减压塔空塔喷淋技术与应用_于福东.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023减压塔空塔喷淋技术与应用于福东1,王辰涯2,李和杰2,杜 翔2(1 中国石化青岛石油化工有限责任公司,山东 青岛 266043;2 中石化广州工程有限公司,广东 广州 510620)摘 要:论述了减压拔出率的影响因素和提高减压拔出率的技术措施,包括模拟方法改进与工艺参数优化、高效低压降填料和塔内件、空塔喷淋传热技术,通过改造实例说明了空塔喷淋传热技术设计方案和实施效果。在减压塔顶循段采用双层实心锥喷淋代替原填料和内件,可以显著降低减压塔压降,显著提高减压塔拔出率,减压塔顶绝压由1.9 2.2 kPa 降低到1.3 1.5 kPa,减压渣油 500 馏出量平均值由 5.1 mL 降低到 4.06 mL。关键词:减压塔;减压拔出率;空塔喷淋换热;喷嘴中图分类号:TE624 文献标志码:B文章编号:1001-9677(2023)02-0200-04 第一作者:于福东(1974-),男,研究方向为石油化工。Application of Direct-contact Heat Transfer in Vacuum Distillation TowerYU Fu-dong1,WANG Chen-ya2,LI He-jie2,DU Xiang2(1 SINOPEC Qingdao Petrochemical Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266043;2 SINOPEC Guangzhou Engineering Co.,Ltd.,Guangdong Guangzhou 510620,China)Abstract:Main factors of cut yield in vacuum distillation tower(VDT)and technical approaches were reviewed toimprove cut yield,including an improved simulation method and mass transfer correlations,high efficiency packing andinternals and direct-contact(spray)heat transfer technology.In a VDT revamp project,spray nozzles was used to replacestructured packing and internals in top heat exchange section of VDT,result showed that lower pressure drop andsignificant increased in vacuum cut yield,pressure at top of VDT decreased from 1.9 2.2 kPa to 1.4 1.55 kPa,fraction lower than 500 in vacuum residue decreased from 5.1 mL to 4.6 mL.Key words:vacuum distillation tower;vacuum cut yield;direct-contact heat transfer;spray nozzles常减压蒸馏装置是重要的石油一次加工过程,减压塔拔出率对于全厂产品方案和经济效益起着重要的作用,也是衡量减压塔操作的主要技术指标之一。国内外学者和工程技术人员针对提高减压拔出率进行了大量研究开发工作,形成了专门的减压深拔技术。1 减压拔出率影响因素1-4从气液平衡角度,影响减压拔出率的主要工艺参数是减压塔进料温度和闪蒸段油气分压。