乙烯装置急冷油塔改造技术方案探讨

刘永莉

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

急冷油塔系统与急冷水塔系统和稀释蒸汽发生系统一起构成乙烯分离的重要系统单元——裂解气预分馏系统，也称为急冷系统。经预分馏处理后的裂解气再送到下游的压缩、冷分离和热分离等系统单元，最终分离出乙烯、丙烯等产品。采用石脑油、加氢尾油、轻柴油等馏分油作为主要原料的裂解装置所产裂解气中富含相当量的轻、重燃料油馏分，为避免这些燃料油馏分与水混合后发生乳化而难于进行油水分离，必须在冷却裂解气的过程中先将裂解气中的燃料油馏分分馏出来【1】，因此必须设置急冷油塔。急冷油塔的主要作用可以概括为：1)冷却来自裂解炉的裂解气；2)冷凝并分离裂解气中的重的副产品；3)获取干点合适的汽油及闪点合适的燃料油；4)最大限度从裂解产物中回收热量。

急冷油塔系统的操作性能和处理能力直接影响着整个乙烯装置的生产负荷和能耗水平。对于大型乙烯装置扩能改造项目，急冷油塔改造方案的确定非常关键，需针对装置原料特点、裂解产物组成、塔内气液负荷增幅、能量的合理利用等各方面进行综合分析和研究。

1 急冷油塔系统流程技术特点

某国产化大型乙烯装置急冷油塔系统的流程示意如图1所示。

图1 某乙烯装置急冷油塔系统流程示意

急冷油塔自上而下分为精馏段、盘油循环段、急冷油循环段3个部分。来自轻油炉和重油炉的裂解气从底部进料至急冷油塔，先后经循环急冷油、盘油和回流汽油冷却到约104 ℃后从塔顶送出到急冷水塔。裂解气中的轻燃料油组分在精馏段被冷凝送到轻燃料油汽提塔，以维持裂解汽油的终馏点。塔釜的热急冷油经旋液分离器脱除焦碳颗粒后，大部分被送到急冷油/稀释蒸汽发生器中回收热量并发生稀释蒸汽，少量被送到重燃料油汽提塔；重燃料油产品从塔釜采出。

设置盘油循环取热系统是该急冷油塔系统流程的技术特点之一，通过回收裂解气中间温位的热量作为下游分馏塔的再沸器热源，使得急冷油塔内的温度分布更趋合理，操作运行更稳定；该流程的技术特点之二是选择了有效的减粘方案，即通过设置重燃料油汽提塔，采用高温乙烷炉裂解气作为汽提介质，使急冷油中沸点高、粘度低的中间组分返回急冷系统循环，重质组分(PFO)作为产品采出，从而达到控制急冷油粘度、提高急冷油塔塔釜温度的效果，这样既能避免结焦堵塞，又能通过循环急冷油回收更多热量。

由于裂解气中含有焦粒，同时裂解气中的不饱和烃也可能发生聚合结垢，所以急冷油塔内件必须有良好的抗堵性能，以满足装置长周期运行的要求。

2 急冷油塔改造要求

2.1 急冷油塔进料量及塔内气液负荷

本文所述乙烯装置原设计产能为80万t/a，改造后装置需扩能到110万t/a，装置规模增幅较大。重工况下加氢尾油和柴油这些重质裂解原料占比很大，导致乙烯收率不高，仅为29.5%。因此与轻质原料相比，为实现装置产能，需要的原料总量会更多，急冷油塔进料的裂解气量也将更大。改造后重工况为急冷油塔系统的控制工况，对比原设计的控制工况，急冷油塔的裂解气进料总量增幅高达35%，且轻、重组分均增加，带入急冷油塔的总热量也增加，因此急冷油循环量上升，取热量增加，同时盘油循环量和回流汽油量也均上升。改造前后急冷油塔内各段气液负荷对比结果见表1。

表1 改造前后急冷油塔各段气液负荷对比

从表1中可见，扩能后急冷油塔内的精馏段、盘油循环段和急冷油循环段的气液负荷都有很大增幅，均超出原设计的最大气液负荷，需要对塔内件进行改造，特别是增幅最大的盘油循环段，改造难度更高。

