規(guī)整填料之催化分餾塔塔盤改填料技術(shù)應(yīng)用
催化裝置分餾塔塔盤改造為填料后，可降低分餾塔的壓降，從而提高氣壓機入口壓力或降低主風(fēng)機出口壓力，降低裝置能耗。同時，在分餾塔塔高、塔徑不變的情況下提高了分餾塔的處理能力和分離精度。
1.前言
催化裝置分餾塔內(nèi)部構(gòu)件通常采用擋板和塔盤結(jié)合的方式。設(shè)置的擋板的作用是利用油漿與反應(yīng)油氣接觸洗滌油氣中夾帶的催化劑顆粒，脫除反應(yīng)油氣的過熱回收熱量，同時冷凝油氣中的油漿組分。因此，分餾塔底部的擋板是油氣與油漿進行接觸傳質(zhì)傳熱的場所，有環(huán)形擋板和人字擋板等形式。塔盤通常采用斜孔塔盤，具有壓降低和不易堵塞的特點，同時分餾塔需要分離的汽油、柴油、回?zé)捰徒M分之間恩氏蒸餾50％點相差較大（相對揮發(fā)度相差大），斜孔塔盤的分離效果能夠滿足產(chǎn)品分離要求。
塔器按其結(jié)構(gòu)可分為板式塔和填料塔。板式塔具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、適應(yīng)性強、易于放大等，其流體力學(xué)和傳質(zhì)模型研究比較成熟，在70年代以前塔板的開發(fā)研究處于地位。但在近20年來由于性能良的新型填料相繼問世，特別是規(guī)整填料及新型塔內(nèi)件的不斷開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，使填料塔的放大技術(shù)有了新的突破，改變了以板式塔為主的局面。規(guī)整填料作為低壓降下具有高傳質(zhì)效率的裝置倍受青睞。與板式塔相比，新型填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降小、操作彈性大、持液量小等點。但也有一些不足，如：造價高；對需安裝中間再沸器或多側(cè)線出料等復(fù)雜精餾塔不太適合。應(yīng)用于高壓精餾，由于軸向返混大而導(dǎo)致效率低，需特殊設(shè)計填料塔。
（1） 從國內(nèi)外催化裝置分餾塔改造為填料塔的應(yīng)用實際情況表明，催化分餾塔改造為填料塔后，在提高裝置處理能力、節(jié)能降耗、提高分離精度方面發(fā)揮了積極作用。但也存在一些問題需要在改造過程中予以關(guān)注。
（2）在石油煉制領(lǐng)域，規(guī)整填料成功應(yīng)用于原油常壓蒸餾、減壓蒸餾塔，催化吸收－穩(wěn)定系統(tǒng)吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔等。催化裝置分餾塔為帶有側(cè)線抽出和中段回流取熱的復(fù)雜精餾塔，國內(nèi)應(yīng)用填料改造的實例不多。國外FCC分餾塔的工業(yè)化應(yīng)用規(guī)整填料始于1983年，液體分配器設(shè)計進一步改進后，使改造方案更臻完善和成熟。
2.催化裝置分餾塔改造為填料塔的工業(yè)應(yīng)用情況
2.1降低裝置能耗為主要目的的改造應(yīng)用 FCC裝置分餾塔采用規(guī)整填料可大大改善催化裝置的壓力分布。主分餾塔典型的壓力降約為34.3kPa，而填料塔為6.9kPa，利用27.3kPa的壓降可解決氣壓機或主風(fēng)機的卡脖子問題。采用填料式分餾塔使反應(yīng)器出口至氣壓機的壓力降減少，其效益是：提高氣壓機吸入壓力，解決氣壓機能力瓶頸問題，和（或）減少氣壓機所需功率；降低主風(fēng)機排出壓力，解決主風(fēng)機能力瓶頸問題。此外，可改進分餾塔的熱回收方案，提高分餾塔內(nèi)的熱回收，減少塔頂系統(tǒng)負荷，減少該系統(tǒng)的壓降，帶來附加效益，包括簡化塔頂系統(tǒng)。
