Bager/UOP苯乙烯裝置脫氫系統(tǒng)瓶頸分析及改造

張代波 王輝宇 趙偉丹

(1.大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714；2.大慶石化公司 化工三廠，黑龍江 大慶 163714)

大慶90kt/a苯乙烯裝置是在原60kt/a生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上改擴(kuò)建而來，乙苯脫氫單元的改造是引進(jìn)UOP的氧化脫氫技術(shù)。大慶苯乙烯裝置原為Bager工藝，UOP公司在對(duì)其改造時(shí)，將SMART反應(yīng)器(MR-201C)設(shè)置在原有的兩個(gè)脫氫反應(yīng)器的后面，同時(shí)增加一股新鮮乙苯進(jìn)料，脫氫催化劑采用Sud-chieme的Plus-5。這種改造方式是UOP第一次嘗試，在世界上也是獨(dú)一無二的。但運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，裝置的氧氣消耗量、加熱爐HS-219的負(fù)荷處于末期操作狀態(tài)。

1 乙苯脫氫反應(yīng)工藝流程

原料乙苯與低壓蒸氣混合經(jīng)進(jìn)出料換熱器TT-201/202加熱，一部分與來自HS-219 爐子的蒸汽混合后進(jìn)入脫氫反應(yīng)器MR-201A/B部分轉(zhuǎn)化為苯乙烯，另一部分與MR-201A/B出料混合，加入氧氣與稀釋蒸汽的混合物后進(jìn)入SMART反應(yīng)器進(jìn)一步反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物送到精餾系統(tǒng)分離，最終獲得合格的苯乙烯產(chǎn)品。如圖1 苯乙烯脫氫反應(yīng)流程圖。

2 影響因素分析

2.1 氧氣消耗量

SMART反應(yīng)器為裝置擴(kuò)建的關(guān)鍵設(shè)備，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有氧化催化劑床層和脫氫催化劑床層。在氧化催化劑床層氫氣和氧氣進(jìn)行選擇性燃燒，產(chǎn)生的熱量將第三級(jí)脫氫反應(yīng)升到所需要的溫度。為保證氫氧反應(yīng)的安全，氧氣在進(jìn)入氧化催化劑床層之前使用中壓和高壓蒸汽進(jìn)行稀釋。

開車后，SMART反應(yīng)器的氧氣用量超過設(shè)計(jì)值多達(dá)81kg/hr。使床層溫差增大，距離聯(lián)鎖值只有6℃之差。另外，氧氣與乙苯的比值也接近極限值。由于這兩個(gè)條件的限制，SMART反應(yīng)器脫氫催化劑入口溫度已經(jīng)無法繼續(xù)提高。

對(duì)MR-201B至MR-201C物料進(jìn)行熱量核算，

Q = WC Δ T

2H2+O2=2H2O+484kj/mol

數(shù)據(jù)見表1 。

表1 物料熱量核算數(shù)據(jù)

根據(jù)上述計(jì)算，將MR-201B反應(yīng)器出料加熱到628℃，所需要的氧氣量較設(shè)計(jì)少44.9kg；因此，高于設(shè)計(jì)值的氧氣不是用在加熱這股物料上。

需要氧氣加熱的另一股物料為氧氣本身的稀釋蒸汽，其溫度為210℃，低于設(shè)計(jì)值22℃ 。將其加熱到628℃，所需的熱量數(shù)據(jù)見表2 。

表2 稀釋蒸汽熱量核算數(shù)據(jù)

根據(jù)上述計(jì)算，將稀釋蒸汽加熱到628℃，較設(shè)計(jì)多消耗氧氣56.9kg 。

由于SMART反應(yīng)器高級(jí)控制中蒸汽與氧氣的必須保持一定的比值，當(dāng)脫氫催化劑床層入口溫度保持一定值時(shí)，氧氣消耗增加，稀釋蒸汽也隨之增加。增加的稀釋蒸汽又必須用氧氣加熱到所設(shè)定的溫度，這樣氧氣的用量也需要增加。在高級(jí)控制的相互作用下，使氧氣和稀釋蒸汽的消耗同時(shí)增加，造成能源浪費(fèi)。由此可知，導(dǎo)致SMART反應(yīng)器氧氣消耗高的主要原因是稀釋蒸汽溫度過低的緣故。