2.2 急冷油塔压降

烃类蒸汽裂解生产乙烯的装置中，辐射炉管的压力对裂解产物收率有明显的影响，降低辐射炉管的出口压力(COP)，有利于提高烯烃的收率，提高企业的经济效益【2】。裂解气压缩机一段入口压力和COP密切相关，如果裂解炉和压缩机之间的设备管道压降大，使裂解气压缩机一段入口压力降低、压缩比增加，则压缩机的功耗增加。若保持压缩机入口压力不变，则必须提高裂解炉出口压力，从而使烃分压增加、裂解选择性降低【3】。因此，在设计上应尽量减小裂解炉和压缩机之间的设备管道压降，在生产操作上也要防止工艺设备发生结垢。

裂解炉和压缩机之间的主要设备是急冷油塔和急冷水塔。在本文所述乙烯装置中，急冷水塔采用填料塔，全塔压降相对较小。急冷油塔出于防止结焦的目的采用了板式塔，压降相对较大，需严格控制。扩能后，为保持裂解炉仍能在较低的COP下操作，急冷油塔全塔压降仍限制在不超过15 kPa，这也为改造增加了难度。

3 急冷油塔改造技术方案

对于改造装置，为减少改造工程量，缩短改造施工时间，塔的改造原则通常是利旧塔器壳体和设备基础，通过更换高效或高通量塔盘来提高塔的处理能力。本文所述乙烯装置原设计急冷油塔直径为11.5 m，对于这种超大型塔设备，通过利旧壳体改造内件来实现扩能无疑是优选方案，这对减少工程量和降低投资都更有利。

3.1 精馏段改造技术方案

急冷油塔精馏段为塔上部1号～12号塔板，原设计采用了由中国石化工程建设有限公司(SEI)开发的SFV固阀塔板专利技术【4】。该固阀塔板的阀体由塔板本体冲出，通过阀腿与塔板相连，阀面为长条形，两端为弧形，阀面与塔板之间夹角为锐角，沿液流方向的末端与塔板平行。阀面上根据需要冲出一个或多个舌片，舌片与阀面的夹角呈锐角且方向与液流方向相同。SFV固阀塔板的结构示意见图2。

图2 SFV固阀塔板结构示意和长轴剖面

SFV固阀塔板除具有抗堵性强的特点外，与其他现有固定阀塔板相比，其流体力学性能的优势还表现在塔板压降更低、雾沫夹带量更小、传质效率更高、气液通量更大等方面。

急冷油塔精馏段为双溢流，扩能后气液负荷增幅大，开孔面积不能满足要求，原塔板不能利旧。通过详细的计算和固阀排布方案研究，发现可以在现有的鼓泡区内通过布置更多的SFV固阀满足扩能要求。最终确定将原塔板拆除后，更换为开孔率更大的固阀塔板。精馏段更换塔板前后的流体力学计算结果见表2。

从表2中可以看出，在更换塔板后，泛点率、板压降、阀孔动能因子等各项指标都能够良好满足扩能改造要求。

表2 精馏段更换塔板前后流体力学计算结果

3.2 盘油循环段改造技术方案

急冷油塔盘油循环段为塔中部13号～20号塔板，原设计也采用了SFV固阀塔板技术。扩能后盘油循环段气液负荷增幅较大，且采用四溢流结构，鼓泡区面积有限，排阀空间不够，采用固阀塔板不能满足改造要求，因此拟采用一种新型高通量专利塔板——正交波纹塔板【5】。

正交波纹塔板(OWT)由SEI等单位合作开发，由北洋国家精馏技术工程发展有限公司(北洋精馏)对塔板流体力学性能进行研究，其通过将冲好孔的金属板按照特定的波纹方程压弯成波纹状而形成。该波纹方程如下：

