乙烯焦油綜合利用項目中樹脂油填料塔的控制分析

□葛蘭蘭

一、引言

乙烯裂解重油是乙烯原料高溫縮合的產(chǎn)物，主要為芳烴化合物，富含茚及其同系物、萘、甲基萘以及碳氫比相對較高的烷基芳烴類化合物，各餾分段均是有機合成的重要化工原料。目前，蘭州石化公司乙烯裂解重油年產(chǎn)量約為8.0萬噸，其中1.5萬噸用作石化廠開工鍋爐和丙烯腈焚燒爐燃料，其余6.5萬噸作為燃料油外銷。隨著燃料油附加稅征收的實施，不僅經(jīng)濟效益較差，而且會對環(huán)境造成污染。而通過進一步深加工生產(chǎn)的石油萘、樹脂油、重組分油、古馬隆樹脂可用于有機化工的原料[1，2]。在提高產(chǎn)品附加值的同時，有利于環(huán)境的保護。項目中以乙烯裂解重油為原料，通過精密精餾分離，生產(chǎn)出具有良好市場前景的化工產(chǎn)品，如樹脂油、工業(yè)石油萘等。由于所用原料乙烯裂解重油組成復雜，粘度較大，同分異構體及同系物較多，且具有熱敏性，高溫下容易結焦，所以分離工藝技術要求較高[3]。項目中設有樹脂油填料塔和粗萘填料塔作為核心分離設備，在選用高效填料和塔內件的基礎上，為了以較高的分離效率來保證產(chǎn)品的質量和節(jié)省投資，本文以樹脂油填料塔為例，通過主要精餾參數(shù)的變化來探討精餾塔的控制系統(tǒng)，從而保證精餾過程能夠高效穩(wěn)定的操作。在化工單元操作中，精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作[4]，在石油化工工業(yè)中得到廣泛應用，精餾是在能量驅動下，進行傳熱和傳質的過程。也是一個多輸入多輸出的多變量過程，內在機理較復雜，動態(tài)響應遲緩、變量之間相互關聯(lián)[5]，不同的塔工藝結構差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。精餾塔的控制目標是[1，6]，在保證產(chǎn)品質量合格的前提下，盡可能提高產(chǎn)品的產(chǎn)率并設法降低裝置的能耗，使塔的總收益最大或總成本最小。精餾塔的控制要求保持全塔的物料平衡(1)和能量平衡(2)。

F、D、B、V分別為進料、頂餾出液和底餾出液流量，塔內上升蒸汽量;Zf、XD、XB分別為進料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量;β為塔的特性因子

精餾塔的各種擾動因素都是通過物料平衡和能量平衡的形式來影響塔的操作。在樹脂油塔的控制系統(tǒng)中，塔處于沸騰狀態(tài)，乙烯焦油作為固定進料，塔頂?shù)玫捷p組分樹脂油，塔底得到重組分粗萘，在塔運行時，可以被操縱的變量有以下幾個，塔壓、乙烯焦油進料流量、進料組分和進料溫度、加入的熱量(再沸器)、塔底重組分粗萘流量、塔頂帶走的熱量(回流)、樹脂油流量。

圖1 樹脂油塔的操作變量

二、塔壓控制

由于樹脂油塔要分離的乙烯焦油沸點較高，粘度較大，高溫下容易結焦，在常壓下要進行樹脂油和粗萘的分離所需要的溫度達到220℃以上，為了降低操作溫度，采用減壓精餾[8]。減壓狀態(tài)下的操作溫度控制在120/170℃(塔頂/塔底)。另一方面考慮到經(jīng)濟性，采用冷卻水作為塔頂冷凝劑，蒸汽作為塔底加熱介質，所以樹脂油塔頂、塔釜操作壓力為0.015/0.025Mpa(A)。采用的壓力控制方案如下，利用真空泵抽真空，在真空抽出線上接氮氣線，通過調節(jié)氮氣量來控制真空度(如圖2所示)。在樹脂油塔的控制中，壓力是最重要的控制指標，一旦塔壓波動過大，就會破壞全塔的熱量平衡和汽液相平衡，影響樹脂油產(chǎn)品質量。在進出料保持平衡，回流比不變的情況下，塔壓差基本上是不變的。如果塔壓發(fā)生了變化，要找出具體原因進行調節(jié)，以下因素會引起塔壓的波動:塔頂溫度、塔釜溫度、進料組成、進料量、回流量、冷劑量及冷劑壓力。另外，儀表故障、設備和管道的凍堵，也可能引起塔壓的變化。常用的調節(jié)方法有三種:一是在乙烯焦油進料不變的情況下，可改變塔頂樹脂油的采出量來改變壓差。采出多壓差小;采出少，塔壓差會愈來愈大。二是在樹脂油取出不變時，用進料來調節(jié)壓差;進料量大，塔壓差上升，反之下降。三是可通過釜溫的變化來調節(jié)壓差;提高釜溫，壓差上升;降低釜溫，壓差下降，但是由于物料的熱敏性，只能在較小范圍內進行調節(jié)塔釜溫度，這種方法通常不會用到。

