规整填料的好处－－催化分馏塔塔盘改填料技术应用

规整填料的好处－－催化分馏塔塔盘改填料技术应用
　　催化装置分馏塔塔盘改造为填料后，可降低分馏塔的压降，从而提高气压机入口压力或降低主风机出口压力，降低装置能耗。同时，在分馏塔塔高、塔径不变的情况下提高了分馏塔的处理能力和分离精度。规整填料的好处－－催化分馏塔塔盘改填料技术应用

关键词：催化　分馏塔　塔盘　填料

 　　1.前言 催化装置分馏塔内部构件通常采用挡板和塔盘结合的方式。设置的挡板的作用是利用油浆与反应油气接触洗涤油气中夹带的催化剂颗粒，脱除反应油气的过热回收热量，同时冷凝油气中的油浆组分。因此，分馏塔底部的挡板是油气与油浆进行接触传质传热的场所，有环形挡板和人字挡板等形式。塔盘通常采用斜孔塔盘，具有压降低和不易堵塞的特点，同时分馏塔需要分离的汽油、柴油、回炼油组分之间恩氏蒸馏50％点相差较大（相对挥发度相差大），斜孔塔盘的分离效果能够满足产品分离要求。 
         塔器按其结构可分为板式塔和填料塔。板式塔具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等，其流体力学和传质模型研究比较成熟，在70年代以前塔板的开发研究处于**地位。但在近20年来由于性能优良的新型填料相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。规整填料作为低压降下具有高传质效率的装置倍受青睐。与板式塔相比，新型填料塔具有生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。但也有一些不足，如：造价高；对需安装中间再沸器或多侧线出料等复杂精馏塔不太适合。应用于高压精馏，由于轴向返混大而导致效率低，需特殊设计填料塔。
        （1）在石油炼制领域，规整填料成功应用于原油常压蒸馏、减压蒸馏塔，催化吸收－稳定系统吸收塔、解吸塔、稳定塔等。催化装置分馏塔为带有侧线抽出和中段回流取热的复杂精馏塔，国内应用填料改造的实例不多。国外FCC分馏塔的工业化应用规整填料始于1983年，液体分配器设计进一步改进后，使改造方案更臻完善和成熟。
        （2） 从国内外催化装置分馏塔改造为填料塔的应用实际情况表明，催化分馏塔改造为填料塔后，在提高装置处理能力、节能降耗、提高分离精度方面发挥了积极作用。但也存在一些问题需要在改造过程中予以关注。
         2.催化装置分馏塔改造为填料塔的工业应用情况  2.1降低装置能耗为主要目的的改造应用  FCC装置分馏塔采用规整填料可大大改善催化装置的压力分布。主分馏塔典型的压力降约为34.3kPa，而填料塔仅为6.9kPa，利用27.3kPa的压降可解决气压机或主风机的卡脖子问题。采用填料式分馏塔使反应器出口至气压机的压力降减少，其效益是：提高气压机吸入压力，解决气压机能力瓶颈问题，和（或）减少气压机所需功率；降低主风机排出压力，解决主风机能力瓶颈问题。此外，可改进分馏塔的热回收方案，提高分馏塔内的热回收，减少塔顶系统负荷，减少该系统的压降，带来附加效益，包括简化塔顶系统。
         （2、3） 2.1.1降低气压机能耗 FCC装置气压机用于压缩反应生成的富气，同时利用吸入的气体控制反应压力。反应压力与气压机入口之间的压力主要为分馏塔塔盘压降和分馏塔顶油气冷凝冷却系统压降。气压机的功率与气压机入口气体量或压比（出口压力/入口压力）基本成线性关系。在表1中（实例1），反应压力不变，分馏塔改填料塔后气压机入口压力上升，气压机的压比下降，气压机入口吸入流量（体积）能够增加；入口压力的提高后入口气体密度增加，进而提高气压机的质量流量。分馏塔改造为填料塔后实现了气压机功率增加不多（11.4％），而装置处理能力增加较多的目的（22.5％），这对因气压机负荷不足限制加工能力的装置尤其具有实际意义。 表1某FCC改造前后数据对比（2） 
