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《化工生產(chǎn)與技術(shù)雜志》2015年第一期

1流程優(yōu)化過(guò)程分析

1.1甲苯預(yù)熱器熱源從工藝流程中可看出，甲苯預(yù)熱器采用蒸汽預(yù)熱，蒸汽規(guī)格為0.4MPa（表)飽和水蒸汽，塔底冷卻器采用循環(huán)水冷卻。循環(huán)水上水溫度32℃，回水溫度37℃，塔底冷卻后精甲苯溫度40℃，因此考慮將甲苯預(yù)熱器熱源由飽和蒸汽改為利用塔底112℃的精甲苯，同時(shí)還可降低塔底冷卻器所需循環(huán)水用量。塔底冷卻器采用循環(huán)水冷卻和采用粗甲苯進(jìn)料冷卻的比較如下：1)采用循環(huán)水冷卻時(shí)，原換熱器外形尺寸為準(zhǔn)325mm×4500mm，四管程，管程走精甲苯液體，進(jìn)出口溫度分別為112℃和40℃，殼程走循環(huán)冷卻水，進(jìn)出口溫度分別為32℃和37℃，換熱面積19m2，換熱管54根，熱負(fù)荷約368GJ/h，對(duì)數(shù)溫差△θm為28.3℃，傳熱系數(shù)872MJ/(h•m2)。其中管程精甲苯液體流速0.21m/s，傳熱系數(shù)1151MJ/(h•m2)；殼程循環(huán)水流速0.53m/s，傳熱系數(shù)16.77GJ/(h•m2)。實(shí)際和需求換熱面積比1.266。2)采用進(jìn)料粗甲苯與采出的精甲苯互為換熱，且塔底冷卻器外型尺寸為不變時(shí)。①保證甲苯精制塔塔釜精甲苯出料從112℃冷卻至40℃。此時(shí)進(jìn)料粗甲苯物料可從25℃加熱至99.6℃。換熱器僅可以采用單管程，管程走精甲苯液體，進(jìn)出口溫度分別為112℃和40℃，殼程走粗甲苯冷介質(zhì)，進(jìn)出口溫度分別為25℃和99.6℃，換熱面積22m2，換熱管63根，熱負(fù)荷368GJ/h，△θm為13.56℃，傳熱系數(shù)327.8MJ/(h•m2)。其中管程精甲苯熱介質(zhì)流速0.04m/s，傳熱系數(shù)464.8MJ/(h•m2)；殼程粗甲苯冷介質(zhì)流速0.14m/s，傳熱系數(shù)1352MJ/(h•m2)。實(shí)際和需求換熱面積比0.266，換熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。管殼側(cè)介質(zhì)對(duì)調(diào)后傳熱系數(shù)基本沒(méi)有變化。②保證該換熱面積足夠時(shí)所能達(dá)到的換熱量：換熱面積22m2，換熱管63根，與上面相同。此時(shí)粗甲苯物料可從25℃加熱至79.6℃。換熱器也僅可以采用單管程，管程同樣走精甲苯熱介質(zhì)，進(jìn)出口溫度分別為112℃和65℃，殼程走粗甲苯冷介質(zhì)，進(jìn)出口溫度分別為25℃和76.7℃，熱負(fù)荷248GJ/h，△θm為37.48℃，傳熱系數(shù)383MJ/(h•m2)。其中管程精甲苯熱介質(zhì)流速為0.04m/s，傳熱系數(shù)599MJ/(h•m2)；殼程粗甲苯冷介質(zhì)流速為0.14m/s，傳熱系數(shù)1294MJ/(h•m2)。實(shí)際和需求的換熱面積比為1.277。精制塔塔釜采出物料冷卻后未能達(dá)到40℃。從以上分析計(jì)算結(jié)果可知，若要實(shí)現(xiàn)既節(jié)約能量，同時(shí)又能滿足冷熱介質(zhì)出口溫度的要求，初步考慮有以下2種整改方案：1)使用單個(gè)換熱器，先將精甲苯熱介質(zhì)冷卻至40℃，此時(shí)粗甲苯冷介質(zhì)出口溫度可達(dá)到約100℃，但此時(shí)粗甲苯和精甲苯換熱用換熱器面積將會(huì)由于對(duì)數(shù)溫差和傳熱系數(shù)極低而非常不經(jīng)濟(jì)。2)使用2個(gè)換熱器，保持原塔底冷卻器外型不變，改為單管程，換熱面積和換熱管數(shù)量分別調(diào)整為22m2和63根，先將精甲苯冷卻至65℃，其出口再增加1個(gè)采用循環(huán)水冷卻的換熱器，將精甲苯由65℃再冷卻至40℃，粗甲苯加熱至76.7℃后直接進(jìn)甲苯精制塔，該方案對(duì)甲苯精制塔的影響需要結(jié)合對(duì)精制塔所做的優(yōu)化后才可判斷。

