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(中国石油 兰州石化公司 合成橡胶厂，甘肃 兰州 730060)

某6万t/a苯乙烯装置精馏单元中的精馏塔自2016年以来操作异常，表现为生产的苯乙烯产品中聚合物含量超标。按照生产工艺，苯乙烯产品分为优级和合格2个等级，其中优级品要求聚合物含量不大于10 mg/kg，合格品要求聚合物含量不大于50 mg/kg[1]。精馏塔操作异常情况下苯乙烯产品中聚合物含量平均为36 mg/kg，不能达到优级品要求。针对这种情况，生产上采取氮气在线吹扫的措施来维持工艺操作稳定[2],但也只能暂时维持产品稳定，效果不佳时采取的进一步处理措施为停车清理分布器。聚合物含量超标问题一直未得到彻底解决，严重影响精馏塔的长周期运行。

1 苯乙烯装置精馏塔内件状态

1.1 填料

苯乙烯装置精馏塔采用304不锈钢金属波纹板规整填料，由金属板轧制而成，安装时上下层错开90°，具有阻力小、气液分布均匀以及效率高等特点，适用于苯乙烯精馏负压操作。停车清理时观察到聚合物在填料表面和内部均有累积，见图1。填料网格表面被聚合物覆盖，已经失去了原有的金属光泽，大部分填料网格有不同程度的聚合物聚积，部分堵塞严重。

图1 填料内聚合物累积情况

1.2 分布器

苯乙烯装置精馏塔采用槽式液体分布器，分回流分布器及进料分布器2种，共2组，每组分布器均由一级分布槽和二级分布槽组成。

停车清理分布器时还可见分布器分布槽内液相分布孔内存在局部堵塞，见图2。这种堵塞会造液体成分布效果差，压差略降，上升气速加快，并引起塔内流动雾沫夹带[3]。

图2 苯乙烯精馏塔分布器内聚合物沉积情况

2 苯乙烯装置精馏塔性能优化与结构改进

2.1 总体优化和改进方案

苯乙烯装置精馏单元精馏塔结构类型为填料塔，该塔最初设计的填料型号为金属波纹板250Y，后期出于工艺原因，将填料更换为新型金属波纹板填料252Y[4]。

当时分布器没有与填料一起更换，之后的使用效果证明252Y填料与原装分布器匹配不佳，主要表现为液体分布效果差、塔操作弹性较小且容易发生偏流、漏液。

经过多方研究后决定，根据原始设计文件将填料换回250Y金属波纹板填料，同时重新设计分布器。分布器的设计和结构都要优化，前者以提高分布器的操作弹性为目标，后者以提高分布器的抗堵塞能力为目标。

2.2 分布器优化设计开孔算法

分布器为槽式液体分布器[5-9]，重点考虑抗堵塞能力。对分布器开孔重新进行设计计算，分布器液流总量为：

(1)

式中，Q为分布器液流总量，，m3/h；d为喷淋孔径d1或d2或d3,d1为二级分布槽内喷淋孔直径，d2为进料分布器一级分布槽内喷淋孔直径，d3为回流分布器一级分槽内喷淋孔直径，h为液位高度，即液面距喷淋孔中心的距离，m；n为喷淋孔个数；喷淋孔流量系数取2 826；g为重力加速度，m/s2。

2.3 精馏塔参照参数

已知精馏塔的直径为1 800 mm,加料液体最大质量流量为10.18 t/h、最小质量流量为5.94 t/h、正常质量流量为8.48 t/h、最大回流质量流量为6.97 t/h、最小回流质量流量为3.57 t/h、正常回流质量流量为6.31 t/h。

以最大质量流量、正常质量流量、最小质量流量均满足工艺要求为计算条件调整喷淋孔径，应用式(1)对分布器的一级分布槽和二级分布槽的开孔直径和开孔数量进行计算。

2.4 分布器设计计算结果

2.4.1回流分布器开孔方案

根据回流分布器开孔计算结果最终确定的开孔方案见表1～表4。

2.4.2进料分布器开孔方案

根据进料分布器开孔计算结果最终确定的开孔方案见表5～表8。

表1 回流分布器一级分布槽开孔方案

表2 回流分布器二级分布槽喷淋孔开孔方案

表3 回流分布器二级分布槽泪孔开孔方案

表4 回流分布器二级分布槽开孔(喷淋孔加泪孔)面积

表5 进料分布器一级分布槽开孔方案

表6 进料分布器二级分布槽喷淋孔方案

表7 进料分布器二级分布槽泪孔开孔方案

表8 进料分布器二级分布槽开孔(喷淋孔加泪孔)面积

2.4.3分布器组成及开孔说明

回流分布器和进料分布器结构及开孔设置相似，结合表1～表4和表5～表8说明如下：①每组分布器由10个二级分布槽组成，由于分布器整体呈圆形，所以分布槽长度不一而且对称布置，从最外侧开始编号，依次为1#、2#、……、10#。②开口面积为二级分布槽内喷淋孔与泪孔面积之和，不含溢流孔。③Ø10 mm溢流孔距上平面20 mm，为抗堵型设计，二级分布槽的上平面为二级分布槽上边缘。④原分布器由某填料厂家供应，详细数据保密，本次分布器改造开孔计算是根据操作条件重新核算，数据变量无法核查，但根据实际运行效果，操作弹性较以前明显增大。本次优化主要体现在结构优化上，针对实际操作中容易堵塞的情况提出分布器抗堵型设计，关键尺寸都是通过对原分布器实际测量对比得出。

