丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔操作要點淺析

劉玉花，張志恒，肖紅

（北洋國家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津300072）

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丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔操作要點淺析

劉玉花，張志恒，肖紅

（北洋國家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津300072）

摘要：針對丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔的特點，提出了產(chǎn)品分離塔的操作原則；結(jié)合實際開車過程中遇到的問題，進(jìn)一步探討了產(chǎn)品分離塔的操作要點，為今后丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔及相關(guān)精餾裝置的操作運行提供了建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：丙烷脫氫；產(chǎn)品分離塔；精餾；操作原則；操作要點

丙烯是一種重要的石油化工中間體，是三大合成材料的基本原料，主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丙酮、丙烯酸、丙烯腈、異丙醇、羰基醇、異丙苯和環(huán)氧丙烷等化工產(chǎn)品。近年來，由于丙烯下游產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了國內(nèi)丙烯的需求量激增，蒸汽裂解工藝和催化裂化工藝等傳統(tǒng)丙烯生產(chǎn)工藝已不能滿足市場需求［1］。丙烷脫氫制丙烯工藝由于具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量好、轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點，迅速脫穎而出，其市場占有率不斷增加。

目前比較成熟的丙烷脫氫制丙烯工藝有：UOP公司的催化脫氫（Oleflex）連續(xù)移動床工藝、CBI lum?mus公司的Catofin循環(huán)多反應(yīng)器系統(tǒng)工藝、Krupp Uhde公司的STAR工藝、Linde-BASF公司的PDH工藝等［2，3］。

國內(nèi)某公司擁有一套丙烷脫氫裝置，采用的是CBI lummus公司的Catofin丙烷脫氫工藝，該工藝分為反應(yīng)、壓縮、回收和精制4部分，其工藝流程如圖1所示。

圖1　Lummus公司Catofin工藝流程

目前該裝置處于高負(fù)荷穩(wěn)定運行中。本文主要是針對丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔的特點，提出了產(chǎn)品分離塔的操作原則；結(jié)合實際開車過程中遇到的問題，進(jìn)一步探討了產(chǎn)品分離塔的操作要點，為今后丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔及相關(guān)精餾裝置的操作運行提供了建設(shè)性意見。

1　產(chǎn)品分離塔的介紹

丙烷丙烯產(chǎn)品分離塔是丙烷脫氫裝置中的核心塔器，其運行狀態(tài)關(guān)系到整套裝置的穩(wěn)定性并影響到整套裝置的經(jīng)濟效益。產(chǎn)品分離塔的進(jìn)料來自于脫乙烷塔塔釜，其主要組成是丙烷和丙烯以及少量的乙烷及碳四等重組分；產(chǎn)品指標(biāo)要求為：塔頂丙烯純度99.6%（mol），塔釜丙烷中丙烯含量3% （wt）。

丙烷丙烯產(chǎn)品分離塔一般有兩種工藝，一是常規(guī)的高壓精餾分離工藝，其具有操作壓力高、溫度高等特點；二是低壓熱泵精餾工藝，相比高壓精餾，其所需的能耗較低，但一次投資較大［4］。本裝置采用的是高壓精餾分離工藝，操作壓力1.8MPaG兆帕。與傳統(tǒng)丙烯生產(chǎn)工藝一樣，由于丙烷丙烯的相對揮發(fā)度接近于1，因此丙烷丙烯產(chǎn)品分離塔需要較大的回流比和較多的塔板數(shù)。本裝置的回流比約為22，上下兩塔串聯(lián)，塔板數(shù)240層左右。與傳統(tǒng)工藝不同的是，丙烷脫氫裝置的設(shè)計噸位一般較大，丙烷丙烯產(chǎn)品分離塔不但塔板數(shù)多，塔徑也較大。

串聯(lián)的上下兩臺大塔形成了一個龐大的系統(tǒng)，因此在實際操作中，系統(tǒng)的反應(yīng)比較慢，滯后性明顯，這對實際的生產(chǎn)操作提出了較高的要求。