           项目改造前改造后改变幅度 进气量的上限/103m3.h-151.768.9增加33.3％吸入压力/kPa82.0114.4提高39.5％ 排出压力/kPa1537.31537.3/气压机功率/MW5.355.96增加11.4％ 分馏塔压降/kPa39.39.6降低75.6％装置能力/m3.d-11272015104提高22.5％ 2.1.2降低主风机能耗 FCC装置反应器压力与再生器压力是相匹配的，当一方压力上升或下降，另一方也必须同步变化，否则无法保持反再压力平衡。在表2（实例2）中，分馏塔改填料塔后气压机入口压力维持不变，因分馏塔压降降低，故反应压力可以降低；同步降低了再生器压力也就是降低了供风的主风机出口压力。主风机出口压力降低后，其供风量可提高，实现提高再生器烧焦能力增加处理量的目的。对于装置能力受主风机负荷限制的装置（主风流量为瓶颈），分馏塔改造填料塔也是增加装置处理能力的有效途径。 表2某FCC改造前后数据对比
       （2） 项目改造前改造后对比效果 气压机吸入压力/kPa68.968.9/分馏塔顶压力/kPa96.596.5/ 分馏塔底压力/kPa131.0103.4（塔盘压降减少27.5kPa）反应压力/kPa151.7124.1/ 再生压力/kPa137.9110.3/主风机出口压力/kPa220.6193.1（主风量可以提高14％） 2.1.3优化分馏系统的能量利用，降低塔顶冷凝冷却负荷 分馏塔顶冷凝冷却系统需将塔顶出来气相中的汽油、液态烃、干气、水蒸气进行冷凝冷却。塔顶油气冷凝冷却系统的压降降低后同样能够提高气压机入口压力。分馏塔改填料塔后增加重汽油循环回流和抽出侧线，使原来从塔顶出来的汽油组分气相中的一部分气体在分馏塔上部冷凝后抽出，降低进入塔顶冷凝冷却系统的气体流量，降低此系统压降，实例3说明这一点。其中气压机入口压力的提高是由分馏塔压降降低和分馏塔顶油气冷凝冷却系统压降降低共同贡献的。 实例3：某FCC用规整填料改造后，在分馏塔顶增加一条（重）粗汽油回流线。（增加重粗汽油抽出流程）使塔顶冷凝器热负荷减少22.4MJ/h，并使气压机入口压力提高14.5kPa，入口体积流量减少20％，功率下降10％。
     （3）  分馏塔设置的重汽油抽出循环取热的抽出温度高于塔顶油气温度，这样使得冷却重汽油回收热量的温位较冷却塔顶油气回收热量的温位提高。据介绍：FCC主分馏塔经过优化可回收更多的能量。优化后塔内气液相负荷将增加,这就需要用高效填料或大处理量的塔盘。原板式分馏塔改造为填料塔后，分馏塔从下到上有5个侧线抽出回流，分别为油浆、二中段（重循环油）循环回流、一中段（轻循环油）循环回流、重汽油循环回流、顶循环回流。重汽油抽出位置在重汽油循环回流返塔口之上，这样有利于提高重汽油抽出温度，提高能量利用的温位。改造前分馏塔为板式塔，重汽油抽出位置与重汽油循环回流抽出口同一层塔盘
      （4）文献5中也介绍了分馏塔板式塔改填料塔后抽出重汽油这一改造优化能量利用的方法。应当指出的是，分馏塔抽出重汽油并非只有在填料塔上可以实施，对于板式塔设计重汽油抽出流程，需要增加塔盘数、换高效塔盘以提高上部塔的分离精度。而选用填料改造则是提高上部塔分离效果的一种优选方案。分馏塔用规整填料代替塔盘的改造设计应考虑包括液体分配器在内的全部内构件的优化利用，经验证明用填料代替塔盘能保证汽油柴油分割质量，并且还能降低全塔的压力降，解决主风机或气压机的瓶颈问题（降低主风机或气压机能耗），优化分馏塔的能量利用。 2.2提高装置加工负荷为主要目的的改造应用  2.2.1处理量由5万吨/年提高为15万吨/年改造
      （6） 吉林省农安炼油厂5万吨/年常压蒸馏－渣油催化裂化联合装置改造扩建为15万吨/年装置改造，由大庆石油化工设计院设计，将板式分馏塔改造为规整填料不但实现处理能力翻番，而且分离效率提高。 原分馏塔共28层塔板，上段直径1.2米，顶循环段以下各段直径均为1.6米。考虑中段回流以下和回炼油段的塔板，在高温下长期运行易发生结垢堵塞，仍采用固舌塔板。全塔有三段填料，顶循环段为3.0米125X填料；轻柴油段为3.8米250Y填料；中段回流段为0.8米250Y和0.8米125Y填料。中段回流以下为8块塔盘。设计高弹性槽式多级液体分布器。改造后装置于1991年9月开始运行，分馏塔压降为9kPa，比板式塔压降减少9kPa。实践证明规整填料分馏塔具有处理能力大、操作弹性大、分离精度高、压力降大、分离效率高、能耗低等优点。 2.2.2处理量由2.0Mt吨/年提高为2.8Mt/年改造
