旋流分離技術(shù)在裂解汽油加氫裝置上的應(yīng)用

秦朝暉

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

中國石化上海石油化工股份公司(以下簡稱上海石化)芳烴部1#芳烴聯(lián)合裝置4#汽油加氫裝置為上海石化300 kt/a乙烯改擴(kuò)建配套裝置，于1998年4月建成投產(chǎn)。該裝置以上海石化烯烴部2#乙烯裝置裂解汽油為原料，通過預(yù)分餾塔脫除碳九以上的重組分和碳五以下的輕組分后，再經(jīng)兩段加氫脫除雙烯烴、單烯烴和硫、氮、氧、金屬等雜質(zhì)，生產(chǎn)的加氫汽油作為下游芳烴抽提裝置的原料。4#汽油加氫裝置原設(shè)計能力為裂解汽油200 kt，2002年經(jīng)過增量改造，年處理能力增加到300 kt。

裂解汽油的二段加氫反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的［1－2］，會產(chǎn)生大量反應(yīng)熱，為迅速移走反應(yīng)熱，需要用大量的氫氣進(jìn)行循環(huán)。在冬季，由于環(huán)境溫度比較低，循環(huán)氫中夾帶液體的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，液體進(jìn)入壓縮機，在防喘振閥處形成積液。積液量累積到一定程度就會引起二段反應(yīng)加熱爐聯(lián)鎖，還會造成循環(huán)氫壓縮機停機，影響裝置的長周期穩(wěn)定運行。

針對4#汽油加氫裝置循環(huán)氫帶液問題，上海石化芳烴部和華東理工大學(xué)合作開發(fā)了循環(huán)氫旋流脫烴工藝技術(shù)，設(shè)計了相應(yīng)的氣液旋流分離裝置，并于4#汽油加氫裝置大修期間在該裝置氫氣分離系統(tǒng)中增設(shè)一臺旋流分離裝置。項目實施后，有效減少了循環(huán)氫的帶液量，確保了壓縮機的正常運行。

1 旋流分離器的設(shè)計

1.1 旋流分離器的工作原理

自1885年氣體旋流分離器的第1件專利公開以來，旋流分離設(shè)備［3］逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，在“氣固”、“液固”、“液液”等分離工藝中發(fā)揮著重要的作用。與重力分離器、旋風(fēng)分離器、擴(kuò)散式分離器、螺道式分離器和串接離心式分離器等氣液分離設(shè)備相比，氣液旋流分離設(shè)備具有分離效率高、結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、使用壽命長等優(yōu)點。

氣液旋流分離器的工作原理是依靠連續(xù)相－氣體、分散相－液滴之間的密度差，利用連續(xù)相在旋流器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將分散相從連續(xù)相中分離出來，從而達(dá)到連續(xù)相凈化和分散相富集的雙重目的，具體見圖1。

圖1顯示了氣液旋流分離器內(nèi)部的流態(tài)狀況:含液氣體在一定壓力作用下從旋流分離器的進(jìn)口沿切線方向進(jìn)入旋流器，形成高速旋轉(zhuǎn)流，經(jīng)分離錐后因流道截面的改變而增速，形成螺旋流態(tài)。同時，因流道截面進(jìn)一步縮小，旋流速度繼續(xù)增加，在旋流器內(nèi)部形成了一個穩(wěn)定的離心力場，密度大的液滴受到較大離心力作用而被甩向旋流器的壁面，沿軸向向下由底流口流出;密度小的氣體受到的離心力較小，在分離錐的中心區(qū)聚結(jié)成氣芯，從溢流口排出，從而實現(xiàn)氣體的凈化和液滴的富集。

圖1 旋流分離示意

1.2 旋流分離器的設(shè)計

搭建了冷態(tài)模型實驗裝置，設(shè)計了直徑分別為 25，50，75，100，150 mm 的旋流芯管，旋流芯管的其他結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的尺寸根據(jù)經(jīng)驗及實驗確定。

