甲醇制丙烯裝置中丙烯質(zhì)量控制的影響因素

蘇 慧, 莊 壯, 王 峰，雍曉靜, 羅春桃

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750411）

甲醇制丙烯裝置中丙烯質(zhì)量控制的影響因素

蘇 慧, 莊 壯, 王 峰，雍曉靜, 羅春桃

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750411）

針對(duì)神華寧煤甲醇制丙烯（MTP）裝置分離系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，重點(diǎn)分析了影響丙烯質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素：C3分離塔塔頂壓力波動(dòng)、進(jìn)料狀態(tài)、回流比、塔頂冷凝器冷后溫度變化及塔釜溫度波動(dòng)等，其中塔頂壓力波動(dòng)是造成丙烯質(zhì)量不合格的主要原因，并對(duì)C3分離塔提出優(yōu)化與改進(jìn)措施。生產(chǎn)實(shí)踐表明，優(yōu)化后的C3分離塔能夠更好地提高丙烯產(chǎn)量，同時(shí)確保塔壓的易調(diào)控。

MTP；C3分離塔；質(zhì)量；改進(jìn)；優(yōu)化

2011年4月神華 寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤基聚丙烯項(xiàng)目產(chǎn)出合格聚丙烯產(chǎn)品并進(jìn)入生產(chǎn)階段，裝置主產(chǎn)50萬(wàn)t·a-1丙烯，副產(chǎn)18.4萬(wàn)t·a-1汽油、4.1萬(wàn)t·a-1液化石油氣和2萬(wàn)t·a-1乙烯。該項(xiàng)目主要包括煤氣化、甲醇合成、甲醇制丙烯（MTP）和丙烯聚合等生產(chǎn)單元。其中，C3分離塔作為MTP裝置的重要精餾系統(tǒng)，直接分離出丙烯和丙烷產(chǎn)品，控制著丙烯產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。C3分離塔的原料以丙烷和丙烯氣相混合物為主，由于二者的相對(duì)揮發(fā)度小，分離難度大。為了滿足后續(xù)聚合單元的生產(chǎn)要求（聚合級(jí)丙烯純度≥99.6%），C3分離塔需要較多的塔板和較大的回流比，同時(shí)消耗較多的能量。既使C3分離塔達(dá)到甲醇制丙烯工藝設(shè)計(jì)的要求，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中丙烯于塔釜餾出物中依然占有較高的比例；且與塔釜產(chǎn)品丙烷相比，塔頂產(chǎn)品丙烯能夠作為基礎(chǔ)原料用于生產(chǎn)下游高附加值的衍生產(chǎn)品，更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而塔釜丙烷一部分作為原料回到原料爐進(jìn)行回?zé)挘硪徊糠肿鳛楦碑a(chǎn)液化石油氣（LPG）的組分。因此，如何降低C3分離塔塔釜中丙烯的含量，同時(shí)提高分離塔塔頂丙烯的含量，對(duì)神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤基甲醇制丙烯項(xiàng)目具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。本文針對(duì)C3分離塔現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探討了丙烯質(zhì)量控制的影響因素，通過(guò)分離塔塔頂冷凝系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)分離塔塔壓的調(diào)控，有效提高了C3分離塔塔頂丙烯的產(chǎn)量，同時(shí)控制了分離塔的塔壓。

