激冷水系統(tǒng)油水分離裝置優(yōu)化研究

李瑞龍　張偉　李云

摘 要：針對(duì)煤基甲醇制丙烯（MTP）工藝激冷系統(tǒng)中油水分離困難的問題，通過對(duì)防渦流擋板、收集器降液管及烴側(cè)溢流汽油管線進(jìn)行了改造優(yōu)化，減少了液體介質(zhì)進(jìn)入接管時(shí)回旋形成的旋渦及由此帶入液體介質(zhì)的氣泡，增加了水/重?zé)N停留時(shí)間，并將激冷水系統(tǒng)中重?zé)N及時(shí)轉(zhuǎn)移，解決了煤基甲醇制丙烯工藝中激冷系統(tǒng)油水分離的問題，激冷水泵汽蝕現(xiàn)象大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了激冷系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān) 鍵 詞：甲醇制丙烯；激冷系統(tǒng)；油水分離；裝置優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ 201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1444-03

Optimization of Oil and Water Separation Device in Quench Water System

LI Rui-long1，ZHANG Wei2，LI Yun2

（1. Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd. Coal-to-Oil Branch， Ningxia Yinchuan 750411， China；

2. Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd. Coal-to-Oil Research and Development Center， Ningxia Yinchuan 750411， China）

Abstract： Aiming at the problem that oil and water separation was difficult in the process of coal based methanol to propylene （MTP），the modification and optimization of the vortex breaker， the collector downcomer and the hydrocarbon side overflow gasoline pipeline were carried out. The problem of oil and water separation in quench water system was solved by the means of reducing the vortex and bubbles when liquid medium drained into the pipeline， extending the water and heavy hydrocarbon retention time and removing the heavy hydrocarbons from quench water. The result showed that the phenomenon of pump cavitation greatly reduced and the smooth running of the quench water system was realized.

Key words： Methanol to propylene；Quench system；Oil and water separation；Device optimization

煤基甲醇制丙烯（MTP）工藝產(chǎn)物中除了烯烴和工藝水外，還含有環(huán)烷烴、石蠟、芳烴及輕餾分等副產(chǎn)物。混合物中各組分的含量為約：烯烴85%，9%烷烴，芳烴<3%，環(huán)烷烴<2%（wt），以及一些輕組分（H2、CO、CO2）。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)熱量回收系統(tǒng)通過副產(chǎn)中壓蒸汽和汽化進(jìn)料甲醇回收熱后，溫度降為190 ℃進(jìn)入與激冷塔用急冷水洗滌，然后再進(jìn)入激冷塔。預(yù)激冷塔與激冷塔的主要作用是將MTP反應(yīng)器產(chǎn)品氣中的水與烴類化合物分離。在裝置運(yùn)行過程中，油水分離問題一直是困擾裝置平穩(wěn)運(yùn)行的瓶頸。在煤基甲醇制丙烯工藝中，油水分離主要涉及激冷塔和預(yù)激冷塔，氧化物抽提塔和抽提塔。其中激冷塔和預(yù)激冷塔的油水分離問題是最值得關(guān)注的。激冷塔油水分離效果不好造成激冷水泵入口帶油汽蝕跳車，進(jìn)而導(dǎo)致烴壓縮機(jī)入口溫度高而發(fā)生跳車事故。

為了解決上述問題、確保煤基甲醇制丙烯裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)激冷水系統(tǒng)油水分離裝置進(jìn)行了優(yōu)化，防止激冷水泵的汽蝕。

1 激冷系統(tǒng)流程描述

激冷系統(tǒng)流程如圖1所示。

MTP反應(yīng)器出口產(chǎn)品氣首先進(jìn)入預(yù)激冷塔冷卻，在自塔頂注入的工藝水的作用下，部分水和重?zé)N被冷凝下來，經(jīng)收集器降液管到達(dá)塔底部。水和重?zé)N經(jīng)沉降分離后，形成水/重?zé)N界位。當(dāng)重?zé)N的液位高過溢流槽時(shí)，重?zé)N溢流到烴側(cè)，實(shí)現(xiàn)水/重?zé)N分離。重?zé)N經(jīng)排出管線輸送至后續(xù)壓縮單元。預(yù)激冷塔底部水側(cè)需排出的激冷水，流經(jīng)防渦流擋板后經(jīng)激冷水輸送管線排出。氣態(tài)烴從預(yù)激冷塔頂部離開，經(jīng)氣態(tài)烴輸送管線被送到激冷塔中進(jìn)行再次冷凝，使水和重?zé)N進(jìn)一步被冷凝下來。壓縮單元主要是進(jìn)一步脫除激冷單元?dú)鈶B(tài)烴中水，避免除水效果不好給后續(xù)的精餾單元造成除水壓力，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品中水超標(biāo)。

MTP反應(yīng)器出口產(chǎn)品氣依次進(jìn)入預(yù)激冷塔和激冷塔，工藝水分為兩股，由工藝水泵分別泵入預(yù)激冷塔和激冷塔頂部。預(yù)激冷塔和激冷塔底部的凝液水（激冷水）分別通過管線和激冷水泵，用作循環(huán)激冷水輸送到精餾單元分離塔再沸器，最終在激冷空冷器和激冷塔預(yù)冷器中被冷卻，大部分循環(huán)的激冷水被重新送入到預(yù)激冷塔和激冷塔中。

