甲基叔丁基醚催化蒸馏塔内件操作质量等效计算方法探讨

(中国石化工程建设有限公司， 北京 100101)

催化蒸馏技术是中国石油化工集团有限公司自主研发的甲基叔丁基醚(MTBE)装置工艺技术中的核心技术。它的特点是实现了反应过程与分离过程在1台塔设备中同时进行的设计目标。该工艺技术具有流程短、转化率高、催化剂用量小和节省公用工程等优点[1-5]。

催化蒸馏技术的核心设备是催化蒸馏塔。催化蒸馏塔内部设有液体分配器、催化剂单元以及浮阀塔板，该塔不仅可以同时完成异丁烯的深度转化和产品分离，而且还实现了产品的深度转化和反应热的充分利用[6-9]。催化蒸馏塔在结构上集成了板式塔与填料塔的特点，塔内件结构复杂，催化剂床层与浮阀塔板共同分布[10-12]。在计算催化蒸馏塔的风载荷、地震作用和自振周期时，需要进行塔器分段和质量集中计算。单纯的板式塔或填料塔的塔器分段和质量集中可以借助SW6软件，输入塔板和填料参数后可由程序自动完成计算，而催化蒸馏塔的混合结构则无法直接使用SW6软件进行自动计算。

文中以某项目MTBE装置催化蒸馏塔的设计为例，提出4种催化蒸馏塔塔内件分段和质量集中等效计算方案，对这4种方案计算的结果进行分析，提出推荐使用的计算方案。

1 催化蒸馏塔设计概况

某项目中的MTBE催化蒸馏塔总体上为集填料塔与板式塔为一体的复合结构塔。塔体上部为4段反应床层结构，各反应床层自下向上标高依次为290 250 mm、310 850 mm、34 045 mm、37 050 mm。塔体下部为5组浮阀塔盘结构，最低标高11 800 mm，最高标高290 250 mm。

该MTBE催化蒸馏塔内径2 200 mm，筒体切线间距40 500 mm，壳体材料Q345R，腐蚀裕量3 mm，设计压力0.98 MPa/全真空，设计温度155 ℃，操作介质为C4、甲醇和MTEB混合物。地质、自然条件参数：基本风压620 N/m2，地面粗糙度B 级，抗震设防烈度7级，设计基本地震加速度0.115g(αmax=0.1)，场地土类别IV(设计分组三)，保温材料为泡沫玻璃(厚度100 mm)。

2 催化蒸馏塔塔内件等效质量计算

2.1 结构模型和计算方案

催化蒸馏塔塔内件质量包括催化剂床层操作质量和浮阀塔板操作质量2部分。计算催化蒸馏塔塔内件等效质量时，按照NB/T 47041—2014《塔式容器》[13]中对塔内件的统计方法，将催化精馏单元操作质量统计为工程应用中的填料和塔板的操作质量计入塔设备质量的计算中。填料的等效关键是计算等效密度ρ，浮阀的等效重点是计算等效塔板块数n，计算公式如下：

式中，m为统计的塔内件操作质量，m2为单块浮阀塔板的操作质量，kg;h为的内件高度，m;S2为塔的横截面积(指塔内径全截面)，m2。根据催化蒸馏塔的结构特点，提出4种塔体分段和塔内件分配方案并建立模型，见图1。

图1a所示方案1为催化蒸馏塔实际组成，包括填料1～填料4共4段填料层和 塔盘1～塔盘5共5组浮阀塔板。图1b所示方案2将塔内件等效为1段填料层和1组塔盘。图1c所示方案3将塔内件等效为2组塔盘。图1d所示方案4将塔内件等效为1段填料。

2.2 催化剂床层质量和浮阀塔板等效计算

2.2.1催化剂床层操作质量

催化剂床层的操作质量由催化剂支撑件质量、催化剂床层及塔盘持液质量、液体分布板持液质量3个部分组成。催化蒸馏塔中催化分离单元的结构见图2。

(1)催化剂支撑件质量mzcj催化剂支撑件的总质量为1 500 kg。催化剂支撑件是由催化剂支撑架、侧板、衬板、分布板、金属烧结网和钢格栅共6部分构成的组合件。按照组件统计的催化剂支撑件质量见表1。