1 丙烯/丙烷分離系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

C3分離塔在MTP裝置運(yùn)行初期正常。但是，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的累積，且循環(huán)水水質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致分離塔塔頂冷凝器內(nèi)部管束出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢，從而造成冷凝器換熱效率下降，使得分離塔塔頂丙烯產(chǎn)品冷后溫度高達(dá)50℃，塔頂壓力最高可達(dá)2.21MPa，嚴(yán)重超出了C3分離塔塔頂?shù)恼２僮髦担?.10～2.14MPa）。尤其，當(dāng)夏季循環(huán)水水溫稍漲后，C3分離塔塔壓隨之升高，嚴(yán)重影響C3分離塔的穩(wěn)定操作，影響塔頂丙烯的含量，同時(shí)造成塔釜丙烯含量超標(biāo)，造成丙烯的嚴(yán)重?fù)p失。為了盡量降低分離塔塔頂回流罐的操作溫度，在裝置的運(yùn)行期間，需要及時(shí)清洗循環(huán)上水過(guò)濾網(wǎng)，清洗完畢后，換熱效果略有改善。隨著MTP裝置工況的調(diào)整以及C3分離塔負(fù)荷相應(yīng)的增加，由清洗過(guò)濾網(wǎng)帶來(lái)的效果變得不明顯，如果頻繁地更換和清洗過(guò)濾網(wǎng)，不僅增加分離工段的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且延誤丙烯當(dāng)月的產(chǎn)量任務(wù)。因此，尋找和分析裝置操作過(guò)程中影響C3分離塔的主要因素，能夠最大限度地解決分離塔存在的問(wèn)題。

2 MTP裝置丙烯生產(chǎn)工藝流程

圖1是C3分離塔的工藝流程示意圖。從脫乙烷塔底來(lái)的C3混合物先后進(jìn)入保護(hù)床和過(guò)濾器，依次脫除氣相混合物中的二甲醚（DME）和雜質(zhì)后，從第90層或第122層塔板進(jìn)入C3分離塔。由急冷水泵來(lái)的急冷水將C3分離塔塔釜的料液部分汽化，作為塔釜的氣相回流。C3分離塔底部的丙烷產(chǎn)品經(jīng)塔底冷卻器冷卻后，直接送至LPG罐區(qū)。而C3分離塔頂丙烯產(chǎn)品經(jīng)過(guò)塔頂冷凝器冷卻后，再進(jìn)入回流罐，其中一路作為回流進(jìn)入C3分離塔內(nèi)，另一路作為丙烯產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)丙烯冷卻器冷卻后，直接送往界區(qū)外丙烯儲(chǔ)罐。

圖1 C3分離塔工藝流程示意圖

3 丙烯質(zhì)量控制的關(guān)鍵影響因素

3.1 C3分離塔塔頂壓力的波動(dòng)

由于MTP裝置C3分離塔塔頂冷凝器的冷凝效果差，導(dǎo)致冷后溫度偏高，塔頂壓力持續(xù)較高，使分離效果下降，嚴(yán)重影響了C3分離塔的操作，造成塔頂?shù)桩a(chǎn)品質(zhì)量不合格。當(dāng)塔頂溫度、塔底溫度、回流溫度以及塔釜熱負(fù)荷和塔頂冷負(fù)荷都在控制指標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)，取操作穩(wěn)定的一個(gè)周期，分析塔壓的持續(xù)升高對(duì)C3分離塔整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而找出影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格的因素，平穩(wěn)操作時(shí)期C3分離塔壓力與丙烯質(zhì)量的關(guān)系圖見圖2。

圖2 C3分離塔塔頂壓力與丙烯質(zhì)量的關(guān)系圖

從圖2中可以看出，在其他操作條件基本保持不變時(shí)，隨著C3分離塔塔頂壓力升高，分離塔塔底丙烯含量呈上升趨勢(shì)，最高可達(dá)到19%左右，在正常操作時(shí)塔底丙烯百分比含量應(yīng)小于3.6%，若大于3.6%則會(huì)造成塔底產(chǎn)品中丙烯的嚴(yán)重超標(biāo)；塔頂丙烯含量隨著C3分離塔塔頂壓力的升高而增加，最高值可達(dá)到99.86%，圖中出現(xiàn)塔頂丙烯含量的波動(dòng)主要是由MTP裝置操作工藝調(diào)整所致。由此可知，C3分離塔塔壓變化是直接影響塔頂丙烯含量的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)塔頂壓力控制在2.11～2.16MPa范圍內(nèi)，C3分離塔塔頂丙烯含量（裝置要求大于99.40%）符合后續(xù)聚合工藝的生產(chǎn)。