2　產(chǎn)品分離塔的操作原則

通過對產(chǎn)品分離塔的試車、開車和生產(chǎn)操作經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，保證該塔的物料、熱量平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定操作的基礎(chǔ)。在裝置運行中，必須掌握好該塔的操作原則，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鑒于此塔系統(tǒng)大，反應(yīng)慢，并根據(jù)實際開車中遇到的問題，我們總結(jié)產(chǎn)品分離塔的操作原則為：慢調(diào)微調(diào)。無論是增減回流量、調(diào)整處理量、加減蒸汽量，都要做到慢調(diào)微調(diào)。系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的大小要根據(jù)處理量的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，且要注意調(diào)節(jié)順序，以保證調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。準(zhǔn)備提高系統(tǒng)的處理量時，先微調(diào)回流量，待回流量增大后，再緩慢增加處理量與蒸汽量；準(zhǔn)備降低系統(tǒng)的處理量時，先微調(diào)處理量，待處理量減小后，再緩慢減少蒸汽量與回流量。因調(diào)整負(fù)荷時改變了物料平衡，要建立新的氣液平衡，達(dá)到一個新的平衡點需要一定的時間。所以負(fù)荷調(diào)整宜小不宜大，宜緩不宜急，做到微調(diào)慢調(diào)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3　產(chǎn)品分離塔的操作要點

在產(chǎn)品分離塔的試車、開車和生產(chǎn)操作期間，在與現(xiàn)場操作人員的溝通中發(fā)現(xiàn)操作人員對影響此塔平穩(wěn)運行的主要因素把握不好，遇到相關(guān)問題，不知道該如何操作調(diào)節(jié)。因此本文將在此闡述影響產(chǎn)品分離塔的主要因素及操作要點，為同類裝置的現(xiàn)場操作人員提供指導(dǎo)，以保證裝置的穩(wěn)定運行。

影響產(chǎn)品分離塔平穩(wěn)運行的主要因素有：處理量（進(jìn)料量、塔頂采出量、塔釜采出量）、操作壓力、回流比、塔頂冷負(fù)荷（塔頂溫度）、塔釜熱負(fù)荷（塔釜溫度）。主要操作要點如下。

3.1處理量

處理量影響的主要是產(chǎn)品分離塔的物料平衡及塔內(nèi)的氣液負(fù)荷。當(dāng)處理量變化時，塔頂采出量及塔釜采出量應(yīng)隨之相應(yīng)變化，以保持塔的物料平衡。處理量最好保證處于設(shè)計范圍內(nèi)，以保證塔盤效率的發(fā)揮和塔的穩(wěn)定運行。當(dāng)處理量較設(shè)計值低時，可通過增大回流量，以維持塔內(nèi)的氣液平衡，保證塔板效率的充分發(fā)揮，從而保證分離效率和產(chǎn)品指標(biāo)。若現(xiàn)場想試探塔的上限，在緩慢調(diào)大處理量的同時，要著重注意觀察產(chǎn)品指標(biāo)及塔板壓降。

3.2操作壓力

產(chǎn)品分離塔的正常操作是基于一定壓力進(jìn)行的，塔的壓力是產(chǎn)品分離塔控制最重要的指標(biāo)。產(chǎn)品分離塔的操作，必須先把塔壓控制在規(guī)定的指標(biāo)內(nèi)，再相應(yīng)調(diào)節(jié)其它參數(shù)。裝置運行中，如果塔的操作壓力發(fā)生波動，將影響全塔的物料平衡、熱量平衡及產(chǎn)品質(zhì)量。

若開車過程中，出現(xiàn)塔壓過高，首先要考慮是熱平衡的問題。若相對于塔釜輸入的熱負(fù)荷，塔頂輸入的冷負(fù)荷較小，則塔頂氣相無法完全冷凝下來，將導(dǎo)致塔頂壓力升高，此時需要檢查冷熱負(fù)荷。若出現(xiàn)塔壓過低，需要緩慢增大塔釜熱負(fù)荷，減小塔頂冷負(fù)荷或通過塔頂壓力控制旁路實現(xiàn)。

本裝置產(chǎn)品分離塔塔頂壓力控制類型為熱旁路控制法，其連接方式為產(chǎn)品分離塔塔頂氣相主管線經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后進(jìn)入回流罐，在主管線引一支管道回流罐頂部，此管線上設(shè)一調(diào)節(jié)閥，取壓點在塔頂或主管線上，具體連接方式如圖2所示。