分離性能實驗結(jié)果表明:直徑為75 mm的旋流分離芯管(簡稱DN75旋流芯管)分離性能和操作彈性最好，因此選擇這種規(guī)格的旋流分離芯管［4］。然而DN75旋流分離芯管的處理量小，無法滿足4#汽油加氫1#芳烴聯(lián)合裝置24 000 m3/h的循環(huán)氫處理量要求，因此需要多個旋流分離芯管并聯(lián)操作。

循環(huán)氫的實際操作壓力為2.65 MPa，因此在實際操作條件下循環(huán)氫的處理量Q*為:

式中，Q為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下循環(huán)氫的處理量，即24 000 m3/h。

DN75旋流分離芯管的處理量Qi為60 m3/h，因此需要的旋流分離芯管的數(shù)量n為:

考慮到操作工況的波動，選擇16根旋流分離芯管，按照一定的方式安裝在殼體內(nèi)。

根據(jù)旋流分離理論以及實驗室研究結(jié)果，為了提高兩相的分離效率，4#汽油加氫裝置采用了DN75旋流分離芯管，每根旋流分離芯管主要由進(jìn)料腔、分離錐、尾管和溢流口組成。采用16根旋流分離芯管并聯(lián)的方式，所有的旋流分離芯管以一定的排列方式固定在一個大的殼體中，殼體被2塊隔板從上至下分隔為完全隔開的3個封閉空間:中間腔體為進(jìn)料腔，旋流分離芯管的進(jìn)口也全部處于進(jìn)料腔內(nèi);上面腔體為溢流腔，凈化后的氣體經(jīng)溢流腔離開旋流分離器;最下面的腔體為底流腔，分離得到的液體從底流不斷地匯集到底流腔。當(dāng)?shù)琢髑坏囊何怀^某一設(shè)定值時，閥門打開進(jìn)行自動排料。

2 改造方案及實施效果

2.1 改造方案

4#汽油加氫裝置氫氣分離系統(tǒng)原先的工藝流程中，裂解汽油一段、二段加氫反應(yīng)物料分別進(jìn)入高壓分離罐和高壓閃蒸罐進(jìn)行氣液分離，與罐頂尾氫合并后進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機吸入罐，氣體進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(GB－201)升壓，殘液則進(jìn)入火炬系統(tǒng)。此次改造在循環(huán)氫壓縮機吸入罐進(jìn)口前新增一臺氣液旋流分離器，經(jīng)過旋流分離，頂部凈化后的氣體進(jìn)入循環(huán)壓縮機吸入罐，底部的積液則由液位控制儀排出，送到下游硫化氫汽提塔進(jìn)行處理。改造后4#汽油加氫裝置氫氣分離系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 改造后4#汽油加氫裝置氫氣分離系統(tǒng)工藝流程

2.2 實施效果

2011年11月1#芳烴聯(lián)合裝置4#汽油加氫裝置大修期間，在循環(huán)氫壓縮機吸入罐前增設(shè)了一臺循環(huán)氫旋流分離器。截止到2013年7月，增設(shè)的氣液旋流分離器已連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)21個月，目前裝置運行穩(wěn)定，取得了較好的使用效果。

2.2.1 循環(huán)氫進(jìn)出口組成分析

裂解汽油兩段反應(yīng)在臨氫狀態(tài)下進(jìn)行，因此循環(huán)氫純度的高低影響到催化劑的運行周期。裝置在循環(huán)氫純度較高的情況下運行，可抑制催化劑的積炭失活，降低催化劑的床層壓降，減緩催化劑的提溫速率，從而達(dá)到延長催化劑運行周期的目的。旋流分離器投運后分別于2011年12月20，21，22，28 日，對進(jìn)入旋流分離器前的循環(huán)氫氣相組分和出口氣相組分進(jìn)行了采樣分析并計算這4天的平均值，分析結(jié)果(用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示)見表1。

表1 循環(huán)氫進(jìn)出口氣相組成 %

由表1可見:由于循環(huán)氫夾帶的液滴得到有效分離，氫氣的純度有了較大幅度的提高，平均物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從改造前的82.51%提高到83.38%，增幅達(dá)0.87個百分點。循環(huán)氫脫烴設(shè)施投用后，二段反應(yīng)器入口溫度3個月未作調(diào)整，表明催化劑的活性保持良好。