式中：H——波纹的深度，mm；

L′——波纹的长度，mm。

H和L′的具体数值根据设计条件来选取。图3为正交波纹塔板的结构示意，图中T为波纹板的厚度(单位：mm)。

图3 正交波纹塔板结构示意

正交波纹塔板的结构特点决定了其具有良好的流体力学性能，其优势具体表现在以下几个方面：

一是良好的抗堵性。塔板的降液区和鼓泡区交错排布，液相朝多个方向流动，实现对塔板各区域的有效冲刷，降低结垢风险。

二是塔板压降低，传质、传热效果好。由于正交波纹板凹凸不平的特殊结构，使得波峰和波谷分别成为气相和液相的既定通道，从而减小阻力损失，也保证了操作的稳定性【6】；同时由于波峰、波谷在板上交替均匀分布，使得塔内的气液分布十分均匀；此外，气体从波纹的斜向筛孔喷入液层，加剧了板上泡沫层的湍动，促进气液更好接触，增强了传热和传质效果，而且不同方向的斜向气流相互作用还能有效抑制雾沫夹带。

三是正交波纹塔板可以随气液负荷变化自动调节降液和升气面积，因此具有很大的操作弹性。

图4是由北洋精馏通过塔板性能测试得到的几种不同塔板的全塔效率随基于空塔截面积的动能因子Fs的变化趋势。Fs用于表征塔内气液负荷的大小。

如图4所示，正交波纹塔板与穿流筛板的最高传质效率基本相同，但最高传质效率所对应的Fs因子差别很大，正交波纹塔板的Fs因子明显大于穿流筛板，并且穿流筛板的效率曲线在最高效率点附近下降剧烈，而正交波纹塔板在最高效率点附近一段范围内曲线平缓没有突变。由此可见，在相同开孔率条件下，正交波纹塔板具有更高的通量和稳定性。

从图4中还可以看出，在相同的气液负荷下，正交波纹塔板的传质效率要低于固阀塔板，这是由于两种塔板分属不同的气液流动接触类型。正交波纹塔板为逆流接触，固阀塔板为错流接触，而错流塔板的效率会更高。但从操作范围来看，正交波纹塔板会更大，能处理更大的气液负荷，更适合用于扩能改造。

图4 几种塔板的全塔效率对比

图5是正交波纹塔板与穿流筛板湿板压降对比。由图5可以看出，正交波纹塔板压降明显低于穿流筛板。因此采用正交波纹塔板可以降低裂解气压缩机的压缩比，进而降低功率，使乙烯装置能耗进一步降低。

图5 正交波纹塔板与穿流筛板湿板压降对比

针对扩能后急冷油塔盘油循环段气液负荷增幅过大的难题，在固阀塔板无法满足通量要求的情况下，采用高通量的正交波纹塔板成为优选方案。通过计算，对塔板的波高、波长和开孔直径等结构参数都做了最优化选取。表3是盘油循环段更换塔板前后的流体力学计算结果。由表3可以看出，在更换为正交波纹塔板后，塔内盘油循环段各项指标都能良好满足扩能改造要求。

表3 盘油循环段更换塔板前后流体力学计算结果

另外，通过调整塔板连接形式，既实现了塔板的牢固固定，也实现了尽量减少平板面积、增大起波面积的目的。

3.3 急冷油循环段改造技术方案

在急冷油循环段，裂解气被循环急冷油冷却。急冷油主要由稠环芳烃和沥青质组成，粘度较高，高温下容易缩聚。为尽量防止塔板结焦，原设计采用了20层人字挡板塔板。因塔板数比较富裕，扩能后为控制全塔压降，采取的改造方案是拆除最下面一组4层人字挡板塔板。

改造后急冷油塔的压降计算结果见表4。由表4可以看出，全塔压降能够满足不超过15 kPa的性能保证要求。

表4 改造后全塔压降计算 单位：kPa

4 结语

大型乙烯装置扩能改造时，急冷油塔等大型塔器的改造原则通常是利旧壳体，通过改造塔内件来提高塔的处理能力。急冷油塔处理全组分的裂解气，扩能后塔内气液负荷增幅大，且塔内容易聚合结焦，因此必须选用抗堵性强、塔板压降低、气液通量大、传质效率高的高性能塔板。正交波纹塔板具备这些良好的流体力学性能。采用正交波纹塔板，在不增加塔压降的情况下，能够实现扩能20%～40%。