烷基苯装置脱烷烃塔效率下降原因分析及改进措施

(中国石化 金陵石化有限公司 烷基苯厂， 江苏 南京 210046)

经验交流

烷基苯装置脱烷烃塔效率下降原因分析及改进措施

蒋锋

(中国石化 金陵石化有限公司 烷基苯厂， 江苏 南京 210046)

对烷基苯装置脱烷烃塔分离效果的影响因素进行了分析，指出分离效果不佳的原因是由塔内件设计、分配器以及填料选型等方面存在问题所导致。采取了增加闪蒸进料器、更换三级导板窄槽式液体分布器以及更改新型填料等措施，工业应用的结果表明，塔顶烷基苯的损失小于0.5%(质量分数)且塔底粗烷基苯中不含烷烃，这两项指标均达到预期工艺设计的目的。在烷基苯回收率得到大幅度提高的同时，整个烷基苯装置的操作费用也有所降低。

烷基苯装置； 脱烷烃塔； 分离精度； 故障诊断； 改进措施

金陵石化烷基苯厂烷基苯联合装置于1976-10全套引进美国环球油品公司(UOP)技术，由意大利欧洲技术公司承包，采用了脱氢-烷基化工艺生产烷基苯，初始设计生产能力为5万t/a，经过2010年扩能改造，生产能力达到15万t/a。

脱烷烃塔的作用是将未反应的烷烃与粗烷基苯分离。UOP原设计要求，脱烷烃塔的塔顶馏出物中不含烷基苯，塔底产品粗烷基苯中烷烃的质量分数不得大于0.5%。2011年，烷基苯装置扩能改造至20万t/a后，该塔分离效果一直不佳，塔顶烷基苯损失质量分数平均为2%，文中对此进行了讨论与分析。

1 烷基苯装置简介[1]

1.1

工作原理

烷基苯联合装置由脱氢单元和烷基化单元组成，脱氢单元主要是将C10～C13直链烷烃脱氢后，含质量分数10%左右的脱氢油送至烷基化单元，烷基化单元采用氢氟酸-烷基化法，在催化剂氢氟酸存在的条件下，苯和C10～C13直链烷烯烃混合物中的烯烃进行烷基化反应，生成工业直链烷基苯的混合物，经过脱苯、脱烷烃、烷基苯精馏等过程，制取高质量的工业直链烷基苯。

氢氟酸-烷基化法工艺流程示意图见图1。

图1 氟化氢-烷基化法工艺流程示图

1.2脱烷烃塔简介

脱烷烃塔为负压操作，压力在8 kPa(绝)附近，其流程示意图见图2。

塔顶端设置一段接触式全凝段，内部装填规整填料，用冷回流接触取热，冷凝后进入顶部集油箱，被塔顶泵抽出，第一部分作为热回流至精馏段上方，第二部分作为塔顶出料返回至脱氢单元重复使用，第三部分进入冷却器被冷却后以冷回流进冷凝段循环取热。塔底粗烷基苯送至下游分馏塔进行精制。

若该塔分离不好，顶部烷烃中烷基苯含量过高，除了产品损失外，还会使脱氢单元的脱氢催化剂结焦失活加快，影响运转周期，同时还造成产品烷基苯质量下降。塔底的烷基苯对烷烃含量有着严格要求，超过0.5%(质量分数)即视为产品不合格。

图2 脱烷烃塔流程示图

2011-11，烷基苯装置扩能改造时，对脱烷烃塔进行了整体更换。更换后塔分离效果不佳，塔顶中烷基苯的质量分数大约为2%，造成一定的烷基苯损失。2012-04，再次对该塔内件进行检查整改，但分离效果未见好转。为此，提出了在脱烷烃塔下游串联1个附加塔(烷烃再分离塔)的解决方案。

经过此次改造后，脱烷烃塔降温操作，保持塔顶烷烃中含少量烷基苯(小于0.5%)，塔底约含8%烷烃的粗烷基苯送至烷烃再分离塔进行再次分离。烷烃再分离塔顶带少量烷基苯物料返回至脱烷烃塔，塔底粗烷基苯送至下游装置继续分离，保证了塔底物料烷烃含量不大于0.5%。

2013-10，针对脱烷烃塔分离效果不佳，增加1个烷烃再分离塔所带来的高能耗情况，再次进行了详细的原因分析，并提出了对应的整改措施。

2 脱烷烃塔效率下降原因分析

2.1

脱烷烃塔处理量

该塔进料组分中烷烃与烷基苯的质量分数之比接近6∶1(与设计值相符)。因此，精馏段与提馏段的气液负荷相差很大。2011-11更换塔体时，考虑到气相负荷相对较大、液相负荷相对较小的特性，将原精馏段、提馏段直径均为5.2 m改成了精馏段直径为6.4 m，提馏段直径为5.2 m，即上大下小的塔体结构。

