T08204塔的模拟研究与优化改造

李云辉，王 海，李治水*，沈桂明，石兰英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

T08204塔的模拟研究与优化改造

李云辉，王 海，李治水*，沈桂明，石兰英

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

丁辛醇产品作为重要的基础原料，在化工、涂料、食品和医药等领域有着广泛的应用。以天津渤化永利化工股份有限公司#1丁辛醇装置中T08204塔处理能力与分离效率的优化为研究目标，采用Aspen及KG-TOWER软件对T08204塔进行了流程模拟及水力学计算，并依据计算结果对塔内件进行了优化改造。结果表明，T08204塔的进料负荷由12 500,kg·h-1提升至13 700,kg·h-1；异丁醇与正丁醇的产品质量也达到了国际先进水平。

T08204塔 流程模拟 KG-Tower 塔板效率 液相返混

丁辛醇产品作为重要的基础原料，在化工、涂料、食品和医药等领域有着广泛的应用；[1]此外，正丁醇还有望替代汽油，为汽车提供动力能源。[2-3]近年来，随着石油化工、煤化工、精细化工及生物化工的迅猛发展，丁辛醇产业也得到了快速扩张。随着国内丁辛醇产能的高速增长，市场竞争激烈化程度也日益加剧。[4-5]丁辛醇产品的利润空间大幅缩水，众多丁辛醇生产企业为了抢占市场，维护自身效益，在力争降低成本的同时，也越来越注重提升丁辛醇产品的质量。

年产22.5 万t的#1丁辛醇项目作为天津渤化永利化工股份有限公司的支柱产业，是天津市第10批20项重大工业项目。该项目引进Davy公司的低压羰基合成技术，以丙烯、合成气等为原料，通过反应和精馏等单元操作生产丁辛醇。T08204塔是该套丁辛醇装置中分离异丁醇与正丁醇的关键设备，对异丁醇与正丁醇产品的产量和质量具有重要的影响。本文以#1丁辛醇装置中T08204塔为研究目标，采用Aspen及KG-TOWER软件对T08204塔的工艺流程及水力学参数进行了模拟计算，并根据模拟结果，结合现有塔内件参数，对当前的T08204塔的塔内件进行优化改造，显著提高了公司异丁醇与正丁醇产品的产量和质量。

1 丁醇单元工艺流程

Davy公司的丁辛醇工艺流程由羰基合成单元、丁醇单元和辛醇单元3个系统组成。在丁醇单元中，来自羰基合成单元的混合丁醛经气相加氢、精馏分离后，最终在T08204塔的塔顶与塔釜分别得到异丁醇与正丁醇产品。

因此，在丁辛醇工艺流程中，T08204的处理能力和分离效率直接决定了丁辛醇装置中异丁醇与正丁醇产品的产量和质量，其设计操作对整个丁辛醇装置的稳定运行也有着至关重要的作用。

2 现存问题分析及模拟计算

2.1 进料负荷问题分析

#1丁辛醇装置中的T08204塔为导向浮阀板式塔，塔径2,400,mm，装配有145层塔板，进料位置为第58层板(从上往下数)，当前进料负荷为12,500,kg·h-1，回流比为12.0时，塔顶异丁醇产品纯度可以达到99.5%,，塔底正丁醇产品纯度为99.7%,；进一步提高进料负荷，则产品质量迅速下降。

对于板式塔而言，影响其操作状况和分离效果的主要因素为物料性质、塔板结构及气液负荷。由于T08204塔的分离物系和塔板类型已确定，其操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内的气液负荷限制在塔板的负荷性能范围内。因此，我们研究了当进料负荷达到12,500,kg·h-1时，T08204塔的气液负荷是否在塔板的适宜操作范围内。图1为优化改造前T08204塔精馏段和提馏段两侧降液层的塔板负荷性能图。

根据计算，当进料负荷达到12,500,kg·h-1时，T08204塔精馏段的气相流量(Vs)为13,699.39,m3·h-1，液相流量(Ls)为58.19,m3·h-1；提馏段的气相流量为12,158.42,m3·h-1，液相流量为78.74,m3·h-1。

图1中坐标点Pr与Ps分别代表进料负荷达到12,500,kg·h-1时，精馏段(见图1a)和提馏段(见图1b)两侧降液层的操作点。由此可知，根据T08204塔的原有设计参数，当进料负荷达到12,500,kg·h-1时，T08204塔提馏段和精馏段两侧降液层的气液负荷在塔板的适宜操作范围内，操作点远离雾沫夹带线和漏液线。

此外，计算发现，根据T08204塔的原有设计参数，当进料负荷达到12,500,kg·h-1时，T08204塔提馏段和精馏段中间降液层的气液负荷也在塔板的适宜操作范围内(负荷性能图省略)，塔内不会发生严重的雾沫夹带和漏液现象。

2.2 T08204塔进料位置的核算

进料位置对于精馏塔的操作运行具有重要影响，适宜的进料位置可以保证在相同的塔板数与回流比下，达到最佳的分离效果；同时还有利于降低精馏塔能耗。由于T08204塔进料组成恒定，且已规定产品质量，因此根据T08204塔实际塔板数，利用Aspen Plus模拟考察了塔顶异丁醇产品质量、塔底正丁醇产品质量与进料位置的关系规律，结果如图2所示。