圖2　塔頂壓力熱旁路控制圖

熱旁路控制法的作用原理為：調(diào)節(jié)主副管線內(nèi)的物料量實現(xiàn)塔頂壓力控制。如果塔頂壓力小于設(shè)計值，調(diào)節(jié)閥開大，回流罐的壓力立即與塔頂壓力相等。由于冷凝器位置低于回流罐，回流罐內(nèi)的物料，從罐底流入冷凝器內(nèi)，并充滿冷凝器，使冷凝器的冷卻管不能對產(chǎn)品分離塔的氣相物料冷凝，塔頂?shù)臍庀辔锪蟿t無法被冷凝而憋壓。而此塔塔釜仍在供熱而產(chǎn)生大量上升氣量，因此塔頂?shù)膲毫υ黾印Ｈ艟s塔頂壓力高于設(shè)定值時，則熱旁路上的調(diào)節(jié)閥需完全關(guān)閉。

此裝置的產(chǎn)品分離塔，在運行的一個階段內(nèi)，熱旁路的控制閥完全關(guān)閉后，塔壓依然高于設(shè)計壓力，尤其是提高處理量時，塔壓升得更高。根據(jù)前述的分析，現(xiàn)場對塔頂?shù)睦淠骱屠鋮s介質(zhì)進(jìn)行了檢查后發(fā)現(xiàn)，冷卻介質(zhì)循環(huán)水的水質(zhì)出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致傳熱性能下降，從而導(dǎo)致塔頂冷負(fù)荷不足，進(jìn)而導(dǎo)致塔壓升高。

3.3回流比

在一定操作壓力下，回流比是影響產(chǎn)品分離塔產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。裝置運行中，可通過調(diào)節(jié)回流比來調(diào)節(jié)、控制產(chǎn)品的質(zhì)量。在允許負(fù)荷內(nèi)，增大回流比，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量；但若塔內(nèi)負(fù)荷超過允許氣液負(fù)荷，增大回流比，反而會引起塔盤效率的下降，甚至?xí)?dǎo)致塔內(nèi)液泛及塔壓超限，破壞塔的正常操作，因此對回流比的控制要靈活，不能過于教條。當(dāng)生產(chǎn)狀況比較穩(wěn)定時，要摸索需要的最小回流比，以降低裝置能耗；當(dāng)生產(chǎn)狀況波動較大時，是適當(dāng)加大回流比，以保證產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。

3.4塔頂溫度、塔底溫度

在一定的操作壓力下，塔內(nèi)操作溫度與組分是相關(guān)的。當(dāng)塔頂溫度升高時，說明塔頂物料中重組分變多。若塔釜溫度也隨之升高，說明系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷不平衡而導(dǎo)致，此時需要緩慢增大冷負(fù)荷，調(diào)小熱負(fù)荷。若塔釜溫度降低，則說明整塔的分離效率不足，輕重組分未分開，此時需檢查塔板壓降是否增大，并緩慢降低處理量。當(dāng)塔頂溫度降低時，說明塔頂物料中重組分變少。若塔釜溫度也隨之降低，說明系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷不平衡而導(dǎo)致，此時需要緩慢增大熱負(fù)荷，減小冷負(fù)荷；若塔釜溫度升高，則說明分離效率變好。

3.5塔頂冷負(fù)荷、塔釜熱負(fù)荷

塔底上升蒸汽和塔頂液體回流保證了產(chǎn)品分離塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)，是維持精餾過程穩(wěn)定操作的必要條件。塔底熱負(fù)荷是產(chǎn)品分離塔熱量的主要來源，通過調(diào)節(jié)塔底熱負(fù)荷，可以控制上升蒸汽量及塔底產(chǎn)品指標(biāo)。塔頂冷負(fù)荷是實現(xiàn)塔頂回流的必要條件。通過調(diào)節(jié)塔頂冷負(fù)荷的大小，可以控制塔頂?shù)幕亓髁炕蚧亓鳒囟?，從而控制塔頂產(chǎn)品指標(biāo)。在操作過程中，冷熱負(fù)荷大小的調(diào)節(jié)一般是分別通過調(diào)節(jié)循環(huán)水量和加熱蒸汽量實現(xiàn)的。在冷熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)過程中，由于產(chǎn)品分離塔系統(tǒng)較大，一定要微調(diào)慢調(diào)。