       （7） 大连西太平洋石油化工有限公司（WEPEC）2.0Mt/a重油催化裂化装置，装置主分馏塔塔盘采用30层筛孔和6层人字挡板。根据装置扩能至2.8Mt/a的需要，分馏塔采用格利奇高效分离技术改造。在原塔高和塔径不变的情况下，将1～17层（从上至下）和脱过热段更换为5段填料。 根据改造前对分馏塔进行的极限负荷试验表明：塔顶循环回流段、汽油－轻柴油分离段、一中循环段气相负荷偏高，传质、传热面积明显不足。一中以下塔盘的气相负荷较为正常，一中以下塔盘的传质、传热面积能够满足改造前操作的要求。改造的要求为：塔高、塔径不变；各抽出口位置不变；设置重汽油抽出系统，重汽油是否抽出均能正常操作；回炼油不抽出时，全塔能正常操作；全塔压降不大于20kPa。
          改造的内容如下： 
       （1）轻柴油段和一中循环段填料上部为槽盘式分配器；顶循环段和塔底脱过热段填料上部采用窄槽式分配器；重汽油上部为窄槽集油箱式分配器，集重汽油分配器和顶循环集油箱功能于一体。重汽油从重汽油段下部槽盘式分配器一侧抽出，抽出斗为弓型槽。 
       （2）顶循环段原为4层筛孔塔盘，改为240mm格利奇格栅（目的是防止塔顶温度降低后出现的结盐和腐蚀问题）和1560mmGEMPAK填料以及重汽油分离段采用的1980mmGEMPAK填料。轻柴油段原为9层筛孔塔盘，改为2860mmGEMPAK填料。一中循环段原为4层筛孔塔盘，改为1800mmGEMPAK填料。 
       （3）轻柴油抽出层塔盘更换为格利奇塔盘，固定件利旧。重柴油段的6层筛孔塔盘、二中循环段的4层筛孔塔盘和回炼油段的3层筛孔塔盘分别改造为格利奇塔盘。 
       （4）为了防止结焦、降低压降和提供足够的换热面积，将原脱过热段上部4层人字挡板更换为1320mm格利奇格栅。其余2层人字挡板保留。 改造后分馏塔负荷能够满足装置2.8Mt/年加工量的要求。分馏塔压降由原来2.5Mt/a加工量35kPa降低为2.9Mt/a加工量12.1kPa。改造后分馏塔能够在60％负荷下运行，汽油、柴油脱空。 改造后存在顶循环回流泵抽空问题，必须向入口补充粗汽油。分析为顶回流抽出集油箱为常规集油箱和分布器的结合体，集油箱抽出板为52块分布板拼装而成，分布板之间没有密封件，其缝隙将漏液。加上抽出槽底部有378个Φ4小孔，总漏量大于顶循环的内回流量，出现顶循环油泵抽空问题。由于不能建立正常液位，使分布器起不到应有的作用，严重影响重汽油精馏段的分离效率，导致重汽油馏程大不到设计要求，汽油、轻柴油的馏分有较大的重叠。尽管装置可以**运行，但对装置的加工负荷、重汽油精馏段的分离**度、塔顶油气的冷却负荷、操作的平稳率有较大的影响。需停工后对窄槽式分配器进行改造。 
         2.2.3北海石油化工厂采用塔板/填料混合形式改造分馏塔 北海石油化工厂催化裂化装置处理量由0.15Mt/年提高为0.34Mt/年，分馏塔一直使用板式塔。存在塔中上部汽液负荷过高问题，汽、柴油分割不清，操作难度大。采用塔板/填料混合形式改造分馏塔：原底部9层人字挡板保留；底部1～3层固舌塔盘开孔率由17.8％提高为20％；中部8～11层采用JF角形双动条阀；中部12～28层改为JP型金属孔板波纹填料。其中顶循环出入口之间1750mm空间为JP－1A，顶循环顶循环抽出和富吸收油返塔之间1920mm空间为JP－4A，富吸收油与柴油抽出800mm空间为JP－4A，中段循环出入口之间1500mm空间为JP－1B。采用锥形筛板汽液分布器。改造后FCC处理能力提高为0.36Mt/年，分馏塔产品分离**度提高，操作难度减小。