2.1.1降低氣壓機能耗 FCC裝置氣壓機用于壓縮反應(yīng)生成的富氣，同時利用吸入的氣體控制反應(yīng)壓力。反應(yīng)壓力與氣壓機入口之間的壓力主要為分餾塔塔盤壓降和分餾塔頂油氣冷凝冷卻系統(tǒng)壓降。氣壓機的功率與氣壓機入口氣體量或壓比（出口壓力/入口壓力）基本成線性關(guān)系。在表1中（實例1），反應(yīng)壓力不變，分餾塔改填料塔后氣壓機入口壓力上升，氣壓機的壓比下降，氣壓機入口吸入流量（體積）能夠增加；入口壓力的提高后入口氣體密度增加，進而提高氣壓機的質(zhì)量流量。分餾塔改造為填料塔后實現(xiàn)了氣壓機功率增加不多（11.4％），而裝置處理能力增加較多的目的（22.5％），這對因氣壓機負荷不足限制加工能力的裝置尤其具有實際意義。 表1某FCC改造前后數(shù)據(jù)對比（2） 項目改造前改造后改變幅度 進氣量的上限/103m3.h-151.768.9增加33.3％吸入壓力/kPa82.0114.4提高39.5％ 排出壓力/kPa1537.31537.3/氣壓機功率/MW5.355.96增加11.4％ 分餾塔壓降/kPa39.39.6降低75.6％裝置能力/m3.d-11272015104提高22.5％ 2.1.2降低主風(fēng)機能耗 FCC裝置反應(yīng)器壓力與器壓力是相匹配的，當(dāng)一方壓力上升或下降，另一方也必須同步變化，否則無法保持反再壓力平衡。在表2（實例2）中，分餾塔改填料塔后氣壓機入口壓力維持不變，因分餾塔壓降降低，故反應(yīng)壓力可以降低；同步降低了器壓力也就是降低了供風(fēng)的主風(fēng)機出口壓力。主風(fēng)機出口壓力降低后，其供風(fēng)量可提高，實現(xiàn)提高器燒焦能力增加處理量的目的。對于裝置能力受主風(fēng)機負荷限制的裝置（主風(fēng)流量為瓶頸），分餾塔改造填料塔也是增加裝置處理能力的有效途徑。
（2） 項目改造前改造后對比效果 氣壓機吸入壓力/kPa68.968.9/分餾塔頂壓力/kPa96.596.5/ 分餾塔底壓力/kPa131.0103.4（塔盤壓降減少27.5kPa）反應(yīng)壓力/kPa151.7124.1/ 壓力/kPa137.9110.3/主風(fēng)機出口壓力/kPa220.6193.1（主風(fēng)量可以提高14％） 2.1.3化分餾系統(tǒng)的利用，降低塔頂冷凝冷卻負荷 分餾塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)需將塔頂出來氣相中的汽油、液態(tài)烴、干氣、水蒸氣進行冷凝冷卻。塔頂油氣冷凝冷卻系統(tǒng)的壓降降低后同樣能夠提高氣壓機入口壓力。分餾塔改填料塔后增加重汽油回流和抽出側(cè)線，使原來從塔頂出來的汽油組分氣相中的一部分氣體在分餾塔上部冷凝后抽出，降低進入塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)的氣體流量，降低此系統(tǒng)壓降，實例3說明這一點。其中氣壓機入口壓力的提高是由分餾塔壓降降低和分餾塔頂油氣冷凝冷卻系統(tǒng)壓降降低共同貢獻的。 實例3：某FCC用規(guī)整填料改造后，在分餾塔頂增加一條（重）粗汽油回流線。（增加重粗汽油抽出流程）使塔頂冷凝器熱負荷減少22.4MJ/h，并使氣壓機入口壓力提高14.5kPa，入口體積流量減少20％，功率下降10％。
（3） 分餾塔設(shè)置的重汽油抽出取熱的抽出溫度高于塔頂油氣溫度，這樣使得冷卻重汽油回收熱量的溫位較冷卻塔頂油氣回收熱量的溫位提高。據(jù)介紹：FCC主分餾塔經(jīng)過化可回收更多的。化后塔內(nèi)氣液相負荷將增加,這就需要用高效填料或大處理量的塔盤。原板式分餾塔改造為填料塔后，分餾塔從下到上有5個側(cè)線抽出回流，分別為油漿、二中段（重油）回流、一中段（輕油）回流、重汽油回流、頂回流。重汽油抽出位置在重汽油回流返塔口，這樣有利于提高重汽油抽出溫度，提高利用的溫位。改造前分餾塔為板式塔，重汽油抽出位置與重汽油回流抽出口同一層塔盤.