此外,工程设计还需要考虑的因素或技术措施包括:(1)原料性质;(2)减压蜡油和减压渣油的质量要求;(3)减压炉性能;(4)转油线流速、压降和温降;(5)洗涤段结焦倾向和洗涤油流量(过气化率);(6)塔底汽提蒸汽量;(7)减压塔填料和内件;(8)塔顶抽真空系统。原料性质以及减压蜡油和减压渣油的质量要求与全厂总流程相关,决定了减压深拔的需求和必要性。与拔出率相关原料性质包括原料组成、结焦倾向、硫含量、重金属含量等。减压蜡油的主要加工路线是催化裂化、加氢裂化,渣油的加工路线包括延迟焦化、渣油加氢和溶剂脱沥青等。后续装置对原料的不同要求,决定了减压拔出率。低硫、低金属含量的石蜡基原油,当后续装置为重油催化裂化,减渣与蜡油可以混和进入催化裂化装置,无需追求高拔出率。如果减压蜡油采用加氢裂化路线,则减渣需满足催化裂化进料要求,减压拔出率根据减渣质量要求确定。对于高硫、金属含量高的原油,减渣通常采用延迟焦化路线,蜡油采用催化裂化或加氢裂化路线,提高拔出率减少渣油量进而减少附加值低的焦碳量,有利于提高经济效益。减压塔侧线产品都需要在闪蒸段气化,影响气化率或拔出率的工艺条件是减压塔进料温度和闪蒸段油气分压,提高气化率需要提高进料温度和降低闪蒸段油气分压。具体来讲,提高减压炉出口温度、减小转油线温降可提高减压塔进料温度;提高塔顶真空度、减少塔填料和内件压降、增加塔底蒸汽量有利于降低油气分压。另外,汽提蒸汽量和洗涤油气量不仅影响减渣和蜡油质量,也影响塔内气相负荷,相当于影响减压塔压降。对于特定常压渣油,闪蒸段温度及油气分压不同范围对气化率有所差别1,3。庄肃青等研究了科威特常压渣油闪蒸温度、压力和气化率的规律,一定压力下、温度小于 400 时,1 温升气化率增加 0.35%,温度高于 400 时每度温升气化率增加 0.3%;相同温度条件下,当压力小于 2.66 kPa,压力降低0.13 kPa,气化率增加 0.5%0.7%,压力高于范围 2.66 第 51 卷第 2 期于福东,等:减压塔空塔喷淋技术与应用201 4.0 kPa 时,气化率增加 0.4%0.6%,压力高于 4.0 kPa 时,气化率增加 0.35%0.456%,其他原油也呈现相似规律。工程设计中应选择适宜温度和压力,提高闪蒸段气化率效果最佳、能耗最低。对于工业装置,上述影响因素均受到设备能力和工艺关联过程等客观条件制约。例如,加热炉出口温度、转油线温降决定闪蒸段温度,炉出口温度过高会造成炉管结焦。抽真空能力和塔内件压降等设备性能决定了闪蒸段压力,压力过低使减压塔直径增加、投资相应增加。汽提蒸汽量可以降低油气分压,但同时增加了气相负荷和污水处理量,而且汽提蒸汽量过大(1%)会导致分离效率降低。2 提高减压拔出率的技术措施近年采用了一些新的技术和工艺以提高拔出率,例如优化减压炉和转油线设计,提高闪蒸段温度1-2;提高塔顶抽真空能力(蒸汽抽真空与机械抽真空组合),相应增加闪蒸段的真空度;过气化油循环返回加热炉,改善减压炉进料物性1,5;优化汽提蒸汽量6,降低闪蒸段油气分压,提高分离段效率等。此外,工程界开发了很多通过改进减压塔填料和内件增加闪蒸段真空度提高拔出率的技术,例如减压塔进料分布器7;洗涤段脱雾沫夹带、洗涤段液体分布器;空塔喷淋传热技术等8-9。减压塔改造项目中,根据原料和产品方案变化进行流程模拟、塔内水力学计算优化工艺参数、确定改造方案。如果保持加热炉和塔顶抽真空不动,提高拔出率的主要技术措施包括更换高效低压降填料和塔内件、采用空塔喷淋传热技术等。2.1 模拟方法改进与工艺参数优化常用分馏塔模拟方法以 MESH 方程为基础进行计算,塔内压力根据工程经验估算,作为模拟初始输入条件。模拟计算时各理论板压力不变,作为已知条件计算各塔板温度、流量、组成等数据。对于常压塔和加压塔等工艺过程,采用上述方法可以得到满意的结果。减压蒸馏是压力敏感过程,塔内压降与填料类型、塔内件以及水力学参数相关,而压力的变化对气化率、气液平衡和两相物性产生显著影响,如果仍采用设定初始压力分布的方法进行计算,会造成较大偏差。