为了消除处理量超负荷造成分离效果不佳的影响，一方面对装置进行了降量生产，降回至15万t/a处理量，仍未发现有好转迹象。另一方面联系相关设计院，利用填料的气液相参数对最大气相负荷因子进行核算。核算结果表明，该塔在设计处理能力的情况下，其气液负荷远未达到设计的极限负荷。由此说明，该塔的设计塔径足够大，处理量不是造成分离不佳的因素之一。

2.2安装质量[2]

填料塔对内件的安装有一定要求，主要考虑塔内是否有不良液体分布、周边喷淋点离塔壁的距离及填料堆放角度等是否满足要求。

2012-04开塔检查时，对分布器、再分布器、密封垫等安装质量，分布器水平度，填料堆放角度及防壁流情况进行了整改，投运后分离效果仍无实质性改善。因此，可排除因塔内件安装质量引起塔效下降的因素。

2.3进料分配器

该塔的进料温度为230 ℃，为过热进料。进料组分中烷烃含量较高，约占85%(质量分数)。经过进料控制阀减压后，烷烃迅速绝热汽化，体积急剧膨胀， 气化率的理论计算值大于86%，进塔气相流速高达600 m/s。

虽然2011-11在装置扩能改造中将塔精馏段扩径至6.4 m，若使用普通进料分配器及原750 mm进料管径，则管内气速过大，无其他分离防护措施情况下会存在雾沫夹带、偏流及湍流等不安全状态[3-5]，对塔的正常传质传热形成不良影响，使分离效果变差。因此，进料分配器管径太小是造成塔顶含烷基苯超标的原因之一。

2.4液体分布器

原分布器选用了槽盘式液体分布器。此分配器对大塔径的塔水平度要求较高，且需制作精良。气液两相间传质主要在填料表面流动的液膜上发生，要形成良好的液膜，填料表面必须被液体充分地湿润，而湿润状况取决于液体喷淋密度以及填料表面的润湿性能[6,7]。

低气液负荷下的物系均匀分布问题对于不同物系、不同类型和规格的填料，喷淋点最低密度要求是不尽相同的，特别对于大塔径时，不仅要解决均匀分布，而且还要解决填料表面润湿问题，过低喷淋点密度极易造成液膜形成不好，基至部分区域填料表面可能出现干板现象[8]。普通液体分布器无法很好解决上述问题，气液相无法在塔内均匀有效接触，造成填料无法充分发挥其潜在效率。因此，选择合适的液体分布器至关重要。

2.5传质单元数

传质单元数主要取决于物质体系、填料几何特性和操作条件[9,10]。根据工艺模拟计算，该塔烷烃与烷基苯的分离并不困难，所需的传质单元数并不多，只要能满足设计条件，完全可以达到设计指标的要求。

原塔精馏段、提馏段设计均为两段各4 000 mm的JKB-250Y，计算结果表明，精馏段、提馏段的水力学性能可以满足分离要求。可在计算过程中发现，该塔精馏段的气液负荷相对已经较高，在喷淋点密度已经很高的情况下，选用比表面积较高的250Y型填料，同样易造成填料内部液膜形成不均甚至出现夹带、返混现象，分离效果变差，这是造成分离不佳的又一原因。

综上所述，液体分布器选型不合适是造成分离不佳的主要原因，进料气速过大和填料选型与该物系不匹配也加剧了该塔分离效果不佳。

3 改进措施

3.1

增加闪蒸进料器

该塔进料汽化率的理论值大于86%，为了消除因烷烃迅速绝热汽化而形成高速气流的影响，需在塔内增加1套能使气液相分离的进料器。

选用一种双切向环流式闪蒸进料器，该进料器可以准确控制液体在进料区域停留时间，直至汽液两相完全分离，起到1块理论板的效果[11,12]。

鉴于该进料分配器要求进料气速不能过大，因此，扩大了进料口管径，将进料口管径由750 mm调整为1 000 mm，管径总截面积扩大近4倍，大幅降低了气速，并在该区域留有一定的蒸发空间，以提高进料位置气液分离效率，见图3。

图3 进料管径及分配器示图

3.2更换为三级导板窄槽式液体分布器[13-15]