（4）文獻5中也介紹了分餾塔板式塔改填料塔后抽出重汽油這一改造化利用的方法。應(yīng)當(dāng)指出的是，分餾塔抽出重汽油并非在填料塔上可以實施，對于板式塔設(shè)計重汽油抽出流程，需要增加塔盤數(shù)、換高效塔盤以提高上部塔的分離精度。而選用填料改造則是提高上部塔分離效果的一種選方案。分餾塔用規(guī)整填料代替塔盤的改造設(shè)計應(yīng)考慮包括液體分配器在內(nèi)的全部內(nèi)構(gòu)件的化利用，經(jīng)驗證明用填料代替塔盤能保證汽油柴油分割質(zhì)量，并且還能降低全塔的壓力降，解決主風(fēng)機或氣壓機的瓶頸問題（降低主風(fēng)機或氣壓機能耗），化分餾塔的利用。 2.2提高裝置加工負荷為主要目的的改造應(yīng)用 2.2.1處理量由5萬噸/年提高為15萬噸/年改造。
（5） 吉林省農(nóng)安煉油廠5萬噸/年常壓蒸餾－渣油催化裂化聯(lián)合裝置改造擴建為15萬噸/年裝置改造，由大慶石油化工設(shè)計院設(shè)計，將板式分餾塔改造為規(guī)整填料不但實現(xiàn)處理能力翻番，而且分離效率提高。 原分餾塔共28層塔板，上段直徑1.2米，頂段以下各段直徑均為1.6米?？紤]中段回流以下和回?zé)捰投蔚乃?，在高溫下長期運行易發(fā)生結(jié)垢堵塞，仍采用固舌塔板。全塔有三段填料，頂段為3.0米125X填料；輕柴油段為3.8米250Y填料；中段回流段為0.8米250Y和0.8米125Y填料。中段回流以下為8塊塔盤。設(shè)計高彈性槽式多級液體分布器。改造后裝置于1991年9月開始運行，分餾塔壓降為9kPa，比板式塔壓降減少9kPa。實踐證明規(guī)整填料分餾塔具有處理能力大、操作彈性大、分離精度高、壓力降大、分離效率高、能耗低等點。 2.2.2處理量由2.0Mt噸/年提高為2.8Mt/年改造。
（6） 大連西太平洋石油化工有限公司（WEPEC）2.0Mt/a重油催化裂化裝置，裝置主分餾塔塔盤采用30層篩孔和6層人字擋板。根據(jù)裝置擴能至2.8Mt/a的需要，分餾塔采用格利奇高效分離技術(shù)改造。在原塔高和塔徑不變的情況下，將1～17層（從上至下）和脫過熱段更換為5段填料。 根據(jù)改造前對分餾塔進行的負荷試驗表明：塔頂回流段、汽油－輕柴油分離段、一中段氣相負荷偏高，傳質(zhì)、傳熱面積明顯不足。一中以下塔盤的氣相負荷較為正常，一中以下塔盤的傳質(zhì)、傳熱面積能夠滿足改造前操作的要求。改造的要求為：塔高、塔徑不變；各抽出口位置不變；設(shè)置重汽油抽出系統(tǒng)，重汽油是否抽出均能正常操作；回?zé)捰筒怀槌鰰r，全塔能正常操作；全塔壓降不大于20kPa。
（7） 2.3分餾塔底脫過熱段檔板改造為規(guī)整填料問題 據(jù)介紹，分餾塔底脫過熱段采用規(guī)整填料，很少產(chǎn)生結(jié)焦問題。Valero煉油廠采用Koch Flexi-grid Ⅱ型410不銹鋼規(guī)整填料；太陽公司（Refining and Marketing Inc）使用Glish Grid（格利奇格柵）規(guī)整填料；Lummus Grest公司也將幾座分餾塔中檔板用規(guī)整填料取代，沒有發(fā)現(xiàn)堵塞問題；Cenex煉油廠也安裝了Koch Flexi-grid規(guī)整填料，其運轉(zhuǎn)溫度為370℃。這些將分餾塔底油漿與反應(yīng)油氣接觸的檔板系統(tǒng)改造為格柵（grid）系統(tǒng)的裝置均沒有出現(xiàn)塔底和油漿系統(tǒng)結(jié)焦問題。要安裝規(guī)整填料，必須要確保有一定的流量的流體流過填料。