2.5 分布器结构优化

2.5.1增大锯齿形溢流槽尺寸

锯齿形溢流槽安装在一级分布槽中，见图2。原设计锯齿形溢流槽尺寸(高×宽×长)为60 mm×150 mm×1 578 mm，改进后的锯齿形溢流槽的尺寸为120 mm×230 mm×1 578 mm。一级分布槽及锯齿形溢流槽结构改进情况见图3。

锯齿形溢流槽的改进方案是经过对液体流动路径和检修情况的综合分析，并考虑影响安装及液体分布的前提下得到的。苯乙烯精馏塔运行过程中，来自上层填料的介质通过降液管收集后先流入锯齿形溢流槽，再通过锯齿形溢流槽上的齿流入一级分布槽中，保证液体均匀分布[10]。因此液体首先会在锯齿形溢流槽中停留，其中大部分杂质会在锯齿形溢流槽中沉积。历次检修记录的情况是，锯齿形溢流槽中沉积杂质一般两端居多，中间偏少，杂质沉积物在锯齿形溢流槽内的平均高度约为槽高的2/3，因此可以判断增大锯齿形溢流槽的尺寸能阻止更多的杂质流入一级分布槽中堵塞分布孔，提高防杂质沉积能力和分布器抗堵能力[11]。

图3 一级分布槽及锯齿形溢流槽结构改进情况

2.5.2提高一级分布槽分配盒上开孔高度

一级分布槽底部有分配盒，液体通过分配盒上的溢流孔流入二级分布槽，由于杂质的沉积会堵塞溢流孔，导致分布器分布能力下降。

根据检修情况，底部沉积物的高度一般为20～25 mm，而原设计未考虑介质中杂质的沉积情况，开孔高度为20 mm。因此，在新的分布器中将开孔高度设计为30 mm，可以有效防止由于杂质沉积而引起溢流孔堵塞[12]。

2.5.3提高二级分布槽中喷淋孔高度

二级分布槽底部喷淋孔是影响分布器分布能力的主要因素，在生产过程中，液相中杂质不可避免会沉积。根据检查了解到的情况，二级分布槽中杂质沉积高度一般为30 mm，原分布器开孔高度为30 mm，满足不了抗堵塞的要求，因此在新的分布器中将开孔高度设计为50 mm。二级分布槽开孔结构改造情况见图4。

2.5.4二级分布槽加装防冲挡板

由于液体冲刷作用，分布槽内聚合物会呈现两边多、中间少的情况，因此增加防冲挡板可避免因杂质沉积不均匀导致分布孔局部堵塞引起的分布不均匀[13]。改造前每块二级分布槽独立安装，不但拆装难度大，更重要的是当一级分布槽分布孔堵塞后，流入二级分布槽内的液体分配量不均造成分布器整体分布不均匀。因此改造后将二级分布槽两两配对，中间用筋板连接，并设置流体通道，这样可以有效调整二级分布槽内液体分配量，进一步提升分布器分布能力。

图4 二级分布槽开孔结构改造情况

2.5.5一级分布槽、二级分布槽上部增加溢流孔

在一级分布槽增开Ø20 mm的溢流孔，距上平面20 mm；在二级分布槽顶部增加Ø10 mm的溢流孔，距上平面20 mm。这样可以有效防止底部溢流孔及喷淋孔堵塞后的液体不均匀分布，从而进一步提升分布器的抗堵塞能力。

3 苯乙烯装置精馏塔改进优化效果

更换填料及分布器的改造于2016-10实施，改造前后分布槽内沉积物情况见图5～图7。改造后装置运行周期达到2 a，期间工艺运行平稳，苯乙烯产品聚合物含量稳定，一直达到优级品等级。

图5 改造前一级分布槽内沉积物情况

图6 改造后一级分布槽内沉积物情况

图7 改造前后二级分布槽内沉积物情况

2019-06检修，分布器一级分布槽内杂质很少，分布孔未有堵塞，二级分布槽内聚合物沉积较多，但分布槽顶部堵溢流孔未有堵塞，可见改造后的分布器分布能力、抗堵能力都有了明显提高，能够满足设备长周期运行的需要[14]。

4 结语

苯乙烯精馏塔结构改造和优化提高了设备运行可靠性，分布器的分布及抗堵塞能力在改造后有了明显提高。经测试塔内黑色沉积物有磁性，初步判断主要成分为催化剂粉尘和苯乙烯聚合物，因此可优化工艺操作减少脱氢催化剂脱粉情况，或对现有加料丝网过滤器进行改造，或使用新型阻聚剂DNBP减少苯乙烯聚合物，通过新工艺、新设备、新技术的使用,从源头解决系统内聚合沉积物产生问题，进一步提高设备运行周期[15]。