改造脫丁烷塔以降低塔釜碳四組分損失

秦海良，邸澤龍

（中國石油 蘭州石化分公司乙烯廠，甘肅 蘭州 730060）

工業(yè)技術(shù)

改造脫丁烷塔以降低塔釜碳四組分損失

秦海良，邸澤龍

（中國石油 蘭州石化分公司乙烯廠，甘肅 蘭州 730060）

分析了中國石油蘭州石化分公司乙烯廠 460 kt/a 乙烯裝置在高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，脫丁烷塔塔釜產(chǎn)品中 C4組分損失大的原因，并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。改進(jìn)措施為：提高塔釜溫度至 85 ℃；在原脫丁烷塔的基礎(chǔ)上增加一個(gè)精餾段，精餾段塔板數(shù)為30塊，與原脫丁烷塔串聯(lián)操作。對改進(jìn)措施進(jìn)行模擬計(jì)算的結(jié)果表明，塔釜產(chǎn)品中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由改造前的 8.56% 下降到改造后的2.43%。脫丁烷塔改造后的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明，塔釜產(chǎn)品中的 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由改造前的 10.06% 下降到 3.72%，達(dá)到了生產(chǎn)的要求。

乙烯；脫丁烷塔；塔釜液；碳四組分

中國石油蘭州石化分公司乙烯廠460 kt/a乙烯裝置由凱洛格布朗路特公司負(fù)責(zé)工藝包和裂解爐、脫甲烷、深冷分離、乙烯分離及制冷單元的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；中國寰球工程公司負(fù)責(zé)其余部分的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及全部的詳細(xì)設(shè)計(jì)［1］。

該裝置于 2006 年底建成后，經(jīng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)雖然脫丁烷塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量能得到保證，但塔釜液中 C4損失較大，C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%左右，遠(yuǎn)超過工藝要求。一方面使價(jià)格較高的部分重 C4組分進(jìn)入粗裂解汽油中，造成 C4損失使塔頂 C4產(chǎn)量下降，另一方面使塔釜裂解汽油產(chǎn)品中 C4超標(biāo)，使裂解汽油的質(zhì)量受到影響。所以有必要采取措施減少脫丁烷塔塔釜的 C4損失。

本工作分析了脫丁烷塔塔釜產(chǎn)品中 C4損失大的原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并對改進(jìn)措施進(jìn)行了模擬計(jì)算；脫丁烷塔改造后達(dá)到了降低 C4損失的目的。

1 原因分析及解決措施

1.1 原因分析

裂解氣經(jīng)過裂解氣壓縮機(jī)一至三段的壓縮后，進(jìn)入高低壓脫丙烷系統(tǒng)。其中，低壓脫丙烷塔的塔釜液進(jìn)入脫丁烷塔，經(jīng)脫丁烷塔分離出 C4和裂解汽油產(chǎn)品。脫丁烷塔的塔頂氣體在塔頂冷凝器中用冷卻水冷凝后進(jìn)入脫丁烷塔回流罐，部分冷凝液由脫丁烷塔回流泵送至脫丁烷塔回流，其余 C4送去下游裝置進(jìn)一步加工。C4除作為燃料外，可直接或分離出其中的單一組分用作化工原料，也可用于生產(chǎn)烷基化汽油［2］。脫丁烷塔塔釜再沸器用低壓蒸汽作為加熱源，再沸器一開一備。塔釜液由脫丁烷塔底泵輸送，與裂解汽油汽提塔塔釜液混合后，在裂解汽油冷卻器中冷卻至常溫后送出界區(qū)。

脫丁烷塔的設(shè)計(jì)工況見表 1。脫丁烷塔塔頂產(chǎn)品為 C4，要求其中 C5+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 0.3% ；塔釜產(chǎn)品為裂解汽油，裂解汽油中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求小于4%。

表 1 脫丁烷塔的設(shè)計(jì)工況Table 1 Design conditions of the debutanizer

原設(shè)計(jì)中脫丁烷塔為 39 塊單溢流塔板，設(shè)計(jì)裕度不夠，塔釜裂解汽油中 C4含量超標(biāo)。為了確保下游裝置中丁腈膠乳等產(chǎn)品的質(zhì)量，對脫丁烷塔塔頂 C4產(chǎn)品中 C5+組分的含量必須嚴(yán)格控制，而塔釜產(chǎn)品中的 C4組分則相對容易除去。這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是在長周期高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，為達(dá)到這一目的而被迫采取損失部分重 C4組分的操作方法，采用降低釜溫以及適當(dāng)加大回流比等措施。但塔頂冷凝器和塔釜再沸器均已達(dá)到較高負(fù)荷，塔頂回流罐已滿液位操作，回流比已無法繼續(xù)增加。而釜溫降低的結(jié)果必然是有更多的 C4滯留在塔釜，造成塔釜產(chǎn)品中 C4的損失加大［3-4］。

脫丁烷塔的實(shí)際工況見表 2。在實(shí)際工況下，脫丁烷塔塔釜產(chǎn)品中 C4含量的變化見圖 1。從圖 1 可看出，在大部分時(shí)間內(nèi)塔釜產(chǎn)品中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 10% 以上。

表 2 脫丁烷塔改造前后的操作參數(shù)Table 2 Operation parameters of the debutanizer before and after reconstruction

圖 1 脫丁烷塔釜產(chǎn)品中 C4 含量的變化Fig. 1 Content of C4 in the bottom products of debutanizer.

