一种新型复合垂直筛板的工业应用

王 炜

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

EO精制塔是环氧乙烷/乙二醇(EO/EG)装置中的关键设备，其作用是对主要产品环氧乙烷(EO)与水及EO反应副产物醛等【1】的混合物进行分离，从而获得高纯度的精制环氧乙烷[纯度≥99.95%(质量分数)]，以满足工业用环氧乙烷国家标准。

EO/EG装置的主要产品为环氧乙烷和乙二醇。近年来，随着乙醇胺、醇醚、非离子表面活性剂等环氧乙烷下游产业的发展，国内环氧乙烷市场需求旺盛，但由于环氧乙烷具有极易燃易爆、不易长距离运输等特点，且从国外进口的环氧乙烷数量不多，因此国内环氧乙烷价格一直稳定在较高水平；而反观乙二醇，由于受中东等地进口乙二醇的冲击，国内乙二醇市场总体低迷，价格波动较大。因此，如何利用高效率和大处理能力的塔板对现有EO精制塔进行扩能改造，大幅度增产效益更好的环氧乙烷产品，成为EO/EG行业需要解决的问题。

1 新型复合垂直筛板结构特点

某高校开发的新型复合垂直筛板(简称复合筛板)，将立体帽罩做成梯形，并在帽罩外倒梯形空间安置了高效规整填料(见图1)，从而将现有垂直筛板开孔率(最高20%)提高到超过40%，同时可改善罩间对喷状况，降低雾沫夹带量。因此这种新型复合垂直筛板理论上较常规垂直筛板塔板的处理能力更大，效率也更高。

该塔板的结构设置也具有特殊优势，除帽罩间的倒梯形罩板能够为填料设置提供支撑外，罩板还可以作为塔板的加强筋，从而提高了塔板的强度，解决了塔器大型化后的内件结构及安装问题。

图1 复合筛板结构示意

2 新型复合垂直筛板流体力学性能

针对该塔板的流体力学性能研究表明【2】：在冷态性能测试中，该塔板较F1浮阀塔板具有更大的处理能力和操作弹性，且效率更高。

2.1 雾沫夹带

雾沫夹带的存在会造成液体返混，减少平均传质推动力，从而降低传质效率。当气速和液体量超过一定值后，会造成淹塔。因此雾沫夹带量决定了该塔板的操作上限，是制约塔处理能力的关键因素。由图2可知，在液流强度9.09 m3/(m·h)的条件下，按照10%的雾沫夹带上限，F1浮阀塔板阀孔动能因子为18，复合筛板的阀孔动能因子为34，塔板处理能力比F1浮阀塔板提高近1.9倍。

图2 两种塔板的雾沫夹带比较

2.2 漏液

低气速时，当液体横跨塔板流过，由于塔板压降较小和液面落差的存在，会从升气孔中漏液。但随着气速的提高，漏液减少，直至停止。

由图3可知，在液流强度45.5 m3/(m·h)的条件下，F1浮阀塔板漏液量较复合筛板少，按泄漏允许的10%上限，两种塔板对应的阀孔动能因子分别是5和8。结合图2两种塔板的雾沫夹带上限可知 ，F1浮阀塔塔板的操作弹性为3.6，复合筛板的操作弹性为4.2以上。因此与F1浮阀塔板相比，复合筛板的操作弹性更高，有利于提高塔的处理能力和降低能耗。

图3 两种塔板的漏液量比较

2.3 小结

由于复合筛板设计阀孔动能因子和开孔率的提高【3】，基于冷态性能测试，塔板气相通量可达F1浮阀塔的近2倍；同时由于强化了塔板的喷射操作工况，高效率带来的回流比下降，也大大降低了塔内气相负荷；另外塔板板面流动的液体不含气体，同样截面积的降液管的通过能力也可提高1倍。因此该塔板的整体处理能力较F1浮阀塔板理论上可提高2倍以上。

3 新型复合垂直筛板的工业应用

3.1 首次应用在EO精制塔改造中的背景

基于上述新型复合垂直筛板的特点，如能应用在EO精制塔的扩能改造中，理论上通过更换塔内件并对相关附属设备进行局部改造，就能使产量翻番，从而带来较为可观的经济效益。而现有的EO精制塔大多采用F1型浮阀设计，且基本属于典型的双组分(EO-水)体系的精馏过程，分离精度要求高，且操作弹性范围大，这就为复合筛板的工业应用热态性能测试提供了很好的机会，也是检验上述塔板通量、效率和操作弹性的最佳试验工况。为此设计单位与研发单位确定开展合作，首先在EO精制塔上进行该塔板的工业应用测试。

3.2 某EO精制塔改造中的首次工业应用

3.2.1 改造前工况与改造要求

某EO精制塔，原设计采用F1型浮阀塔板，塔径φ1 300 mm，设计产能为1.6万t/a(2.22 t/h)，实际操作回流比为7.2，精EO的平均含水量为180 mg/kg。

EO精制塔系统流程见图4。

图4 EO精制塔系统流程

改造后要求产能提高到4万t/a(5.55 t/h)，为原设计产能的2.5倍，且精EO的平均含水量≤100 mg/kg的同时，塔的回流比降至5以下。

3.2.2 工业应用的模拟计算

对改造后的EO精制系统进行PROII模拟计算后发现， 在一定的回流量下，相对板效率、产品产量和产品水含量存在着一定的关系。基于复合筛板塔板的冷态性能测试，如按照板效率相对F1浮阀塔板提高20%、通量提高2倍以上设计，则不仅现有EO精制塔可以利旧，塔顶冷凝器、塔顶冷却器以及塔底再沸器也能利旧，即仅需通过更换塔内件和对配套仪表、泵、管线和产品冷却器进行相应改造就可满足扩能2.5倍的要求，改造投资大大降低，同时能耗水平也可降低。

3.2.3 实施情况及应用效果

利用停工检修期，在不改变现有塔体及支撑圈的前提下，将原F1浮阀塔板(68块+1块采出塔板)，更换为复合筛板，其中采出塔板(第58块)利旧；同时为强化传热，调整了塔底再沸器的安装高度。改造后该塔一次开车成功，各项运行参数均达到设计要求(见表1)，且长期运行平稳，表明该型塔板的工业应用取得了理想效果。

由改造后标定结果可知，相对改造前，精EO能力由2.22 t/h提高到5.60 t/h，回流比由7.2降至4.5，板效率提高了25%；产品中水含量由改造前的180 mg/kg降至72 mg/kg，达到了工业用环氧乙烷国家优等品的要求(含水量≤100 mg/kg)，且操作平稳，运行数年来为企业新增利润约1.5亿元。

4 结语

首次工业应用结果表明：该型复合筛板是一种兼具高处理能力和高效率的塔板，具有操作弹性高且易于大型化安装的特点，尤其适用于需要大幅提高处理量的现有装置改造中，可通过更换内件实现小塔换大塔，以低周期、低成本、低能耗实现扩能要求。

表1 EO精制塔改造前/后的运行情况对比