甲苯二胺合成反应器扩产改造

曹传波，秦利涛，孔令启，李玉刚

(1.青岛银科恒远化工过程信息技术有限公司，山东 青岛 266042；2.青岛科技大学 计算机与化工研究所，山东 青岛 266042)

甲苯二胺(简称TDA，下同)是生产甲苯二异氰酸酯(简称TDI)的主要原料，由DNT(二硝基甲苯)催化加氢得到，该反应为放热反应，在釜式反应器中进行。目前国内用于TDA生产的反应器主要有两种形式，内盘管式和内板换式，其主要区别在于移除反应热的形式不同。板式换热器的传热系数大于盘管式，因此板换式拥有更高的取热能力，但这种换热形式对反应器内部结构的设计和设备的加工要求很高，国内的使用厂家多为国外引进，价格高昂。

某厂家有一套建于90年代的TDA合成装置，反应器采用内盘管方式换热，运行状况良好，现最大负荷4万t/a。近年来随着市场需求的增加[1]，装置亟待扩产改造。

1 扩产瓶颈分析

1.1 装置原况

原反应器换热方案如图1所示。采用盘管冷却水自循环换热流程，反应热通过盘管由冷却水带出反应器，冷却水在冷却器E1降温后再进入盘管循环，热量最终被E1循环水带走，反应过程通过调节冷却水进口温度来控制反应器温度。

设备数据：反应器液面以下体积约52 m3，换热盘管总面积580 m2，盘管体积16 m3，反应器实际有效体积36 m3；冷却器E1为板式换热器，换热面积550 m2；冷却水循环泵P1额定流量1000 m3/h。

图1 原反应器换热方案示意图

操作数据：反应温度110℃；盘管冷却水流量1000 m3/h，进出口温度45～58℃；装置最大运行负荷为4万t TDA/a。

若提高反应器负荷，主要影响因素有两个：一是反应停留时间，即反应器体积；二是反应器的换热能力。下面分别对这两个因素进行分析。

1.2 反应停留时间

反应停留时间决定了反应器需要的体积大小，根据该合成反应的反应动力学方程[2]，在110℃反应条件下，原反应器的有效体积可以满足6万t TDA/a的生产负荷。

表1 国内使用板换反应器厂家产能

国内其它采用板换反应器厂家的考察结果见表1，某厂家原盘管式反应器的有效反应体积为36 m3，根据考察其他厂家反应器的实际运行能力来看，从停留时间角度考虑，加氢反应器的有效反应体积可以满足6万t TDA/a以上的生产负荷。若盘管换热能力也可满足6万t年产负荷，则装置可直接扩产，下面对换热能力进行分析。

1.3 换热能力

换热能力是影响此类反应器产能的另一个重要因素，装置4万t TDA/a负荷下具代表性的操作数据见表2，利用现场数据，核算装置运行工况和6万t年产负荷下所需要的盘管面积，结果见表2。

表2 盘管换热能力计算结果

注：根据物料特性及实际经验，冷却水进口温度低于45℃会使物料在盘管壁上凝结，影响传热。反应器盘管传热系数根据反应器运行数据标定得到[5]，为390 kcal/(h·m2·℃)。

可以看出：4万t负荷操作条件下所需盘管面积为559 m2，原装置为580 m2，核算结果与现场工况基本一致；但在6万t负荷下，盘管面积需要887 m2，原装置已不能满足。

根据上述分析可知：原反应器体积可满足6万t/a以上负荷，盘管的换热能力是反应器扩产改造的瓶颈，要提高负荷，必须对现换热方案进行改造。

2 扩产改造

由于反应器内部结构复杂，同时又属于三类容器，因此改造反应器内部换热型式比较困难。根据反应装置的实际情况，提出物料外循环换热方案，在不改造反应器结构的前提下，提高装置产能，下面进行讨论。