1.2 解決措施

1.2.1 調(diào)整操作參數(shù)

塔系統(tǒng)的操作與調(diào)整應(yīng)遵循操作壓力相對恒定，靈敏板溫度比較穩(wěn)定，回流量、進(jìn)料量、進(jìn)料溫度和進(jìn)料組成相對穩(wěn)定的原則。精餾塔操作壓力的確定一方面要考慮壓力對精餾塔分離效果的影響，另一方面又要考慮塔頂使用冷劑所能達(dá)到的冷卻溫度，以及物料物化性質(zhì)的限制。在氣液平衡中，壓力、溫度和組成之間有確定的關(guān)系，即操作壓力決定產(chǎn)品組成［5］。

由于裂解原料中液化氣和拔頭油的組成時(shí)有波動，特別是在原料罐區(qū)拔頭油切換不同貯罐時(shí)，裂解原料的波動最終會造成脫丁烷塔進(jìn)料組成的變化。同時(shí)為降低塔釜和再沸器聚合結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，除在相應(yīng)位置加入阻聚劑外，蘭州石化分公司乙烯裝置脫丁烷塔的塔釜溫度在同類裝置中偏低（控制指標(biāo)為 70 ～ 90 ℃，一般在 80 ℃ 左右），相應(yīng)塔頂溫度和操作壓力也處于偏低水平。由于操作壓力低，所以關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度增大，回流比比大多數(shù)同類裝置的低。原設(shè)計(jì)中回流比為0.87，實(shí)際操作中回流比控制在 1.0 左右。

釜溫較低必然會使塔釜中 C4與 C5組分的分離受到限制，雖然操作壓力低使關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度增大，但回流比的降低一定程度上抵消了揮發(fā)度增大的影響。若通過加大回流比來保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，則必然會加重提餾段負(fù)荷，使更多輕組分進(jìn)入塔釜，這樣又使塔釜中的 C4組分損失加大［6］。為減少塔釜中 C4組分的損失，特別是嚴(yán)格保證塔頂中C5+含量在控制指標(biāo)以下，在維持操作壓力不變的情況下，可將塔釜溫度提高 5 ℃，將塔釜溫度控制指標(biāo)修改為 75 ～ 95 ℃，實(shí)際控制在 85 ℃以上。塔釜溫度不能提高過大，否則可能將 C5+重組分過多地蒸到塔頂，造成塔頂中 C4產(chǎn)品不合格，對下游裝置的生產(chǎn)造成影響［7］。改造前后脫丁烷塔的相關(guān)操作參數(shù)見表 2。

1.2.2 脫丁烷塔的改造措施

為從根本上減少脫丁烷塔塔釜產(chǎn)品中 C4損失，保證塔頂和塔釜的產(chǎn)品質(zhì)量，并提高 C4產(chǎn)品收率，需對脫丁烷塔進(jìn)行改造。經(jīng)中國寰球工程公司設(shè)計(jì)計(jì)算，保持脫丁烷塔操作壓力不變，塔釜溫度85 ℃，考慮進(jìn)料波動的情況，決定新增脫丁烷塔精餾段（30塊塔板），與原塔串聯(lián)操作，在保證 C4產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，保證塔釜產(chǎn)品中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 4%。脫丁烷塔改造后流程見圖 2。

圖 2 脫丁烷塔改造后流程示意Fig. 2 Flow diagram of the debutanizer after the reconstruction（the broken line was the new equipments and piping）.

2 流程模擬計(jì)算

應(yīng)用 ChemCAD 軟件［8］對脫丁烷塔進(jìn)行模擬計(jì)算。在模擬計(jì)算中將脫丁烷塔進(jìn)料的關(guān)鍵組分確定為正丁烷和異戊烷，相平衡常數(shù)模型和焓模型都選用 SRK 模型。以表 1 中原設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)，在塔頂操作壓力為 0.34 MPa、塔釜溫度 80 ℃、回流比 1.08 的條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表 3。從表 3 可看出，雖然塔頂產(chǎn)品可以保證，但是塔釜產(chǎn)品中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能滿足小于 4% 的工藝要求，塔釜中 C4的損失較大。

表 3 改造前脫丁烷塔進(jìn)出料的組成Table 3 The compositions of the feeding and discharging of the debutanizer before the reconstruction