为很好解决低气液负荷下物流的均匀分布和表面润湿问题，选用一个三级导板窄槽式液体分布器。该分布器为深圳诚达公司2012年专利技术产品，主要由液体预分布管、主槽、窄槽及导流管组成，在窄槽上、下部的两侧壁上分别开有两排大小不等的溢流孔，同一垂直线上的小孔用导液管罩住，其结构见图4。

图4 三级导板窄槽式液体分布器

与传统的窄槽式液体分布器相比，三级导板窄槽式液体分布器分布效率可提高10%～60%，操作弹性比可达3∶1，可在导板底缘形成非常均匀、连续性的液膜，特别对于低液量工况，还能在导板底缘形成与槽平行、均匀的液滴，液滴下降距离越长则效率提高的越大，这种结构能很好地协调、选择槽上孔数、孔径、孔间距的结构布置，以达到液体分布均匀及对填料表面润湿的要求。在很低液量的情况下，三级导板上还设有按照一定规则排列的凹型坑，能消除液体在金属表面上收缩导致的不均匀分布，从而有效地防止液体分布不均，部分消除工业安装分布器时水平度误差所引起的不均匀度。

3.3更换高效填料

根据该塔不同气液负荷，在不同位置选用不同型号的填料。在全凝段，因需将气相完全冷凝，液体喷淋点密度较大，而且还要保证一定的气液接触面积。因此，选取了倾角小的填料，第1冷凝段采用CDP-FX型填料，第2冷凝段则采用了CDP-FX、CDP-DX、CDP-BX型填料。

为确保分离效果，保证有足够的传质单元数，对精馏段采用稍大倾角而比表面积中等的CDP-HZ型规整填料进行改造，对提馏段选用一种分离效果较好、比表面积较大而阻力降很小的CDP-JY型填料进行改造。因该塔塔径较大，为防止填料内气液两相分布不均，使物料在收集和再次分布过程中完成气液两相的横向接触，消除因壁流、沟流等引起的不均匀分布，消除气液两相中的横向浓度差，在改造中继续沿用了填料分段安装方法。

改造前、改造后脱烷烃塔塔内结构件的示意图见图5。

图5 改造前后脱烷烃塔塔内结构示图

4 运行效果

脱烷烃塔改造后于2013-12-16投运，2013-12-23生产出合格的烷基苯，主要运行数据见表1。

表1 脱烷烃塔改造前后相关参数

从表1可见，①改造后装置处理量提升，比设计值高出10 t/h。②塔顶含烷基苯量下降，小于0.1%，降低了烷基苯损失,保障了脱氢催化剂长周期运行。③塔底不含烷烃，保证了烷基苯质量合格。④塔压有所上升，但符合设计值。⑤回流量降低约33%，极大降低了该塔能耗。⑥塔底产品合格，取消了烷烃再回收塔，降低了装置整体能耗。

5 结语

脱烷烃塔改造运行至今，塔分离效果明显改善，未发现顶底互带超标现象，提高了烷基苯回收率，满足了工艺生产需求。取消了烷烃再回收塔，每年可以节约操作费用约400万元，经济效益显著。

[1] 蒋锋．烷基苯装置循环苯纯度下降原因分析[J].精细石油化工进展，2016，17(4)：11-14.

(JIANG Feng. Analysis on the Reason of the Decrease of Circulating Benzene Purity in Production of Linear-Alkylbenzene[J].Advances in Fine Petrochemicals，2016，17(4)：11-14.)

[2] 王树楹．现代填料塔技术指南[M]．北京：中国石化出版社，1998：191-194.

(WANG Shu-ying. The Technique Guidebook of Modern Packed Tower [M].Beijing:China Petrochemical Press Co. Ltd.，1998：191-194.)

[3] 隋秀华，黄云前，曾现伟，等．基于流体动力学的液体分布器分布孔结构对出流均匀性的分析[J].科学技术与工程，2016，24(1)：245-250.

(SUI Xiu-hua，HUANG Yun-qian，ZENG Xian-wei，et al．The Analysis of Hole Structure in Liquid Distributor on Uniformity of Out flow[J]. Science Technology and Engineering，2016，24(1)：245-250.)

[4] 王翊红，黄维秋，王文捷，等．喷淋密度对吸收塔液体分布器分布性能的影响研究[J].科学技术与工程，2015，35(15)：218-224.

(WANG Yi-hong，HUANG Wei-qiu，WANG Wen-jie，et al．Experimental Researching of the Influence of Sprinkle Density to the Distribution Performance of the Liquid Distributor in the Absorption Liquid Tower[J].Science Technology and Engineering，2015，35(15)：218-224.)