3.2 C3分離塔進(jìn)料狀態(tài)

對(duì)于C3分離塔而言，丙烯/丙烷進(jìn)料狀態(tài)的變化能夠直接影響丙烯質(zhì)量和丙烯損失量。由上述工藝流程可知，C3分離塔的進(jìn)料屬于氣相進(jìn)料，從脫乙烷塔底來(lái)的丙烯和丙烷的混合物，經(jīng)過(guò)防護(hù)床和過(guò)濾器后，除去DME等雜質(zhì)后再進(jìn)入C3分離塔內(nèi)。以下分別從進(jìn)料量和進(jìn)料溫度來(lái)分析進(jìn)料狀態(tài)對(duì)C3分離塔塔頂丙烯質(zhì)量的影響。

3.2.1 進(jìn)料量的大小

當(dāng)C3分離塔進(jìn)料量不超過(guò)塔頂冷凝器負(fù)荷和塔底再沸器負(fù)荷時(shí)，分離塔塔頂溫度和塔釜溫度均不會(huì)產(chǎn)生顯著變化，也不會(huì)造成分離塔內(nèi)上升蒸汽速度的變化；當(dāng)分離塔進(jìn)料量超過(guò)塔頂冷凝器負(fù)荷和再沸器負(fù)荷后，C3分離塔塔內(nèi)上升蒸汽的速度會(huì)受到影響，同時(shí)影響分離塔塔頂溫度和塔釜溫度，致使塔板上的氣液平衡發(fā)生變化，從而直接影響丙烯質(zhì)量和丙烯損失量。因此，進(jìn)料量的變化能夠破壞整個(gè)C3分離塔內(nèi)物料的平衡，在未達(dá)到新的物料平衡前，造成C3分離系統(tǒng)的波動(dòng)。

3.2.2 進(jìn)料溫度

較低的進(jìn)料溫度能夠升高塔釜的熱負(fù)荷，降低塔頂冷凝器的冷負(fù)荷，反之，較高的進(jìn)料溫度導(dǎo)致塔釜熱負(fù)荷降低、塔頂冷負(fù)荷升高。當(dāng)C3分離塔進(jìn)料溫度發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)，整個(gè)C3分離塔的溫度隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致分離塔內(nèi)氣液平衡的變化。此外，分離塔進(jìn)料溫度的變化，必將引起進(jìn)料狀態(tài)、精餾段冷負(fù)荷、提餾段熱負(fù)荷的變化，致使整個(gè)分離塔內(nèi)物料平衡隨之而變。

3.3 回流量大小的影響

在C3分離塔操作過(guò)程中，回流量是影響整個(gè)分離塔塔頂丙烯含量的另一個(gè)關(guān)鍵因素。生產(chǎn)中經(jīng)常采用回流比來(lái)調(diào)節(jié)和控制塔頂丙烯含量。當(dāng)精餾段中重組分含量增加時(shí)，常采用加大回流比的方法，降低塔頂重組分含量，增加塔頂輕組分的含量，以便保證丙烯產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)提餾段中輕組分含量增加時(shí)，塔底下部溫度降低，通過(guò)適當(dāng)減小回流比提高塔釜溫度。對(duì)從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔而言，回流比的增加能夠提高塔頂產(chǎn)品含量，降低精餾塔的生產(chǎn)能力，且增加公用工程的消耗。當(dāng)回流比增加過(guò)大時(shí)，將會(huì)造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過(guò)大，甚至導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作[2]。