當(dāng)進(jìn)料量、進(jìn)料組成或進(jìn)料熱狀況發(fā)生變化時，塔頂?shù)睦錈嶝?fù)荷均應(yīng)隨之變化，以維持系統(tǒng)的熱量平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)輸入的冷量與輸入的熱量相等。

本裝置在運行的過程中，遇到過這樣一個問題：在炎熱的夏天，塔釜部分板壓降隨著日曬的時間而出現(xiàn)周期性的變化。仔細(xì)分析，我們就會發(fā)現(xiàn)這是由于系統(tǒng)輸入的冷熱負(fù)荷不平衡而導(dǎo)致的。夏日中午氣溫較高，循環(huán)水的水溫上升，導(dǎo)致系統(tǒng)輸入的冷負(fù)荷較其它時間段減少，而此時塔釜的熱負(fù)荷并未減小。即相對于系統(tǒng)輸入的冷量，輸入的熱量較多，塔釜上升蒸汽量較大，因此塔釜的氣液負(fù)荷較大，從而造成塔釜部分板壓降較其它時間段稍高。

由于本系統(tǒng)較大，在實際運行中，若遇到此種情況，只要塔處于穩(wěn)定運行中，產(chǎn)品指標(biāo)達(dá)標(biāo)，則可以維持這種操作，不必因此去調(diào)整塔釜的熱負(fù)荷。

3.7塔板壓降

對于產(chǎn)品分離塔這一加壓塔而言，塔板壓降影響的主要是傳質(zhì)效率與能耗。對于板式塔而言，一定的塔板壓降有助于提高傳質(zhì)效率，但過高的塔盤壓降，則會導(dǎo)致能耗增大且影響塔的穩(wěn)定操作。因此在保證板效率的前提下，要力求減小板壓降以降低能耗及改善塔的操作性能。

此外，實際生產(chǎn)中，塔板壓降是可快速并及時反映塔內(nèi)操作狀態(tài)的一個重要參數(shù)。塔板壓降會隨著塔內(nèi)氣液負(fù)荷的增大而緩慢增大，這種現(xiàn)象是合理的，遇到這種現(xiàn)象不必驚慌，只要整塔處于穩(wěn)定操作，產(chǎn)品指標(biāo)合格即可。

但若塔板壓降快速增大，首先要考慮的是整塔液泛，此時一定要先逐漸降低處理量，然后慢慢降低塔釜熱負(fù)荷，再次相應(yīng)漸漸降低塔頂?shù)幕亓髁?。若?jīng)過這樣調(diào)整后，整塔恢復(fù)平穩(wěn)運行，則說明之前的處理量已達(dá)到上限。

4　結(jié)論

4.1針對丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔系統(tǒng)大的特點，提出了產(chǎn)品分離塔的操作原則為微調(diào)緩調(diào)，調(diào)節(jié)幅度宜小不宜大，宜緩不宜急。

4.2結(jié)合實際開車過程中遇到的問題，進(jìn)一步探討了產(chǎn)品分離塔的主要影響因素有處理量、操作壓力、回流量、塔頂冷負(fù)荷及塔釜熱負(fù)荷。

4.3圍繞著主要影響因素，闡述了系統(tǒng)的操作要點，為今后丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔及相關(guān)精餾裝置的操作運行提供了寶貴的經(jīng)驗及關(guān)鍵性指導(dǎo)意見。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis of operating points of product separation column in propane dehydrogenation unit

LIU Yu-hua，ZHANG Zhi-heng，XIAO Hong
（National Peiyang Distillation Technology Engineering Limited Company，TianJin 300072）

Abstract:According to the characteristics of product separation column in propane dehydrogenation unit，operating principles of product separation column was proposed.Combined with problems encountered during actual production，Operating points of product separation column was further explored.All those provide guidance to the operators of product separation column in propane dehydrogenation unit and related distillation units.

Key words：propane dehydrogenation；distillation；rectification；operatingprinciples；operatingpoints

doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.011

中圖分類號：TQ051.8+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C

文章編號：1008-1267（2016）01-0031-04

收稿日期：2015-09-15