圖2 樹脂油塔塔頂壓力控制

三、進料控制

樹脂油塔的進料控制包括對進料流量、組分和溫度三個變量的調節(jié)。進料流量通常是在進料管線上安裝一個調節(jié)閥來達到控制的目的。樹脂油塔的進料來自原料蒸發(fā)器的氣相，它的流量調節(jié)是通過將調節(jié)閥安裝到原料蒸發(fā)器的加熱蒸汽管線上來實現(xiàn)的。若進料量波動范圍不超過樹脂油塔頂冷凝器和塔底再沸器的負荷范圍時，只要調節(jié)得當，對頂溫和釜溫不會有顯著變化，而只影響塔內上升蒸汽速度的變化。若進料量變動的范圍超過了樹脂油塔頂冷凝器和塔底再沸器負荷范圍時，不僅影響塔內上升樹脂油蒸汽速度的變化，而且會改變塔頂、塔釜溫度，致使氣液平衡組成改變，直接影響塔頂樹脂油產(chǎn)品的質量?？傊?，進料量過大的波動，將會破壞塔內正常的物料平衡和工藝條件，造成一系列的波動。獲得穩(wěn)定操作的最好方法之一是要求進料流量恒定。樹脂油塔中的乙烯焦油進料，來自蘭州石化乙烯裝置，其組成受到前面工序的綜合制約，進料組成直接影響精餾操作，如當進料中重組分增加時，精餾段負荷增加，易造成粗萘等重組分帶到塔頂，使塔頂采出的樹脂油不合格，若進料中輕組分增加，提餾段負菏就會加重，容易造成釜液中樹脂油損失加大。進料組成的變化，還會引起物料平衡和工藝條件的變化。但是進料組成在精餾塔中不容易得到校正，在實際生產(chǎn)中，可通過調節(jié)回流比的辦法來補償組分變化。例如，當進料中輕組分下降時，若保持回流比和樹脂油的采出率(塔頂)不變，塔內樹脂油的上升量將減少，則塔頂樹脂油組成和塔釜粗萘組成也隨之下降。要維持塔頂樹脂油的純度?？刹扇≡龃蠡亓鞅然驕p少塔頂采出率的方案。另外，進料溫度也是影響精餾操作的重要因素之一。如果進料溫度低，使上升蒸汽的一部分冷凝成液體，向下流增加了提餾段的負擔，使再沸器蒸汽負荷增加，引起釜采粗萘質量下降，甚至不合格。若進料溫度高，進料氣體直接上升，進入精餾段，造成頂采樹脂油質量下降，甚至不合格。當進料熱狀態(tài)變化時，應根據(jù)冷凝器和再沸器的負荷能力調節(jié)回流量和塔釜的汽化量。

四、再沸器的控制

塔壓一定時，只有保持一定的釜溫，才能保證一定的塔底殘液組成，樹脂油塔釜溫波動通常會受到以下幾個因素的影響:一是乙烯焦油進料組成變化。二是回流比變化也會引起釜溫變化，如回流比加大，則輕組分壓入塔釜，釜溫下降。三是塔的真空波動也會引起釜溫變化。樹脂油塔采用了以下方式進行釜溫的控制(見圖3):將流量調節(jié)器裝在輸送加熱蒸汽的管線上與塔釜溫度形成連鎖控制，若調節(jié)使得大量的蒸汽進入再沸器，則再沸器中液體沸騰速率增大，釜溫上升;減少蒸汽量，釜溫下降。

圖3 樹脂油塔塔釜溫度控制

圖4 通過控制回流實現(xiàn)對塔頂溫度的調節(jié)

五、回流量的控制

由物料平衡和能量平衡的理論可知，頂壓一定時，塔頂溫度高低就反映了塔頂樹脂油產(chǎn)品組成，只有保持一定的塔頂溫度才能保證一定的產(chǎn)品質量。然而頂溫主要是通過回流管線上的調節(jié)閥和塔頂溫度連鎖調控來實現(xiàn)的(見圖4)。頂溫低時，應減少回流量，具體操作應提高塔頂樹脂油采出量。頂溫高時應適當加大回流量，減少塔頂樹脂油采出量。所以采出量調節(jié)閥與回流罐的液位形成一個連鎖，達到通過采出控制回流的目的控制(見圖4)。在整個樹脂油塔的操作中，通過改變回流比的大小，以滿足產(chǎn)品的質量要求是經(jīng)常遇到的問題。當塔頂萘含量增加時，常采用加大回流的方法將萘壓下去，以使產(chǎn)品質量合格。當精餾段的樹脂油輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時，可以用適當減少回流比的方法以使釜溫度提起來。但是回流比的增加是有代價的，在提高樹脂油產(chǎn)品質量的同時，卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、氣的消耗。因此，對回流比的調節(jié)是有限度的。

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