表1 催化剂支撑件质量统计

图1 MTBE装置催化蒸馏塔4种计算方案结构模型

图2 催化分离单元结构

(2)催化剂操作质量mj催化剂的操作质量由催化剂床层质量、瓷球质量和催化剂持液质量组成，按下式计算：

mj=ρ1S1h1

式中，ρ1为湿催化剂和瓷球的平均密度，kg/m3；S1为催化剂床层所占面积，m2；h1为床层高度，m。对于催化蒸馏塔中催化分离单元，湿催化剂和瓷球的平均密度为800 kg/m3，床层高度为800 mm。催化剂床层所占面积为图2中塔体横截圆面积减去2个扇形面积，计算得S1=3.14 m2。所以催化剂操作质量mj=1 993 kg。

(3)液体分布板持液质量mcy按下式计算：

mcy=ρ2S1h2

式中，ρ2为操作介质的密度，kg/m3；h2为分布板上的持液高度，m。对于催化蒸馏塔中催化分离单元，h2为100 mm。计算得mcy=172.8 kg。

(4)单个催化剂床层总质量m1根据计算的mzcj=1 500 kg、mj=1 993 kg、mcy=172.8 kg，求和得单个催化剂床层总质量m1=3 666 kg。

2.2.2浮阀塔板操作质量m2

浮阀塔板质量包括浮阀塔板质量和持液质量2个组成部分。按照NB/T 47041—2014中的统计方法，浮阀塔板单位面积质量按照75 kg/m2计算。塔内横截面积S2=3.80 m2，浮阀塔板持液高度按100 mm计算，则1块浮阀塔板的操作质量m2=495.9 kg。

3 催化蒸馏塔内件计算结果及分段方案影响分析

3.1 塔内件操作质量计算结果

经过计算得到图1a所示催化蒸馏塔分段方案1中，4段填料层的填料密度均为877.064 kg/m3，填料层高度均为1 100 mm，塔盘1～塔盘5对应的标高依次为11 800 mm、30 800 mm、33 400 mm、36 000 mm、38 600 mm，塔盘1～塔盘5的构成塔板数分别为30块、2块、2块、2块和2块。图1b所示方案2中，填料层填料密度为478.76 kg/m3，标高29 250 mm，等效高度为10 050 mm。浮阀塔盘标高11800 mm,塔盘的等效塔板数为30块。图1c所示方案3中，塔盘1标高29 250mm，等效塔板数37块。塔盘2标高11 800 mm，等效塔板数30块。图1d所示方案4中填料标高11 800mm，等效高度317.36 mm。

设计催化蒸馏塔时采用的计算软件为SW6塔器计算模块。由压力载荷的计算结果分析[14]，催化蒸馏塔的压力计算厚度由负压控制，外压圆筒计算长度为4 000 mm时，容器的计算厚度为9.25 mm。实际将塔的筒体厚度分为2段，一段筒体长16 000 mm、名义厚度18 mm，另一段筒体长16 420 mm、名义厚度16 mm。进行风载荷计算和地震作用的相关验算。

3.2 分段方案对塔计算的影响

3.2.1整塔操作等效质量

塔式容器整塔操作质量按下面的公式计算：

m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+mc

式中，m0为整塔操作质量，m01为塔的壳体和裙座质量，m02为塔的内件质量，m03为塔体保温材料质量，m04为平台、扶梯的质量，m05为操作时塔式容器内的介质质量，ma为人孔、接管、法兰等附属件的质量，mc为偏心质量，kg。统计得到的催化蒸馏塔整塔等效操作质量结果见表2。

表2 催化蒸馏塔整塔等效操作质量统计

由表2可以看出，4种质量等效方案的整塔操作质量中内件质量是相同的。方案4的塔水压试验质量和塔最小质量均最小，方案2的均最大。这是因为文献[13]在对填料质量的统计中将填料的质量统计在塔操作时的内介质质量中，而塔盘的质量则统计在塔的内件质量中。在整塔质量统计中，水压试验质量统计包含了内件质量，在最小质量统计时包含了0.2倍内件质量数值的塔盘支撑圈和降液板质量，而没有包含填料的质量。