        （8） 2.3分馏塔底脱过热段档板改造为规整填料问题 据介绍，分馏塔底脱过热段采用规整填料，很少产生结焦问题。Valero炼油厂采用Koch Flexi-grid Ⅱ型410不锈钢规整填料；太阳公司（Refining and Marketing Inc）使用Glish Grid（格利奇格栅）规整填料；Lummus Grest公司也将几座分馏塔中档板用规整填料取代，没有发现堵塞问题；Cenex炼油厂也安装了Koch Flexi-grid规整填料，其运转温度为370℃。这些将分馏塔底油浆与反应油气接触的档板系统改造为格栅（grid）系统的装置均没有出现塔底和油浆系统结焦问题。要安装规整填料，必须要确保有一定的流量的流体流过填料。
         （9）能够引起油浆系统结焦因素较多，但上述例子可以证明将塔底档板改造为规整填料后应当不会引起结焦和出现填料堵塞问题，说明分馏塔底脱过热段采用格栅填料是可行的.。2.4.分馏塔改造为填料塔出现的问题  Lyondell 石化公司 Houston炼油厂FCCU原板式分馏塔的处理量为12561m3/d，希望能提高到14628 m3/d。反再系统受压力平衡限制，不能提高催化剂循环量和转化率。另外再生器更换的新式栅板分布器压降较高，为不影响主风机的处理量，也希望降低分馏塔的压降。改造为填料塔，初次改造采用一种组合式液体收集器/再分布器，目的是尽可能增加填料的高度。改造后出现汽油干点超高情况，并且汽油干点不随分馏塔回流量的提高或装置进料量的降低而变化。塔无法正常运转的主要原因是出现液体分布差、气体分布差以及存在液泛现象。初次改造使用的组合顶循环液体收集器/再分布器在大直径分馏塔上没有成功应用过，整个塔的液体分布严重不均，并且在收集器塔盘上仅有少量液体再混合。因分布不均引起的组分浓度梯度在塔的较低部位也没能改善。组合收集器/再分布器有一个宽槽，上面不开孔，使下面的大部分填料没有液体的初次分布。 Glitsch公司对次分馏塔成功进行**次改造。液体收集器和分配器是各自分开的，分布器带有一个分离箱。带有多个分离箱的分布器应避免在高液体流率、直径很大的分馏塔中使用。分布器上的槽和分离箱的水平位置应保证相差不大于0.3cm。否则会引起分布不均。携带气体和具有水平速度是液体分布差的主要原因，因此分离箱应设立一些平稳区以减少上述因素的影响。分离箱还需要有一定高度。对于大直径、高液体流率分馏塔，应十分重视分布器的设计，填料性能的发挥直接受其支配。所有此类分馏塔改造失败的原因是由于液体收集器和再分布器系统设计不过关。
      （10） 大连西太平洋石油化工有限公司（WEPEC）2.0Mt/a重油催化裂化装置改造后填料塔也存在顶回流抽出集油箱设计不当导致顶回流泵抽空的问题。 上述两个实例也说明了一个问题：采用填料改造中液体的收集和分配是影响改造成功与否的重要因素。文献中提到，有些催化裂化装置的分馏塔改用规整填料后所出现的问题，主要是液体分布器设计**所致。例如，有的分馏塔只对液体分布器只进行简单修改，规整填料的等板高度便从1320mm减至610mm，可见规整填料的高分馏效率是很明显的，液体分布器的设计也是至关重要的。
      （10） 在板式塔内，气体或液体每经过一层实际塔盘都得到近乎完全的混合。，因此液体在塔盘上的沟流或气体在塔盘上的分布不均都只影响一层塔盘的效率，但在填料塔内不同。每种填料有它自身的液体分部能力，如初分布均匀度比自身均匀度差，要靠增加填料高度来补偿是困难的，因为恢复自身均匀度的速度慢，有可能不能补偿已经形成的浓度差。因此，液体分布器是填料塔的重要组成部分。另外对于板式塔，进料气体分布不均匀对分馏效率影响较小，因为塔盘的压力降较大，气体经过一层塔盘后就基本分布均匀了。在塔盘改为填料后，往往进料段上方**个床层的压降只有进料动能造成的压降的1/3。分布不均的气体穿过填料床，大大降低填料床分离效率。
      （12） 3 结语 催化装置分馏塔改造为填料塔，既可以对部分塔盘改造，也可以全塔均采用规整填料（包括塔底档板系统）。能够实现降低分馏塔压降，降低气压机或主风机能耗，提高装置处理能力，优化分馏塔的能量利用等种种好处。但同时也也应注意，塔进料分布器、液体收集器和分配器设计优良是规整填料改造成功与否的关键（尤其对大直径塔器）。规整填料的好处－－催化分馏塔塔盘改填料技术应用