2.1 改造方案

从反应器内引出一部分物料，将这部分物料在反应器外冷却降温后再返回反应器。这样有部分反应热就被移到了反应器外，反应热的移出不再全部由内盘管承担，减小了盘管负荷，从而解决了反应器内盘管换热面积不够的问题。

采出物料温度110℃，冷却水出口温度在60℃左右，可用盘管出口的冷却水对物料进行降温，冷却水的降温仍在E1中进行，若E1能力足够，只需增加两台设备：物料冷却器E2，物料循环泵P2。改造方案如图2所示。

图2 改造方案示意图

改造前后的热量衡算方程分别为：

原装置：Q反应热 = Q盘管 = QE1

改造后：Q反应热 = Q盘管 + QE2 = QE1

反应器内盘管结构改造困难，冷却水泵P1与釜内盘管匹配，也不易改动，改造的主要内容是循环泵P2及物料换热器E2大小的确定，下面进行分析讨论。

2.2 参数分析及讨论

改造方案中三个换热器相互影响，冷却水的温差决定了盘管负荷，E1的能力决定了盘管进口温度，E2的大小又影响物料循环量及E1的入口温度，但总的说来，其本质是盘管负荷与物料冷却负荷的分配，如何在较少的设备投资和运行成本下，使新增设备与原盘管达成较好的适配，使换热能力满足扩产要求，下面进行计算分析。

计算基于以下已知条件和基本假设：

a、盘管面积：580 m2；盘管冷却水流量：1000 m3/h；年产6万t TDA负荷时反应热1.9×107kcal/h；

b、循环水进出口温度30～40℃；

c、盘管传热系数为390 kcal/(h·m2·℃)，E1板换传热系数取1700 kcal/(h·m2·℃)，新增管壳式E2传热系数取600 kcal/(h·m2·℃)；(E1、E2传热系数的取值来自设备厂家和工程经验)；

d、整个换热过程没有相态变化。

利用传热方程和热量方程对三个换热过程分别进行分析可知，在未知数中只需确定两个，即可解得整个过程的设备大小及各工艺参数。现以设备大小为目标函数，选取冷却水进口温度和物料冷却温度为变量，通过给定不同数值，分析不同温度对改造所需设备的影响规律。

共计算了5个工况：当物料冷却温度80℃时，冷却水进口温度取58、52、47℃3个点，见工况1～3；当冷却水进口温度47℃时，物料冷却温度取80、75、70℃3个点，见工况3～5，计算结果见表3。

表3 不同物料和冷却水温度对换热面积及循环量的影响

从计算结果可以看出：

①随着冷却水进口温度的降低，E2的传热温差增大，E1的传热温差减小，E2承担换热负荷减小，物料循环量减小，E1面积增加，E2面积减小；

②随着物料温度的降低，物料冷却器E2的传热温差减小，E2面积增加，物料循环温差增加，物料循环量减小；

综上，降低冷却水进口温度和物料温度，可减小新增换热器E2面积及物料循环量，代价是冷却器E1面积需要增大。现装置冷却器E1面积550 m2，可以满足上述工况5工艺条件，新增一台物料冷却器447 m2，一台循环泵221 m3/h即可满足年产6万t 负荷下的换热要求。

3 结束语

通过上述分析讨论，原装置反应器的有效体积可以满足TDA年产6万t 以上的生产负荷，其扩产瓶颈在于反应器的换热能力不足；物料外循环换热的方案，可提高反应器的换热能力，其中冷却水进口温度和物料的冷却温度应在工艺条件允许范围内尽量的低，这样所需要的动力消耗越小，但新增换热器设备投资越大。经过多方权衡，结合厂家的实际情况，最终选定上述工况5作为改造方案，年产负荷由4万t提高至6万t。

本文分析了某厂甲苯二胺合成反应器的扩产改造问题，针对瓶颈提出改造方案，并对各参数与改造设备关系进行了分析，得出较优的改造方案，给厂家的扩产改造提供了理论依据，也可供有相似反应器改造的厂家借鉴参考。