萃取精餾系統(tǒng)中萃取劑變性結(jié)焦的原因探討與防治

摘 要：從萃取精餾系統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析了萃取精餾系統(tǒng)中萃取劑N甲基吡咯烷酮變性結(jié)焦的原因，提出了延緩萃取劑變性的方法，通過工藝改造實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的充壓保護(hù)。

關(guān)鍵詞：萃取精餾系統(tǒng) N-甲基吡咯烷酮 變性結(jié)焦

中圖分類號：TE644 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0103-01

天然氣處理廠第二氣體處理廠（以下簡稱二氣廠）三期裝置萃取精餾系統(tǒng)中使用N甲基吡咯烷酮作為萃取劑，在生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)該萃取劑長期使用后會發(fā)生變性結(jié)焦，最終引起填料塔填料發(fā)生堵塞而引起系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動。

1 萃取精餾系統(tǒng)簡介

二氣廠萃取精餾系統(tǒng)由萃取精餾塔及萃取劑再生塔構(gòu)成，均為填料塔，工作壓力分別為（-30±5） kPa和（-70±5） kPa（以上均為表壓），生產(chǎn)植物油抽提溶劑和天然苯。

該系統(tǒng)從2009年3月開始出現(xiàn)處理能力下降；塔操作參數(shù)不易控制；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。通過對填料塔進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，兩個填料塔填料均被黑色膠狀物質(zhì)堵塞。黑色膠狀物質(zhì)經(jīng)過化驗(yàn)由酸性物質(zhì)、碳化物以及少量金屬碎末組成，進(jìn)一步分析可知是萃取劑結(jié)焦變性產(chǎn)生的物質(zhì)以及填料等金屬部件腐蝕和沖擊產(chǎn)生的碎屑。

為了解決萃取系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，二氣廠對系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)清洗，清除了填料表面膠狀物質(zhì)，清洗后系統(tǒng)運(yùn)行情況比較穩(wěn)定。但運(yùn)行半年后，該系統(tǒng)的又出現(xiàn)上述問題。由此可見萃取劑的結(jié)焦變性在生產(chǎn)過程中一直緩慢進(jìn)行，因此有必要對其結(jié)焦變性的原因進(jìn)行查找并尋找對策。

2 萃取劑變性結(jié)焦的原因分析

通過對黑色膠狀物質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)可知，同時分析萃取精餾系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可知黑色膠狀物質(zhì)主要由碳化物、萃取劑變性后產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)以及少量金屬碎末組成。其產(chǎn)生的原因不僅與萃取劑的化學(xué)特性有關(guān)，而且與系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)密不可分。

2.1 萃取劑結(jié)焦變性的化學(xué)機(jī)理

萃取劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）為無色透明油狀液體，微有胺的氣味，熔點(diǎn)-24.4℃，沸點(diǎn)203 ℃。正常情況下?lián)]發(fā)度低，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性均佳，化學(xué)性質(zhì)不活潑，除銅外，對其他金屬如碳鋼、鋁等無腐蝕性。

由于NMP分子結(jié)構(gòu)式中含有吡咯環(huán)，吡咯具有遇酸易聚合的性質(zhì)，酸性環(huán)境進(jìn)一步促進(jìn)了NMP的聚合。經(jīng)過查詢相關(guān)資料和文獻(xiàn)，NMP在使用過程中遇空氣、水極易發(fā)生氧化、水解，會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，造成酸性環(huán)境。而金屬填料長時間處于酸性環(huán)境中會逐漸被腐蝕。

2.2 生產(chǎn)過程中萃取劑變性的發(fā)生機(jī)理

2.2.1 工藝流程

萃取系統(tǒng)由兩個塔構(gòu)成，一個是萃取精餾塔，一個是萃取劑再生塔。工藝流程中與外界大氣相通的有兩個點(diǎn)。一個是萃取精餾塔回流罐阻火器，一個是萃取劑再生塔真空系統(tǒng)的吸氣調(diào)節(jié)閥。