文献[13]中对于塔的自振周期、塔设备本体和裙座的地震计算、裙座对接焊缝应力校核计算，使用的质量均是塔的操作质量。在风载荷控制时，塔的地脚螺栓最大拉应力校核使用的是塔的最小质量，塔的基础环板最大应力校核使用的是塔的水压试验质量。

3.2.2塔自振周期计算

塔自振周期计算结果是塔地震载荷和风载荷计算的重要参数。按照NB/T 47041—2014，将直径、材料、厚度沿高度变化的塔式容器视为一个多质点体系，影响塔自振周期计算结果的主要因素是多质点弹性体系的质量分布。以4种方案计算结果为填料参数和塔板参数输入SW6软件，计算的催化蒸馏塔自振周期见表3。

表3 基于不同方案的催化蒸馏塔自振周期 s

从表3可以看出，对于第一振型计算周期T1的计算，方案2更接近实际并且方案2计算自振周期偏保守，自振周期增大，风脉动增大系数也增大，计算段水平风力加大，因此计算风弯矩时也会偏保守。方案3将内件等效为2段不等间距塔板的计算结果和方案4将内件等效为整块填料的计算结果相同，但是4种方案的计算误差很微小。

3.2.3塔截面地震力和弯矩计算

塔地震力的计算是将塔沿经向分解为多质点弹性体系，并求解多质点弹性体系在地震作用下，在质点i上所产生的惯性力。分析文献[13]中水平地震力的计算公式(F=αηmg)，可以看出塔的地震力计算影响因素是由任意高度分配的集中质量m和其地震影响系数α决定的。自振周期的变化会影响地震影响系数α的取值，也就直接影响到水平地震力的大小[15]。从地震影响系数曲线可以看出，上升区段地震影响系数随着自振周期加大而增大，下滑阶段则恰好相反。以4种方案的计算结果作为填料参数和塔板参数输入SW6软件，计算的催化蒸馏塔1-1截面、0-0截面以及裙座-筒体连接段的地震弯矩见表4。

表4 基于不同方案的催化蒸馏塔地震弯矩 ×109 N·mm

由表4可以看出，各截面地震弯矩的计算误差均在小数点后的第2位，因此计算结果的差别十分微小。由于在本次计算中最大弯矩是由风弯矩控制的，故地震弯矩计算结果的差距并没有影响最终计算结果。

3.2.4塔截面最大弯矩计算

以4种方案计算结果为填料参数和塔板参数输入SW6软件，计算得到的催化蒸馏塔1-1截面、0-0截面及裙座-筒体连接段的最大弯矩见表5。

表5 基于不同方案的催化蒸馏塔截面最大弯矩 ×109 N·mm

由SW6计算软件对于4个方案的计算结果可以看出，方案4与方案3计算的最大弯矩相同。方案2的最大弯矩略大于方案3。这是因为催化蒸馏塔各截面的最大弯矩是由风载荷控制的。自振周期T1的计算值越小，风弯矩计算值越大。

3.2.5塔裙座元件计算

以4种方案计算结果为填料参数和塔板参数输入SW6软件，计算得到的催化蒸馏塔裙座元件尺寸见表6。

表6 基于不同方案的催化蒸馏塔裙座元件尺寸 mm

由表6看出，4种方案的计算结果差别很小，方案2的地脚螺栓小径计算结果相对于方案1略保守，方案1的基础环板计算厚度略保守，这是由于塔的水压试验质量和塔最小质量统计值不同造成的。

4 结语

针对MTBE催化精馏塔的复杂内件结构，提供了4种内件的质量等效简化方案。计算结果表明，4种方案统计出的塔的操作质量是相同的，但是塔的水压试验质量和塔最小质量略有不同。方案2的计算结果最接近方案1的计算结果，并且按照方案2计算的最大弯矩和地脚螺栓结果偏保守，在软件输入时也比较简单。本次计算推荐使用方案2，基础板需要取适当的余量。基于4种方案的自振周期和地震弯矩计算结果表明，SW6软件给出的塔体分段可以满足塔计算实际要求。对于内件结构复杂的塔，可以通过内件质量等效法进行简化设计。