图2 T08204塔产品质量与进料位置的关系规律Fig.2 Variation of product purity as a function of feed-stage

由图2可以看出，当进料口位于第56～65层塔板(由上往下数)时，塔顶异丁醇产品和塔釜正丁醇产品的质量百分浓度均在99.80%,以上。因此，在实际运行中选择在第58层塔板进料是稳定可靠的，能够保证异丁醇和正丁醇产品的质量。

2.3 T08204塔塔板效率的核算

在模拟过程中，根据优化改造前的T08204塔的运行参数设置了进料条件、操作压力、回流比等，同时设定了51%,的塔板效率，计算结果如表1所示。

表1的计算结果表明，各物流的模拟结果与优化改造前的运行数据基本一致，由此可知，优化改造前的塔板效率为51%,。因此，需要通过对塔内件优化改造来提高塔板效率，从而提升产品质量。

表1 优化改造前T08204塔的流程模拟Tab.1 Simulation results of the T08204 column before optimization

2.4 受液盘自支梁设计分析

T08204塔的塔内件设计如图3a所示，板间距为305,mm，中间受液盘自支梁高度(Hb1)为84,mm，中间出口堰高(Hw1)为40,mm；两侧受液盘自支梁高度(Hb2)为79,mm，两侧出口堰高(Hw2)为30,mm；因此在接近塔盘的中间出口堰处，塔盘上可供液体流动的空间高度(Ho1)只有181,mm；在接近塔盘的两侧出口堰处，塔盘上可供液体流动的空间高度(Ho2)只有196,mm。另外，由于塔盘上液体流动方向与受液盘自支梁垂直，在塔盘的出口堰附近，气液传质的鼓泡层高度最高，受液盘自支梁会阻碍雾沫层，并妨碍液体进入降液管，将部分液体反弹回上层塔板，导致液相返混，从而影响塔板效率。同时，液相返混还会增加塔板的处理负荷，影响整个T08204塔的处理能力。

2.5 中间出口堰设计分析

T08204塔的中间出口堰设计如图4所示，其长度为2,300,mm，但其仅靠两端的螺栓固定在联接板上，溢流堰折边没有固定在降液板自支梁上，进料负荷增大时，容易导致出口堰变形。

图3 T08204塔优化改造前的塔内件布置示意图Fig.3 The internals of T08204 column before optimization

图4 中间出口堰示意图Fig.4 Schematic of intermediate outlet weir

当中间出口堰的中心区域严重向降液管方向倾斜后，会导致液体向塔板中心区域汇集，而靠近塔板边缘区的液层厚度变薄；从而加剧了塔板上各处气液传质不均的现象，影响气-液传质效率，导致T08204塔的塔板效率下降。[6]

2.6 塔板生产安装质量分析

此外，浮阀塔塔板的加工安装是一个极为严肃的工作程序，需要严格、精心地控制工程质量，这对浮阀塔的分离能力至关重要。当塔板出现生产或安装质量问题时，浮阀塔的塔板效率和处理能力就会受到影响，严重时可能会导致浮阀塔操作失效。[7]因此，也不排除T08204的塔板在加工安装环节存在问题，导致塔板效率及处理能力不足。

2.7 问题分析小结

综合上述分析可知，优化改造前的T08204塔塔内不存在严重的漏液或雾沫夹带现象，原塔板效率不高主要可能受两方面因素影响：①受液盘自支梁和中间出口堰设计；②塔盘生产安装质量。

3 T08204塔的优化改造

3.1 T08204塔的优化改造目标

在国内丁辛醇市场中，以齐鲁石化公司为例，其产品质量标准为：正丁醇主含量≥99.8%,；异丁醇主含量≥99.7%,。在国际市场方面，日韩等国家要求正丁醇产品主含量控制在99.8%,以上，其中主控杂质异丁醇含量严格控制在0.1%,以下；异丁醇产品主含量≥99.8%,。

因此，为精确制定T08204塔的优化改造目标，结合优化改造前T08204塔的运行参数，采用Aspen模拟软件对进料负荷为13,676,kg·h-1时优化改造后的T08204塔进行了流程模拟(设定板效率为68%,)，计算结果如表2所示。

表2 优化改造后T08204塔的流程模拟Tab.2 Simulation results of the T08204 column after optimization

结合表2模拟结果可知，当T08204塔板效率达到68%,，进料负荷达到13,676,kg·h-1，回流比为12，回流温度为108,℃时，T08204塔塔顶异丁醇产品的质量纯度与塔釜正丁醇产品的质量纯度均大于99.80%,，且塔釜正丁醇产品中主控杂质异丁醇含量约为0.05%,。