圖3是平穩(wěn)操作周期內(nèi)C3分離塔回流量與丙烯含量的關(guān)系圖。從圖3中可以看出，C3分離塔塔頂丙烯含量隨著回流量的增大而不斷上升，為了滿足裝置生產(chǎn)合格丙烯的要求（丙烯含量應(yīng)大于99.4%），在實(shí)際生產(chǎn)中一般控制塔頂回流量在845～855 t/h。當(dāng)回流比增大時(shí)，塔頂丙烯含量增加，這是由于加大回流量時(shí)，塔頂輕重組分更易冷凝到塔釜，而重組分比輕組分冷凝量多，因此提高塔頂丙烯含量的同時(shí)增加塔釜丙烯的含量，影響丙烯產(chǎn)品的采出量。反之，當(dāng)回流比減小時(shí)，塔內(nèi)物料平衡遭到破壞，造成重組分上移至精餾段，導(dǎo)致塔頂丙烯產(chǎn)品質(zhì)量不合格，此時(shí)只能增加回流量或降低外送量，待塔內(nèi)物料重新達(dá)到平衡后，酌情增加丙烯外甩量，如果不減少丙烯外送量，將會(huì)導(dǎo)致回流罐液位下降，同時(shí)由于外送量較大，塔頂丙烯質(zhì)量難以達(dá)到合格的要求。

圖3 回流量對(duì)丙烯產(chǎn)品質(zhì)量的影響

3.4 塔釜熱負(fù)荷和塔頂冷負(fù)荷的影響

在精餾操作過(guò)程中，為了保持塔釜熱源溫度的穩(wěn)定，需要根據(jù)塔的熱負(fù)荷大小，調(diào)整熱載體流量，從而將塔釜溫度控制在一定范圍內(nèi)[3]。同時(shí)，塔頂冷凝量的大小也會(huì)引起回流量和回流溫度的變化。塔頂冷凝量增加，回流量隨之增加，導(dǎo)致塔頂溫度下降；塔頂冷凝量降低，回流量隨之減小，導(dǎo)致塔頂溫度升高。因此，適當(dāng)?shù)乃獰嶝?fù)荷和塔頂冷負(fù)荷是確保精餾塔正常操作的前提條件。C3分離塔塔釜溫度為62～65℃，一定工況下，塔釜溫度對(duì)塔頂丙烯含量和塔釜丙烯含量的影響如表1所示。

表1 C3分離塔塔釜溫度對(duì)塔頂丙烯含量和塔釜丙烯含量的影響

從表1可以看出，當(dāng)C3分離塔塔釜溫度從62.26℃升至65.41℃時(shí)，塔頂丙烯含量由99.60wt%降至99.39 wt %，塔釜丙烯含量由4.03 wt %降至1.32 wt %，由此說(shuō)明塔頂丙烯含量與塔釜內(nèi)丙烯的損失量均減少；反之，當(dāng)塔釜溫度降低時(shí)，塔頂丙烯含量與塔釜丙烯的含量均增加。在C3分離塔工藝調(diào)整中，塔釜溫度的增加使得塔內(nèi)上升蒸汽的速度增加，有利于提高分離塔內(nèi)的傳質(zhì)效率。但是，如果塔釜溫度過(guò)高，則塔釜內(nèi)的丙烷容易帶入塔頂，影響塔頂丙烯的含量。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，必須綜合考慮丙烯收率、塔釜損失、塔頂丙烯含量等影響因素，選擇適宜的塔釜溫度。通常C3分離塔塔釜溫度盡量控制在63～64℃為宜。