泵的汽蝕現(xiàn)象發(fā)生只要是因?yàn)楫?dāng)泵的入口處絕對(duì)壓力小于該液體飽和蒸汽壓時(shí)，液體就在泵入口處氣化，泵內(nèi)液體處于沸騰狀態(tài)，生成大量蒸汽泡，隨液體從葉輪入口向葉輪外周迅速運(yùn)動(dòng)，在此過程中，氣泡所受的壓力急劇加大，故迅速冷凝，周圍液體以極大速度沖向氣泡中心，產(chǎn)生非常大的沖擊壓力，沖擊葉輪、泵殼、泵體發(fā)生振動(dòng)和不正常的噪音，甚至使葉輪脫屑、開裂和損壞。伴隨著泵的流量、揚(yáng)程、效率都急劇下降，會(huì)使泵中液體中斷，不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

為了防止泵的汽蝕現(xiàn)象，必須核算泵的安裝高度以及液體的溫度，使泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)泵入口處的壓力大于液體的飽和蒸氣壓。對(duì)于激冷系統(tǒng)激冷水泵汽蝕問題主要分析有以下兩點(diǎn)原因：（1）液體介質(zhì)進(jìn)入接管時(shí)回旋形成旋渦，形成的紊流和旋流可能帶來諸如管線震動(dòng)等不利因素，渦流帶入氣泡，造成汽蝕。（2）降液管的設(shè)計(jì)直通塔底，導(dǎo)致水/重?zé)N停留時(shí)間不充分，重?zé)N被帶入激冷水泵入口管線，由于油的密度比水低，則該液體混合物的沸點(diǎn)比純水的沸點(diǎn)要低，飽和蒸汽壓也隨之降低，極易導(dǎo)致激冷水泵汽蝕，使泵損壞以致影響生產(chǎn)運(yùn)行。

2 激冷水系統(tǒng)油水分離裝置優(yōu)化

2.1 防渦流擋板優(yōu)化

結(jié)合液體介質(zhì)進(jìn)入接管時(shí)會(huì)回旋形成旋渦的特點(diǎn)，優(yōu)化渦流擋板形狀，如圖2所示。改變后，激冷塔防渦流擋板的直徑與激冷塔直徑之比為1∶5，防渦流擋板的垂直高度與激冷塔直徑之比為1∶18。預(yù)激冷塔防渦流擋板的直徑與預(yù)激冷塔直徑之比為1∶4，防渦流擋板的垂直高度與預(yù)激冷塔直徑之比為1： 1∶12。改造后的激冷塔和預(yù)激冷塔的防渦流擋板均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)相互垂直的隔板，隔板的兩端環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁固定連接。

防渦流擋板的添加，有效地改善了液體介質(zhì)進(jìn)入接管時(shí)的流形，避免了管線震動(dòng)等現(xiàn)象的發(fā)生，為了考察改造前后的效果，我們運(yùn)用CFD軟件對(duì)預(yù)激冷塔中流體分布進(jìn)行了模擬。

由圖3和圖4液體物料矢量分布圖可知，防渦流擋板的添加，可有效減少在預(yù)激冷塔中形成的紊流和旋流，液體物料在預(yù)激冷塔中分布更加均勻。

圖5和圖6的速度分布表明，防渦流擋板起到了減緩高速液體物料沖擊，防止渦流或旋流的產(chǎn)生的作用。由圖7和8湍流分布可看出，增加防渦流擋板后，預(yù)激冷塔內(nèi)湍流現(xiàn)象大大減弱，物料分布更加均勻，向下流動(dòng)更加平穩(wěn)。

2.2 收集器降液管的優(yōu)化

對(duì)激冷系統(tǒng)改造之前，收集器降液管的設(shè)計(jì)直通塔底（如圖9、10中虛線所示），使得水/重?zé)N未充分分離，水就由塔底排出，重?zé)N隨水被帶入激冷水泵入口管線，容易引起機(jī)泵汽蝕。經(jīng)過優(yōu)化后，將降液管高度方向部分切除，使降液管底部略低于水/重?zé)N界位之下1～3 cm。底部加裝堵板，使得水/重?zé)N混合物不直接到達(dá)水側(cè)塔底，避免重?zé)N隨水被帶入激冷水泵入口管線。堵板上方靠近設(shè)備中心側(cè)開若干槽，水/重?zé)N由增開的若干槽流出，盡量增加水/重?zé)N停留時(shí)間，避免重?zé)N被帶入激冷水泵入口管線。

2.3 激冷水系統(tǒng)烴側(cè)溢流汽油管線的優(yōu)化

為了防止油水乳化影響分離效果，在激冷塔和預(yù)激冷塔烴側(cè)溢流汽油管線改造中，將激冷塔烴側(cè)液位計(jì)兩個(gè)管口改造成為溢流汽油泵的吸入口，并重新調(diào)整工藝指標(biāo)，將預(yù)激冷塔液位設(shè)定在60%～90%之間，溢流汽油泵在烴側(cè)有油時(shí)，始終保持泵能將激冷塔內(nèi)重?zé)N及時(shí)轉(zhuǎn)移，防止激冷塔下段降液盤損壞。

3 激冷水系統(tǒng)優(yōu)化效果

通過對(duì)激冷塔和預(yù)激冷塔防渦流擋板設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，減少了液體介質(zhì)進(jìn)入接管時(shí)回旋形成的旋渦，消除了紊流和旋流引起的管線震動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，液體介質(zhì)形成渦流后帶入氣泡，泵抽空造成汽蝕的情況基本消除。收集器降液管的改造，增加了水/重?zé)N停留時(shí)間，有效減少了重?zé)N被帶入激冷水泵入口管線概率，避免了激冷水泵汽蝕。激冷水系統(tǒng)烴側(cè)溢流汽油管線的優(yōu)化，達(dá)到了將激冷水系統(tǒng)中重?zé)N及時(shí)轉(zhuǎn)移的效果，避免激冷塔下段降液盤損壞。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化， 解決了煤基甲醇制丙烯工藝中激冷系統(tǒng)油水分離的問題，激冷水泵汽蝕現(xiàn)象大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了激冷系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

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