（1）輕柴油段和一中段填料上部為槽盤式分配器；頂段和塔底脫過熱段填料上部采用窄槽式分配器；重汽油上部為窄槽集油箱式分配器，集重汽油分配器和頂集油箱功能于一體。重汽油從重汽油段下部槽盤式分配器一側(cè)抽出，抽出斗為弓型槽。
（2）頂段原為4層篩孔塔盤，改為240mm格利奇格柵（目的是塔頂溫度降低后出現(xiàn)的結(jié)鹽和腐蝕問題）和1560mmGEMPAK填料以及重汽油分離段采用的1980mmGEMPAK填料。輕柴油段原為9層篩孔塔盤，改為2860mmGEMPAK填料。一中段原為4層篩孔塔盤，改為1800mmGEMPAK填料。
（3）輕柴油抽出層塔盤更換為格利奇塔盤，固定件利舊。重柴油段的6層篩孔塔盤、二中段的4層篩孔塔盤和回?zé)捰投蔚?層篩孔塔盤分別改造為格利奇塔盤。
（4）為了結(jié)焦、降低壓降和提供足夠的換熱面積，將原脫過熱段上部4層人字擋板更換為1320mm格利奇格柵。其余2層人字擋板保留。 改造后分餾塔負荷能夠滿足裝置2.8Mt/年加工量的要求。分餾塔壓降由原來2.5Mt/a加工量35kPa降低為2.9Mt/a加工量12.1kPa。改造后分餾塔能夠在60％負荷下運行，汽油、柴油脫空。 改造后存在頂回流泵抽空問題，必須向入口補充粗汽油。分析為頂回流抽出集油箱為常規(guī)集油箱和分布器的結(jié)合體，集油箱抽出板為52塊分布板拼裝而成，分布板之間沒有密封件，其縫隙將漏液。加上抽出槽底部有378個Φ4小孔，總漏量大于頂?shù)膬?nèi)回流量，出現(xiàn)頂油泵抽空問題。由于不能建立正常液位，使分布器起不到應(yīng)有的作用，嚴(yán)重影響重汽油精餾段的分離效率，導(dǎo)致重汽油餾程大不到設(shè)計要求，汽油、輕柴油的餾分有較大的重疊。盡管裝置可以運行，但對裝置的加工負荷、重汽油精餾段的分離精確度、塔頂油氣的冷卻負荷、操作的平穩(wěn)率有較大的影響。需停工后對窄槽式分配器進行改造。
2.2.3北海石油化工廠采用塔板/填料混合形式改造分餾塔 北海石油化工廠催化裂化裝置處理量由0.15Mt/年提高為0.34Mt/年，分餾塔一直使用板式塔。存在塔中上部汽液負荷過高問題，汽、柴油分割不清，操作難度大。采用塔板/填料混合形式改造分餾塔：原底部9層人字擋板保留；底部1～3層固舌塔盤開孔率由17.8％提高為20％；中部8～11層采用JF角形雙動條閥；中部12～28層改為JP型金屬孔板波紋填料。其中頂出入口之間1750mm空間為JP－1A，頂頂抽出和富吸收油返塔之間1920mm空間為JP－4A，富吸收油與柴油抽出800mm空間為JP－4A，中段出入口之間1500mm空間為JP－1B。采用錐形篩板汽液分布器。改造后FCC處理能力提高為0.36Mt/年，分餾塔產(chǎn)品分離精確度提高，操作難度減小。
（8） 在板式塔內(nèi)，氣體或液體每經(jīng)過一層實際塔盤都得到近乎完全的混合。，因此液體在塔盤上的溝流或氣體在塔盤上的分布不均都只影響一層塔盤的效率，但在填料塔內(nèi)不同。每種填料有它自身的液體分部能力，如初分布均勻度比自身均勻度差，要靠增加填料高度來補償是困難的，因為恢復(fù)自身均勻度的速度慢，有可能不能補償已經(jīng)形成的濃度差。因此，液體分布器是填料塔的重要組成部分。另外對于板式塔，進料氣體分布不均勻?qū)Ψ逐s效率影響較小，因為塔盤的壓力降較大，氣體經(jīng)過一層塔盤后就基本分布均勻了。在塔盤改為填料后，往往進料段上方一個床層的壓降進料動能造成的壓降的1/3。分布不均的氣體穿過填料床，大大降低填料床分離效率。