2.2 HS-219操作條件達(dá)到末期

加熱爐HS-219的作用是將加熱的稀釋蒸汽與TT-202殼程出來的乙苯和蒸汽的混合物匯合，達(dá)到提高M(jìn)R-201A反應(yīng)器入口溫度的目的。運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3 。

表3 乙苯脫氫單元運(yùn)行數(shù)據(jù)表

通過分析表3的數(shù)據(jù)可以看出：

HS-219的出口溫度已經(jīng)達(dá)到803℃，超過設(shè)計(jì)值39℃，這說明HS-219的負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到滿負(fù)荷。目前，MR-201A反應(yīng)器的入口操作溫度為625℃，距末期操作溫度 649℃還有很大的空間；但是，HS-219已經(jīng)沒有能力為MR-201A入口操作溫度繼續(xù)提高而提供更多的熱量。通過對(duì)操作數(shù)據(jù)的分析可知，導(dǎo)致HS-219負(fù)荷高的原因是來自TT-202的乙苯與蒸汽混合物的溫度過低造成的。

脫氫催化劑運(yùn)行到目前，已經(jīng)進(jìn)入中期，TT-202殼程出料的溫度也應(yīng)該逐漸增加；但是，通過對(duì)脫氫反應(yīng)器及TT-202/203/201換熱器的操作數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值的進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，TT-202/203/201的溫度分布不正常。TT-202殼程出口溫度為492℃，還未達(dá)到設(shè)計(jì)的初期溫度(495℃)。TT-203管程的入口溫度為430℃，與初期設(shè)計(jì)值較為接近；TT-203管程的出口溫度為233℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初期設(shè)計(jì)值(301℃)。TT-203管程的設(shè)計(jì)溫差為134℃，實(shí)際為197℃。通過對(duì)TT-203高壓蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的觀察，TT-203的蒸汽發(fā)生量為7955kg/hr，高于設(shè)計(jì)值6463kg/hr 。

可以進(jìn)一步得出結(jié)論：TT-203的蒸汽產(chǎn)生過多，使TT-202殼程出料溫度低，最終導(dǎo)致HS-219的負(fù)荷過高，達(dá)到末期操作狀態(tài)。

3 采取的措施及效果分析

3.1 稀釋蒸汽的改造

由于SMART反應(yīng)器的稀釋蒸汽溫度低，導(dǎo)致氧氣用量增加。針對(duì)這個(gè)問題，我們決定用4.0MPa、365℃蒸汽代替1.0MPa、250℃蒸汽作為SMART反應(yīng)器的稀釋蒸汽。改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表4 。

表4 稀釋蒸汽改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表(1)

表4 稀釋蒸汽改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表(2)

SMART反應(yīng)器入口溫度直接提高到636℃；而氧氣用量卻下降70kg/hr，稀釋蒸汽量下降543kg/hr，氧化催化劑床層溫差下降17℃；SMART反應(yīng)器的操作彈性增加。

3.2 換熱器TT-203的改造

對(duì)TT-203改造就是限制TT-203的熱虹吸流量，限制蒸汽的發(fā)生。TT-203發(fā)生蒸汽的管線由8″變?yōu)?″。發(fā)生蒸汽的管線恢復(fù)為原來的管徑，達(dá)到減少蒸汽發(fā)生的目的。改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表5 。

表5 TT-203改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

TT-203的蒸發(fā)量降低840kg/hr，TT-202殼程出料溫度提高25℃，HS-219出口溫度降低了26℃。提高了MR-201A進(jìn)料溫度，降低了HS-219的負(fù)荷。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)SMART反應(yīng)器及TT-203蒸汽發(fā)生系統(tǒng)存在問題的科學(xué)衡算及成功改造，暴露出UOP公司對(duì)大慶苯乙烯裝置擴(kuò)能中存在的瓶頸問題和設(shè)計(jì)缺陷，為今后同類裝置的改擴(kuò)建積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。