萃取精餾塔回流罐阻火器安裝在回流罐頂部，在開機(jī)初期時塔內(nèi)有少量的不凝氣，導(dǎo)致塔壓不穩(wěn)，因此需要打開阻火器反復(fù)進(jìn)行泄放直至不凝氣排空塔頂壓力穩(wěn)定。泄放過程中，當(dāng)塔壓降到0 kPa以下，就會關(guān)閉阻火器。而停機(jī)過程中阻火器始終關(guān)閉，不考慮系統(tǒng)密封泄漏的問題，空氣也不會從阻火器直接進(jìn)入系統(tǒng)。

吸氣調(diào)節(jié)閥在回流罐與緩沖罐的連接管線上，可以將少量空氣引入真空系統(tǒng)以保證系統(tǒng)壓力維持在-70 kPa左右。正常運(yùn)行時塔體、回流罐、真空泵進(jìn)口三處的壓力分別為：-70 kPa、-72.2 kPa、-80.8 kPa。真空泵入口處壓力最低，根據(jù)氣體流動擴(kuò)散的原理可知，空氣總是由吸氣調(diào)節(jié)閥流向真空泵入口管線。而停機(jī)過程中吸氣調(diào)節(jié)閥始終關(guān)閉，因此不考慮系統(tǒng)密封情況，空氣由吸氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入系統(tǒng)的可能性也很小。

2.2.2 系統(tǒng)停機(jī)過程中的參數(shù)變化

對萃取精餾系統(tǒng)停機(jī)后4.5 h內(nèi)的系統(tǒng)兩個填料塔的塔壓及塔底溫度變化進(jìn)行記錄。

通過對停機(jī)初期4.5 h內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)，萃取精餾塔由于塔內(nèi)氣相的冷凝，壓力逐漸降低，在熱負(fù)荷停止后半小時內(nèi)壓力由-30 kPa降至-56 kPa，其后壓力開始緩慢上升，最后上升至20.78 kPa。而萃取劑回收塔在停熱負(fù)荷、停真空泵后壓力逐漸升高，最終壓力為12.8 kPa。

利用HYSYS工藝模擬軟件對系統(tǒng)物料進(jìn)行飽和蒸汽壓計(jì)算，在60 ℃時，萃取精餾塔進(jìn)料飽和蒸汽壓為60 kPa（絕對壓力），而實(shí)測壓力為12 kPa（表壓）左右，實(shí)測壓力換算為絕對壓力為112 kPa?？紤]系統(tǒng)密封不可能完全不漏氣，可知停機(jī)初期空氣進(jìn)入系統(tǒng)。而此時萃取劑回收塔塔底溫度在110℃～150℃，因此萃取劑極有可能在萃取劑回收塔塔釜或再沸器內(nèi)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而變性結(jié)焦。

3 應(yīng)用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)

通過以上研究分析可知，系統(tǒng)停機(jī)初期最有可能發(fā)生萃取劑的結(jié)焦變性，由于系統(tǒng)密封不嚴(yán)，空氣在壓力差的作用下進(jìn)入系統(tǒng)。為延緩萃取劑的變性結(jié)焦，二氣廠根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況選取了方便易得對系統(tǒng)影響較小的天然氣作為充壓保護(hù)性氣體，并對現(xiàn)場進(jìn)行了充壓工藝改造，在停機(jī)期間在系統(tǒng)內(nèi)充入天然氣，系統(tǒng)壓力保持在（5～10） kPa。系統(tǒng)充壓保護(hù)后，萃取劑變性結(jié)焦速度放慢，填料塔的清洗由每年4次降低至每年1次。

4 結(jié)論

通過研究找到萃取劑變性結(jié)焦的原因，并提出了在系統(tǒng)停機(jī)后充入天然氣的方法來延緩萃取劑的變性。實(shí)際應(yīng)用后在一定程度上延緩了萃取進(jìn)的變性結(jié)焦，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量合格。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該方法在一定程度上延緩了N甲基吡咯烷酮的變性結(jié)焦，填料塔的清洗頻率由一年4次降低至一年1次。但是這種辦法不能從根本上解決萃取劑變性結(jié)焦，在下一步的研究中應(yīng)該與科研單位共同研究開發(fā)新的穩(wěn)定性更好的萃取劑來替代N甲基吡咯烷酮或者在現(xiàn)有萃取劑中增加添加化合物來延緩甚至避免其變性。