馏系统主要由 DMO 脱轻塔和 DMC 分离塔组成，该系统主要任务是除去 DMO 合成装置来的粗 DMO 中含有的 DMC、甲醇、MN、MF、ML 等低沸点组分，以此获得合格的 DMO 供乙二醇合成使用，同时副产粗 DMC 和重组分;甲醇回收系统要由常压甲醇脱水塔和高压甲醇脱水塔组成，该系统的任务是通过甲醇脱水塔分离 DMO 合成工段硝酸还原反应器排出的含醇废水，分离得到的废水去废水处理，得到的粗甲醇通过 MF 分离塔进一步分离出甲醇及 MF 组分，MF 组分去废气焚烧，甲醇返回 DMO合成工段回收利用，工艺流程如图 4 所示。由于 DMO 精馏系统中的塔均为填料塔，故在此不做介绍，只介绍含有塔板与填料相组合的甲醇回收系统。T001 常压甲醇脱水塔;E001 常压塔冷凝器;E002 常压塔再沸器;V001 常压塔回流罐;P001 常压塔回流泵;P002 常压塔釜泵;T002 高压甲醇脱水塔;E003 高压塔冷凝器;E004 高压甲醇冷却器;E005 高压塔再沸器;V002 高压塔回流罐;P003 高压塔回流泵;P004 废水输送泵图 4甲醇回收系统工艺流程图32组合塔的精馏压力及工艺流程精馏压力:甲醇属于非热敏性物料，可采取常压、减压及加压等多种精馏方式。应根据实际情况，结合技术可行性后确定最终的精馏方式，本公司根据自身工艺特点以及含醇废水中