3.2 优化改造后T08204塔的水力学计算

为减少施工周期，节约施工费用，避免施工风险，根据去年对T18204塔的优化改造经验，本次优化改造对T08204塔内的支撑圈、降液板等塔内件均不做调整，仅对塔板、溢流堰、塔板自支梁、受液盘自支梁等进行优化改造。为了验证优化改造后的T08204塔能否达到60%,～110%,的操作弹性，采用KG-TOWER(V5.2)软件对利用TRITON®塔板优化改造后的T08204塔进行了水力学计算，塔内物料体系的发泡因子取1，其结果如表3所示。

由表3可以看出，即使在110%,进料负荷(15,044,kg·h-1)条件下，精馏段塔板液泛率为69%～71%，降液管液泛率为35%,；提馏段塔板液泛率为73%～76%，降液管液泛率为47%；均低于液泛率上限值80%的设计要求，能保证T08204塔的稳定运行。

表3 T08204塔的水力学计算结果Tab.3Hydraulic results of the T08204 column calculated by KG-TOWER

4 T08204的优化改造

4.1 对受液盘自支梁的改造

由于T08204塔受液盘自支梁原设计高度偏大，会导致塔盘上液相返混，增加塔盘的处理负荷，影响整个T08204塔的分离效率和处理能力。因此，针对该问题，在节约改造费用的基础上，我们制定了不更换原自支梁，通过在自支梁上开孔来抑制自支梁过高引起的液相返混现象，开孔示意如图5所示。

受液盘自支梁上的开孔位置沿自支梁水平中心线向纵向扩展；为了避免应力集中，开孔形状设计为椭圆孔；两侧受液盘自支梁上的开孔大小为35,mm× 100,mm，中间受液盘自支梁上的开孔大小为40,mm×100,mm。

4.2 对溢流堰和受液盘的改造

针对中间溢流堰的变形问题，经过研究所与丁辛醇分厂技术人员研究讨论决定：在优化改造期间对其进行检测修正；利用卡子将出口堰的折边固定在降液板自支梁上；另外，为了抑制塔板上液层厚度不均的现象，在两侧受液盘上点焊导流板，以保证塔板上液体的均匀分布。

4.3 对塔板的改造

为了确保T08204塔的优化改造目标，在塔板上的液体入口处设置了鼓泡促进器，一方面防止液体入口处压力过大导致漏液现象的发生；另一方面保证了塔板上气液传质的均匀分配。为了保证该塔的分离效率，采用了北京泽华化学工程有限公司的微型浮阀塔板对原条形浮阀塔板进行更换，提高单层塔盘的浮阀个数，增加气液传质面积。

4.4 优化改造的运行效果

重新开车后，T08204塔的处理能力提升了约10%,；异丁醇与正丁醇产品质量纯度均达到99.80%,以上，正丁醇产品中主控杂质异丁醇含量在0.04%,以下；同时，T08204塔每年可节约蒸汽0.9万 t以上。

图5 T08204塔受液盘自支梁优化改造示意图Fig.5 Optimization of the minor beam of seal pan in T08204 column

5 结 论

本文首先采用Aspen及KG-TOWER等软件对T08204塔进行了流程模拟、水力学计算研究，为T08204塔的优化改造提供了有力的理论支持。然后根据计算结果对塔板进行了优化改造，并采用鼓泡器、导流板等对塔内件进行优化调整，大幅提高了T08204塔的塔板效率和处理能力，减小了回流比，节约了蒸汽消耗，降低了生产成本。本研究为小板间距精馏塔的设计及优化提供了重要的工程依据和理论支撑。■

［1］ 李云辉，李治水，聂增来，等. 丁醛异构物塔产品结构的优化研究[J]. 天津科技，2015，42(11)：29-31.

［2］ Jin C，Yao M，Liu H，et al. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011(15)：4080-4106.

［3］ 张霞，李红伟，马晓建. 汽爆玉米秸秆发酵丁醇的酶解工艺优化[J]. 高校化学工程学报，2014(28)：934-938.

［4］ 杜小元，杨世东. 丁辛醇的生产现状与供需分析[J].现代化工，2014(4)：4-8.

［5］ 瞿亮，胡勇. 丁辛醇的出路[J]. 中国石油石化，2015(1)：56-59.

［6］ Kister H Z. Distillation Operation [M]. New York：McGraw-Hill，Inc.，1990.

［7］ 兰州石油机械研究所. 现代塔器技术[M]. 北京：中国石化出版社，2005.

Research on Simulation and Optimization of T08204 Column

LI Yunhui，WANG Hai，LI Zhishui*，SHEN Guiming，SHI Lanying
(Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China)

This study aims to improve the feed loading and tray efficiency of T08204 column in #1 butyl octanol unit of Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd．process simulation and hydraulics calculation were investigated by using Aspen and KG-TOWER respectively．Then，the internals of T08204 column were optimized according to the calculated results．In consequence，the feed loading of T08204 was increased from 12,500,kg·h-1to 13,700,kg·h-1，and the quality of isobutanol and n-butanol has reached the international advanced level.

T08204 column；process simulation；KG-Tower；tray efficiency；liquid back-mixing

TQ062+.2

：A

：1006-8945(2016)10-0081-05

*通讯作者

2016-09-01