[5] 孙磊，王兵，白冰冰，等. 液体分布器布液均匀性影响因素综合分析[J]. 山东化工，2016，45(10)：76-78，82.

(SUN Lei，WANG Bing，BAI Bing-bing，et al. The Comprehensive Analysis of Liquid Distributor Liquid Distribution Uniformity Factors[J]. Shandong Chemical Industry，2016，45(10)：76-78，82.)

[6] 李群生.新型高效填料塔的研究及其应用[J]．维纶通讯,2006, 26(2)：33-37．

(LI Qun-sheng. Research and Application of New Type High Efficiency Packing Tower[J].Vinylon Communication，2006，26(2)：33-37．)

[7] 兰仁水，朱慧铭，王树楹．精馏塔塔型及塔内件选择[J]．石油化工设计，1993，10 (1)：16-21.

(LAN Ren-shui，ZHU Hui-ming，WANG Shu-ying. Type Rectifying Tower and Tower Internals Selection[J]. Petrochemical Design，1993，10 (1)：16-21.)

[8] 李小龙．烷基苯装置脱烷烃塔塔效降低原因分析及解决方法[J].精细石油化工进展，2004，5(6)：39-43.

(LI Xiao-long．Analysis and Resolzvent of Lower Efficiency of Paraffin Tower in LAB Plan[J].Advances in Fine Petrochemicals，2004，5(6)：39-43.)

[9] 郭强，祁贵生，刘有智，等. 不同规整填料旋转床的传质性能对比[J]. 化工进展，2016，35(3)：94-100.

(GUO Qiang，QI Gui-sheng，LIU You-zhi，et al. Comparative Study of Mass Transfer Performance of Different Structured Packings in Rotating Packed Bed [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35(3)：94-100.)

[10] Mayurkumar S Gandhi，Arijit A Ganguli，Jyeshtharaj B Joshi，et al．CFD Simulation for Steam Distribution in Header and Tube Assemblies[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90：487-506.

[11] 李学斌，李放，陈新,等．填料塔中的液体分布器[J]．氯碱工业，2006(3)：44-45.

(LI Xue-bin，LI Fang，CHEN Xin，et a1. Liquid Distributor in the Packed Column[J]．Chlor-Alkali Industry，2006(3)：44-45.)

[12] 秦总根，涂伟萍．填料塔内液体分布器的改造与探讨[J]．化学工业与工程，2003，20(6)：85-89.

(QIN Zong-gen，TU Wei-ping. Modification and Research of Liquid Distributor in the Packed Column[J]．Chemical Industry and Engineering，2003，20(6)：85-89.)

[13] 钱建兵，朱慎林.窄槽式液体分布器的设计与应用[J].石油化工设备，2004，33(1)：27-30.

(QIAN Jian-bing，ZHU Shen-lin. Design and Application of Orifice Trough Liquid Distributor[J].Petro-chemical Equipment，2004，33(1)：27-30.)

[14] 孙希瑾，陈建娟，秦岭．大型填料塔液体分布器的设计应用[J]．石油化工设计，2002(1)：10-15．

(SUN Xi-jin，CHEN Jian-juan，QIN Ling. Design and Application of Liquid Distributor in Large-sized Packing Tower[J]．Petrchemical Design，2002(1)：10-15.)

[15] 董谊仁．填料塔液体分布器的设计[J]．化工生产与技术，1998(1)：1-10．

(DONG Yi-ren. The Design of Liquid Distribution in Packed Columns[J]．Chemical Production and Technology，1998(1)：1-10．)

(许编)

AnalysisandRectificationMeasuresofLowerEfficiencyofParaffinTowerinAlkylbenzenePlant

JIANGFeng

(LAB Plant of Jinling Petrochemical Corporation, SINOPEC, Nanjing 210046, China)

Through the analysis of various factors and affect separating of paraffin tower of alkylbenzene unit, causes existing in tower internal design, liquid distributor and packing type selection were found and corresponding improvement measures including adding flash feeder,replacing of slot liquid distributor with three-stage guide plate and new type of packing etc. were taken. Industrial application showed that expected process design indexes were achieved with a tower top loss than 0.5%(mass fraction) and no alkanes in tower bottom crude alkylbenzene. As a result, alkylbenzene recovery rate has been greatly improved as well as operation cost of the whole unit has been reduced.

alkylbenzene unit; paraffin tower; separation accuracy; trouble-shooting; improvement measures

TQ050.7； TE962

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.012

1000-7466(2017)04-0063-05①

2017-03-10

蒋 锋(1983-)，男，宁夏中卫人，工程师，硕士，主要从事烷基化工艺技术管理工作。