杜翔等10提出的减压塔模拟的改进计算方法,将填料和内件的压降与塔内流体流动状况关联,塔内各理论级压力作为一组变量参与迭代计算,可以显著提高减压塔计算的准确性。改造项目需要确定各塔段压降、气液相负荷和水力学参数,进而确定改造方案,因此尤其需要采用上述方法。常规洗涤段的过气化油并入减压渣油送至下游装置,SHELL 减压深拔技术将过气化油返回到减压炉前作为减压进料,该流程具有以下几个优点1,11:(1)减压进料密度和粘度降低,改善了减压进料性质,降低了减压炉管结焦倾向;(2)过气化油温度高、轻组分含量高,并入减压进料提高了进料整体温度、进料变轻,在维持相同拔出率条件下,可以降低加热炉负荷和加热炉出口温度;(3)过气化油返回加热炉前,在相同加热炉出口温度下,可以适当提高过气化油量,避免洗涤段结焦,提高洗涤效果,提高侧线产品质量。洗涤段最小喷淋密度应大于 0.5 m3/(m2h)。2.2 高效低压降填料和塔内件常减压装置大多采用全填料减压塔,规整填料具有分离效率高、压降低的特点,在压降敏感的减压塔得到广泛的应用。Sulzer12在原 Mellapak 填料基础上,开发了 Mellapak Plus 填料,改变填料端面角度,使两盘填料之间过渡平滑,解决了填料之间通量减少的问题,比相同比表面积的填料允许通量增加 20%30%,压降减少约 10%30%,国内陆续开发了 Mellapak Plus相似填料类型。减压塔洗涤段温度高,洗涤油馏分重,而且闪蒸段气体可能夹带渣油组分(沥青质、胶质含量高)进入洗涤段,造成洗涤段结焦。洗涤段主要作用是换热,因此通常采用通量大、压降低、防堵塞的格栅填料。减压塔属于大直径、浅床层填料塔,不能依靠填料自身分配作用,因此进料分布器成为减压塔的关键内件。评价进料分布器优劣的技术指标包括:气相分布均匀度、雾沫夹带率、压降。表 1 列出几种常见进料分布器的性能,可以看出双切环流式、轴径向式和带格栅倾斜叶片式综合性能较好。表 1 几种常见进料分布器性能比较7,13-14Table 1 Performance comparison of several commonfeed distributors7,13-14进料分布器型式分布不均匀度雾沫夹带/%压降/Pa多孔直管式25.32740直管挡板式21.3843切向号角式1.97010单切向环流式0.52049双切向环流式0.370.115双列叶片式1.80.630带格栅倾斜叶片式0.330216轴径向式0.18 0.310.123 312.3 空塔喷淋传热技术减压塔空塔喷淋传热技术指减压塔仅在有分离要求的部分设置填料,其他无分离要求的换热段不设填料,喷淋液相与上升气相直接换热,全塔压降可减小到 1.33 kPa(10 mmHg)或更低,某些实测压降可以达到 0.8 kPa(6 mmHg),闪蒸段压力大幅降至 2.0 kPa(15 mmHg)以下,显著提高闪蒸段原料汽化率,是减压技术重大改进3,9。James R.Fair15总结了直接接触式冷却、冷凝设备(挡板塔、喷淋塔、填料塔、板式塔和管道喷雾)和 4 种冷却/冷凝类型(单纯气体冷却、冷剂蒸发的气体冷却、部分冷凝的气体冷却、全凝的气体冷却)的设计方法。具体到计算喷淋塔内部分冷凝的气体冷却过程,由 Souder-Brown 系数法计算最大允许气速,进而确定喷淋塔直径。采用传质类比方法估算体积传热系数,根据传热量计算气相入口到喷嘴传热空间高度。上述喷淋塔设计方法未考虑气相返混和雾沫夹带影响。Gerald Ferrazza 等16提出应根据喷嘴特性、喷嘴性能和流体性质进行喷嘴选择,建议采用实心喷嘴用于直接接触传热,分析了液滴粒径对传热速率的影响。白跃华等8研究了空塔喷淋过程喷嘴压力、喷淋高度、喷嘴排布等对喷射性能的影响,李凭力等9针对减压深拔技术对比了空塔喷淋传热与填料段传热,提出空塔喷淋传热的设计方法。该方法认为在试验条件下喷淋液体收集高度为 600 mm 时液体分布较好;通过