1.2精制塔進(jìn)料位置該精制塔塔內(nèi)件為散堆填料，原流程中粗甲苯進(jìn)料位置在精制塔塔頂?shù)谝欢翁盍舷路轿恢茫渖戏竭€有相當(dāng)于2塊理論板高度的填料床層，考慮到該精制塔的目的在于盡可能脫除甲苯中的水，從而在塔釜獲得盡可能純的甲苯，而塔頂出料中的水通過(guò)分層后采出，因此對(duì)塔頂餾出液純度要求不高，也即該塔只要能起到逐板提取下降液相中易揮發(fā)組分的作用即可[2]。經(jīng)過(guò)分析可知，可將原設(shè)置在塔頂?shù)?段填料下方的進(jìn)料移至塔頂，同時(shí)可將塔頂40℃回流物料移至粗甲苯中間罐，與其中的常溫粗甲苯一起經(jīng)過(guò)預(yù)熱器后再進(jìn)入塔頂。

2優(yōu)化后的工藝流程及比較

2.1工藝流程從以上分析中可知，將需加熱的常溫原料粗甲苯與精制塔塔底出料精甲苯互為換熱，可有效減少循環(huán)水和蒸汽消耗量，同時(shí)考慮到溫差和傳熱系數(shù)因素，將粗甲苯加熱至76.7℃后直接進(jìn)精制塔，并在甲苯預(yù)熱器出口利用循環(huán)水將已冷卻至65℃的精甲苯再冷卻至40℃。優(yōu)化后工藝流程見(jiàn)圖2所示。該流程與原流程的差異在于，甲苯預(yù)熱器采用粗甲苯和精甲苯互為換熱，同時(shí)粗甲苯進(jìn)料位置由原第1段填料下方移至塔頂位置，塔頂回流甲苯改為進(jìn)粗苯中間罐，其余與原流程相同。

2.2設(shè)備比較1)甲苯精制塔。優(yōu)化前塔徑300mm，填料節(jié)共3段，塔頂回流至進(jìn)料之間一段1.5m，進(jìn)料口下方2段共6m；優(yōu)化后塔徑不變，總填料塔節(jié)高度不變，共7.5m，進(jìn)料處于原塔頂回流位置，原回流口取消。2)塔頂冷凝器。優(yōu)化前外型準(zhǔn)273mm×2000mm，換熱面積6.44m2，循環(huán)水用量約5t/h；優(yōu)化后外型尺寸調(diào)為準(zhǔn)273mm×1500mm，換熱面積4.83m2，循環(huán)水用量約2.3t/h。優(yōu)化前后循環(huán)水用量減少約2.7t/h。3)再沸器。優(yōu)化前設(shè)備外型準(zhǔn)219mm×1500mm，換熱面積3.18m2，0.4MPa（表壓）飽和蒸汽用量約60kg/h，實(shí)際與需求的換熱面積比為2.7；優(yōu)化后設(shè)備外型尺寸和換熱面積不變，0.4MPa（表壓）飽和蒸汽用量增加至約120kg/h，實(shí)際與需求的換熱面積比變?yōu)?.55。優(yōu)化前后蒸汽用量增加約60kg/h。4)甲苯預(yù)熱器。優(yōu)化前該設(shè)備外型準(zhǔn)273mm×3000mm，換熱面積7.07m2，0.4MPa（表壓）飽和蒸汽用量約267kg/h；優(yōu)化后設(shè)備外型尺寸準(zhǔn)325mm×4500mm，換熱管63根，換熱面積約22m2。優(yōu)化前后蒸汽用量減少約267kg/h。5)塔底冷卻器。優(yōu)化前設(shè)備外型準(zhǔn)325mm×4500mm，采用4管程，換熱管54根，換熱面積19m2，循環(huán)水用量約17.6t/h；優(yōu)化后設(shè)備外型尺寸準(zhǔn)300mm×3000mm，4管程，換熱管48根，換熱面積11.31m2，循環(huán)水用量約需5.8t/h。優(yōu)化前后循環(huán)水用量減少約11.8t/h。綜上所述，優(yōu)化前后設(shè)備個(gè)數(shù)不變，甲苯精制塔塔徑和塔高沒(méi)有變化，甲苯預(yù)熱器換熱面積增加較大，但甲苯塔頂冷凝器和塔底冷卻器換熱面積有所減少。

2.3公用工程消耗比較從以上比較中可知，優(yōu)化前后0.4MPa（表壓）飽和蒸汽用量共減少約200kg/h，32～37℃循環(huán)水用量共減少約14.5t/h。2.4精甲苯中水含量比較利用流程模擬軟件，對(duì)優(yōu)化前后流程分別做了模擬。計(jì)算結(jié)果列于表1中。表1結(jié)果表明，將原料粗甲苯進(jìn)料位置從第1段填料下方調(diào)整至塔頂后，塔底出料精甲苯中水含量降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明該優(yōu)化基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)精制后精甲苯濃度的進(jìn)一步提高。

3小結(jié)

結(jié)合筆者工作中遇到的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)氯化芐甲苯精制流程優(yōu)化過(guò)程做了分析和總結(jié)，結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)粗甲苯原料和精制后精甲苯互為換熱，可減少甲苯精制流程中循環(huán)水和飽和蒸汽用量；通過(guò)將粗甲苯進(jìn)料位置從精制塔第1段填料下方調(diào)整至塔頂，可進(jìn)一步提高精制后精甲苯的純度。

作者：王福明單位：上海華誼工程有限公司