表 4 改造后脫丁烷塔進(jìn)出料的組成Table 4 The compositions of the feeding and discharging of the debutanizer after the reconstruction

改造后脫丁烷塔的塔板增加到 69 塊（在第 53塊塔板進(jìn)料），塔釜溫度提高到 85.5 ℃左右，模擬計(jì)算結(jié)果見表 4。從表 4 可看到，經(jīng)過改造后的脫丁烷塔滿足了下游裝置對塔頂和塔釜產(chǎn)品質(zhì)量的要求。用 ChemCAD 軟件模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)能較好的吻合。

3 結(jié)果與討論

脫丁烷塔改造后，保持進(jìn)料各參數(shù)和塔的操作壓力不變，同時(shí)將塔釜溫度控制在 75 ～ 95 ℃指標(biāo)范圍內(nèi)，實(shí)際操作中控制在 85℃ 左右。經(jīng)過這些調(diào)整，脫丁烷塔的操作狀態(tài)得到了有效改善，塔頂和塔釜產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升，減少了塔釜中 C4的損失，提高了 C4的收率。脫丁烷塔改造前后塔釜和塔頂產(chǎn)品組成見表 5 和表 6。

表 5 脫丁烷塔改造前后塔釡產(chǎn)品的組成Table 5 Compositions of the tower bottoms of the debutanizer before and after the reconstruction

從表 5 可看出，塔釜裂解汽油中 C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 10.06%下降到 3.72%，大大減少了塔釜中 C4的損失，也使塔釜送出的裂解汽油產(chǎn)品符合指標(biāo)要求（C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 4%）；同時(shí) C5的含量大幅增加，有利于保證裂解汽油產(chǎn)品的質(zhì)量。

從表 6 可看出，脫丁烷塔改造后塔頂產(chǎn)品中雖然 1，3 - 丁二烯的含量降低，但仍高于下游丁二烯裝置要求的 1，3 - 丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于 40% 的指標(biāo)；但塔頂產(chǎn)品中丁烷和丁烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高了約5%。脫丁烷塔改造前后 C4和裂解汽油產(chǎn)量的對比見圖3。從圖 3 可看出，脫丁烷塔改造后塔頂中 C4的產(chǎn)量增加，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

表 6 脫丁烷塔改造前后塔頂產(chǎn)品的組成Table 6 Compositions of the top products of the debutanizer before and after the reconstruction

圖3 脫丁烷塔改造前后 C4 和裂解汽油產(chǎn)量的對比Fig.3 The outputs of C4 and pyrolysis gasoline of the debutanizerbefore and after reconstruction.

4 結(jié)論

（1） 通過調(diào)整脫丁烷塔的操作參數(shù)和對脫丁烷塔進(jìn)行改造，解決了蘭州石化分公司乙烯廠 460 kt/a乙烯裝置中脫丁烷塔塔釜產(chǎn)品中 C4組分損失大的問題。

（2） 模擬計(jì)算結(jié)果表明，對脫丁烷塔增加精餾段的改造措施是合理的。

（3） 脫丁烷塔改造后，塔釜產(chǎn)品中 C4的含量明顯降低，塔頂產(chǎn)品中 C4的產(chǎn)量增加，優(yōu)化了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，滿足了下游裝置生產(chǎn)的需要。

［1］張德生.蘭州石化分公司新建 45萬t/a 乙烯裝置特點(diǎn)［J］.石化技術(shù)與應(yīng)用，2007，25（3）：253 - 257.

［2］韓金玉，段衍泉，劉翀，等.石化副產(chǎn)品的綜合利用［J］.石油化工，2004，33（11）：1101 - 1106.

［3］陳濱.乙烯工學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991：382-383.

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Optimization of Debutanizer for Reducing Loss of the Mixed C4in the Tower Bottoms

Qin Hailiang，Di Zelong
（Ethylene Plant of PetroChina Lanzhou Petrochemical Company，Lanzhou Gansu 730060，China）

Reasons for the loss of C4fraction in the bottom of the debutanizer of the ethylene plant of Lanzhou Petrochemical Co. Ltd. were analyzed. Some measures were taken to optimize operation of the debutanizer，which included raising the bottom temperature to 85 ℃ and increasing a rectifying section with 30 plates，connected with the old debutanizer in series. Through simulative calculation for the debutanizer，the data（w）before and after the reconstruction showed that the loss of C4in the bottom decreased from 8.56% to 2.43%. The C4losses in the actual operation had decreased from 10.06% to 3.72%，which could meet the requirements of the production.

ethylene；debutanizer；tower bottoms；C4fraction

1000 - 8144（2012）01 - 0072 - 04

TQ 221.21

A

2011 - 08 - 14；［修改稿日期］2011 - 09 - 25。

秦海良（1978—），男，山東省東營市人，碩士，工程師，電話 13519673156，電郵 qinsdcn@163.com。

（編輯 李治泉）