4 C3分離塔的改造與優(yōu)化措施

4.1 塔頂壓力的調(diào)整與優(yōu)化

精餾塔在正常操作是基于一定壓力進(jìn)行的，如果塔的操作壓力發(fā)生波動(dòng)，對(duì)塔的產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡、操作溫度都有重要影響[4]。當(dāng)精餾塔塔壓發(fā)生變化時(shí)，塔內(nèi)氣液平衡受到破壞, 與壓力相對(duì)應(yīng)的各種平衡關(guān)系隨之受到破壞，整個(gè)塔的操作將隨之改變。換言之，塔的壓力升高，則塔頂餾分產(chǎn)量減少，輕組分濃度增加，塔釜產(chǎn)品產(chǎn)量增加，純度降低。反之則塔頂餾分產(chǎn)量增加，輕組分濃度降低，塔釜產(chǎn)品濃度提高，液相量相對(duì)減少[5]。MTP裝置C3分離塔處理的是帶壓的液化氣混合物料，液化氣沸點(diǎn)低，當(dāng)分離過(guò)程中塔壓發(fā)生微小變化后, 塔釜丙烷組分即以較快的速度揮發(fā)并產(chǎn)生攜帶現(xiàn)象, 或氣相迅速凝結(jié)致使C3分離塔內(nèi)氣液相分布發(fā)生較大的變化,并對(duì)丙烯與丙烷的分離產(chǎn)生直接影響。因此，塔壓是C3分離塔操作的重要參數(shù)之一，表2為C3分離塔塔壓過(guò)低/高時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象、原因及處理方法。

表2 C3分離塔塔壓低/高時(shí)的現(xiàn)象、原因及優(yōu)化措施

4.2 塔壓調(diào)整后的效果

在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)MTP裝置的運(yùn)行過(guò)程中，丙烯分離系統(tǒng)主要采取穩(wěn)定C3分離塔進(jìn)料量、穩(wěn)定C3分離塔塔頂壓力、穩(wěn)定C3分離塔的產(chǎn)品采出量、調(diào)整塔釜溫度、合理控制回流比、定期清洗和檢修C3分離塔塔頂冷卻器等措施，實(shí)現(xiàn)了C3分離塔“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”的運(yùn)行，并取得了顯著地經(jīng)濟(jì)效益。并且在MTP裝置檢修過(guò)程中，分別對(duì)C3分離塔塔頂冷卻器、塔底再沸器進(jìn)行了清理和更換管束，從而保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 C3分離塔檢修前后同一時(shí)期塔壓對(duì)比圖

圖4為C3分離塔在檢修前后（2013年4月至5月）塔壓對(duì)比圖。由圖4可以看出，在生產(chǎn)中采取相應(yīng)措施后，C3分離塔塔頂壓力明顯下降，實(shí)現(xiàn)C3分離塔負(fù)荷的降低，有利于塔頂丙烯的采出，確保MTP裝置丙烯收率的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

在精餾操作中，嚴(yán)格控制塔的各項(xiàng)參數(shù)是十分重要的，尤其對(duì)于神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)主產(chǎn)50萬(wàn)t/a丙烯的裝置，塔壓的易控與平穩(wěn)是至關(guān)重要的。只有在正常范圍內(nèi)調(diào)控各項(xiàng)操作參數(shù)，才能保證C3分離塔塔頂丙烯質(zhì)量合格和產(chǎn)量最大化。通過(guò)對(duì)C3分離塔塔頂冷凝系統(tǒng)的技術(shù)改造，改善了分離塔塔頂冷凝效果，提高了塔頂丙烯的產(chǎn)量，同時(shí)有效控制了分離塔的塔壓，提高了丙烯分離系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 鄧凱，杜軍駐，仇汝臣.丙烷丙烯分離塔操作優(yōu)化研究[J].山東化工，2012，41(3) ：91-94.

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Influence Factors of Propylene Quality Control in Methanol-to-propylene Process

SU Hui, ZHUANG Zhuang, WANG Feng, YONG Xiao-jing, LUO Chun-tao
(Research and Development Division,S henhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd., Yinchuan 750411, China)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1671-9905(2015)03-00 -

蘇慧（1987-），女，寧夏回族自治區(qū)中寧縣人，畢業(yè)于寧夏大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，碩士，工程師，主要從事催化劑開發(fā)及應(yīng)用研究，電話：13895176874，E-mail：nxsuhui001@126.com

2015-01-09