（9）能夠引起油漿系統(tǒng)結(jié)焦因素較多，但上述例子可以證明將塔底檔板改造為規(guī)整填料后應(yīng)當(dāng)不會引起結(jié)焦和出現(xiàn)填料堵塞問題，說明分餾塔底脫過熱段采用格柵填料是可行的.。2.4.分餾塔改造為填料塔出現(xiàn)的問題 Lyondell 石化公司 Houston煉油廠FCCU原板式分餾塔的處理量為12561m3/d，希望能提高到14628 m3/d。反再系統(tǒng)受壓力平衡限制，不能提高催化劑量和轉(zhuǎn)化率。另外器更換的新式柵板分布器壓降較高，為不影響主風(fēng)機的處理量，也希望降低分餾塔的壓降。改造為填料塔，初次改造采用一種組合式液體收集器/再分布器，目的是盡可能增加填料的高度。改造后出現(xiàn)汽油干點情況，并且汽油干點不隨分餾塔回流量的提高或裝置進料量的降低而變化。塔無法正常運轉(zhuǎn)的主要原因是出現(xiàn)液體分布差、氣體分布差以及存在液泛現(xiàn)象。初次改造使用的組合頂液體收集器/再分布器在大直徑分餾塔上沒有成功應(yīng)用過，整個塔的液體分布嚴(yán)重不均，并且在收集器塔盤上有少量液體再混合。因分布不均引起的組分濃度梯度在塔的較低部位也沒能改善。組合收集器/再分布器有一個寬槽，上面不開孔，使下面的大部分填料沒有液體的初次分布。 Glitsch公司對次分餾塔成功進行二次改造。液體收集器和分配器是各自分開的，分布器帶有一個分離箱。帶有多個分離箱的分布器應(yīng)避免在高液體流率、直徑很大的分餾塔中使用。分布器上的槽和分離箱的水平位置應(yīng)保證相差不大于0.3cm。否則會引起分布不均。攜帶氣體和具有水平速度是液體分布差的主要原因，因此分離箱應(yīng)設(shè)立一些平穩(wěn)區(qū)以減少上述因素的影響。分離箱還需要有一定高度。對于大直徑、高液體流率分餾塔，應(yīng)十分重視分布器的設(shè)計，填料性能的發(fā)揮直接受其支配。所有此類分餾塔改造失敗的原因是由于液體收集器和再分布器系統(tǒng)設(shè)計不過關(guān)。
（10） 大連西太平洋石油化工有限公司（WEPEC）2.0Mt/a重油催化裂化裝置改造后填料塔也存在頂回流抽出集油箱設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致頂回流泵抽空的問題。 上述兩個實例也說明了一個問題：采用填料改造中液體的收集和分配是影響改造成功與否的重要因素。文獻中提到，有些催化裂化裝置的分餾塔改用規(guī)整填料后所出現(xiàn)的問題，主要是液體分布器設(shè)計不良所致。例如，有的分餾塔只對液體分布器只進行簡單修改，規(guī)整填料的等板高度便從1320mm減至610mm，可見規(guī)整填料的高分餾效率是很明顯的，液體分布器的設(shè)計也是至關(guān)重要的。
（11） 3 結(jié)語 催化裝置分餾塔改造為填料塔，既可以對部分塔盤改造，也可以全塔均采用規(guī)整填料（包括塔底檔板系統(tǒng)）。能夠?qū)崿F(xiàn)降低分餾塔壓降，降低氣壓機或主風(fēng)機能耗，提高裝置處理能力，化分餾塔的利用等種種好處。但同時也也應(yīng)注意，塔進料分布器、液體收集器和分配器設(shè)計良是規(guī)整填料改造成功與否的關(guān)鍵（尤其對大直徑塔器）。