2.2.2 循環(huán)氫脫烴量統(tǒng)計

液滴脫除量是評價旋流分離器的重要指標(biāo)之一。因此分別于 2011年 12月 20，21，23，27，28日對投用旋流分離器后的循環(huán)氫脫烴量進(jìn)行了計量，將旋流分離器罐底出料調(diào)節(jié)閥的上下游閥門關(guān)閉4 h后測量液位高度。旋流分離器內(nèi)徑為800 mm，液位檢測總高度為1 400 mm。現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)見表2。表2中體積(V)為計算結(jié)果，計算公式如下:

式中，D為內(nèi)徑，mm;H為關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4 h后測定的液位高度，mm。旋流分離器罐底檢測起始液位按30%控制。

表2 旋流分離器液位變化情況

由表2可見:關(guān)閉旋流分離罐罐底出料調(diào)節(jié)閥4 h后，液滴的平均脫除量為4.02 L，即排液量平均每天24.12 L。循環(huán)氫脫烴設(shè)施投用后，有效脫除了液烴類，徹底解決了壓縮機防喘振閥長期帶液的問題。

對脫除的重?zé)N組分進(jìn)行了分析，具體數(shù)據(jù)(用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示)見表3。

表3 烴類積液成分 %

由表3可見:循環(huán)氫夾帶的液體中含有摩爾分?jǐn)?shù)約為90%的碳六、碳七組分。

2.2.3 改造前后蒸汽使用情況

由于循環(huán)氫中夾帶了大量的重?zé)N液滴，使循環(huán)氫的表觀相對分子質(zhì)量遠(yuǎn)大于氫氣的相對分子質(zhì)量，壓縮機的能耗較高。表4為增加旋流分離器前后壓縮機的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及高壓蒸汽用量數(shù)據(jù)。

表4 旋流分離器投運前后主要技術(shù)參數(shù)

增加旋流分離器以后，壓縮機的轉(zhuǎn)速從平均10 690 r/min提高到10 772 r/min。4#汽油加氫裝置大修前壓縮機進(jìn)口壓力平均在2.55 MPa左右;大修后由于氫氣管網(wǎng)單向閥堵塞等原因，壓縮機進(jìn)口壓力偏低，僅維持在2.16 MPa左右，與2011年9月、10月相比，高壓蒸汽量減少0.21 t/h(以11月、12月平均值計)。若折算成2.55 MPa的壓縮機進(jìn)口壓力，在同樣的操作負(fù)荷下，高壓蒸汽用量減少至8.4 t/h;與未投運旋流分離器相比，高壓蒸汽用量減少4.2%，節(jié)約蒸汽的效果明顯。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

2011年9月、10月循環(huán)氫壓縮機高壓蒸汽量消耗量為8.77 t/h，增加旋流分離器后高壓蒸汽用量下降至8.4 t/h左右，即降低0.37 t/h。按每噸高壓蒸汽45.18元、裝置每年運行8 400 h計算，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益61.5萬元。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

項目實施前，硫含量較高的壓縮機防喘振閥處烴類積液全部排入火炬罐，通過火炬氣液相回收泵輸送到4#裂解汽油加氫裝置原料罐;項目實施后，液相烴類物料通過循環(huán)氫脫烴設(shè)施分離后直接送到硫化氫汽提塔處理，有效控制了硫腐蝕對下游設(shè)備的影響。

4 結(jié)論

(1)開發(fā)的循環(huán)氫旋流脫烴工藝能夠滿足上海石化1#芳烴聯(lián)合裝置4#汽油加氫裝置工況要求。

(2)4#汽油加氫裝置增設(shè)旋流分離器后，氫氣的純度(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))提高0.87個百分點，每天去除的液滴總量在24 L以上，壓縮機平均轉(zhuǎn)速從10 690 r/min提高到10 772 r/min。

(3)4#汽油加氫裝置增設(shè)旋流分離器后，高壓變氣用量下降，每年可增加效益61.5萬元，并實現(xiàn)了裝置的長周期穩(wěn)定運行。

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