Badger和Lummus苯乙烯工藝能耗對(duì)比分析

齊向偉(青島堿業(yè)新材料科技有限公司,山東青島266000)

Badger和Lummus苯乙烯工藝能耗對(duì)比分析

齊向偉(青島堿業(yè)新材料科技有限公司,山東青島266000)

從代表當(dāng)今苯乙烯主流技術(shù)的兩家專利商貝杰爾和魯姆斯技術(shù)的能耗對(duì)比分析入手，對(duì)這兩種生產(chǎn)苯乙烯產(chǎn)品的工藝技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行論述，從能耗角度分析為潛在的苯乙烯生產(chǎn)商選擇工藝路線提供技術(shù)參考。裝置物耗由于采用不同廠家的催化劑會(huì)出現(xiàn)較大差別，在此不進(jìn)行論述。

BADGER LUMMAS;苯乙烯;工藝;能耗

近年來(lái)國(guó)內(nèi)苯乙烯（SM）市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，其產(chǎn)能也隨之快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)大量新建SM項(xiàng)目。面對(duì)眾多SM專利技術(shù)，如何選擇最適合的專利技術(shù)，投資方在評(píng)估論證過(guò)程中會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，既要充分考慮工藝成熟性、操作的便利性、又要考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性、建設(shè)投資費(fèi)用高低等因素，最終確定選用何種工藝。

本文從能耗角度對(duì)代表當(dāng)今SM主流技術(shù)的兩家專利商貝杰爾和魯姆斯技術(shù)的工藝特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，為潛在的SM生產(chǎn)商進(jìn)行工藝路線選擇提供技術(shù)參考。

貝杰爾同魯姆斯SM工藝各有特點(diǎn)，在工藝路線的選擇上眾說(shuō)紛紜，本文選擇了采用兩套產(chǎn)能相同而使用不同工藝的SM裝置（JLSH和DSZSH）進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)各自工藝特點(diǎn)和能耗差別。由于這兩套SM裝置同屬于國(guó)內(nèi)某大型國(guó)有企業(yè)的分公司，運(yùn)行和管理水平相當(dāng)，能耗折算系數(shù)相同，具有很好的可比性。為同行業(yè)深入了解當(dāng)今主流生產(chǎn)SM工藝過(guò)程提供借鑒。

1 貝杰爾和魯姆斯工藝發(fā)展史與市場(chǎng)占有量

魯姆斯工藝進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較早，由于其在乙苯（EB）單元采用了固體超強(qiáng)酸催化劑替代傳統(tǒng)腐蝕性很強(qiáng)的AlCl3和EB脫氫單元采用了絕熱脫氫反應(yīng)等先進(jìn)工藝技術(shù)，受到了國(guó)際市場(chǎng)的廣泛推崇，在上世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)普遍引用魯姆斯的專利技術(shù)生產(chǎn)SM。進(jìn)入到21世紀(jì)后，魯姆斯又開(kāi)發(fā)出了“EB和水共沸蒸發(fā)技術(shù)”，在裝置節(jié)能上呈現(xiàn)出了新亮點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)有兩套裝置采用此技術(shù)。雖然SM生產(chǎn)技術(shù)蓬勃發(fā)展，但時(shí)至今日，直接采用或相近魯姆斯工藝技術(shù)的SM生產(chǎn)裝置仍占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。頗具代表性的裝置有SECCO、JLSH、YZBSF、MMSH等多家SM裝置，國(guó)內(nèi)其他專利技術(shù)也和魯姆斯工藝相近。主要代表是QLSH、新日化學(xué)等。此外，國(guó)內(nèi)以干氣為原料生產(chǎn)SM的裝置，其工藝技術(shù)也與魯姆斯技術(shù)相似。

貝杰爾工藝在國(guó)內(nèi)SM裝置較少，主要有早期的氣相法的DQSH 6萬(wàn)t/a SM裝置、HJHX 6萬(wàn)t/a SM裝置和GZSH 8萬(wàn)t/a SM裝置。進(jìn)入21世紀(jì)貝杰爾工藝發(fā)展較快，EB單元采用Exx?onMobil的MCM-22型分子篩液相法烷基化催化劑、脫氫單元低水比催化劑技術(shù)、SM精餾單元雙塔工藝、共沸技術(shù)的應(yīng)用大大降低了裝置能耗，在技術(shù)上有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。在全球范圍貝杰爾EB脫氫制SM工藝有逐漸超越魯姆斯工藝的勢(shì)頭。近幾年國(guó)內(nèi)建成投產(chǎn)的有DSZSH 32萬(wàn)t/a、TJDG 50萬(wàn)t/a、XPHX 32萬(wàn)t/a SM裝置。我公司青島堿業(yè)50萬(wàn)t/a SM項(xiàng)目也選用了貝杰爾工藝，ZJSH 120萬(wàn)t/aSM項(xiàng)目貝杰爾工藝中標(biāo)。

2 貝杰爾和魯姆斯兩種工藝技術(shù)介紹

DSZSH 32萬(wàn)t/a SM裝置采用美國(guó)TECHNIP公司貝杰爾工藝，EB單元采用ExxonMobil的EBMax液相烷基化制EB，具有烷基化反應(yīng)器催化劑裝填量小，烷基化反應(yīng)器進(jìn)料苯烯比低、選擇性好烷基化反應(yīng)副產(chǎn)物少、轉(zhuǎn)烷基化反應(yīng)器尺寸小等特點(diǎn)。脫氫單元采用TOTAL/BAGER的絕熱脫氫技術(shù)，更合理的加熱蒸汽和預(yù)熱蒸汽的比值，使脫氫反應(yīng)進(jìn)料具有低水比的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)脫氫反應(yīng)器入口溫度可調(diào)整范圍更大，有利于挖掘脫氫催化劑潛力。SM精餾采用順序切割，EB分離塔采用雙塔耦合技術(shù)，大幅節(jié)約了EB分離消耗蒸汽量。裝置的總體能耗控制水平較高。

魯姆斯工藝技術(shù)為美國(guó)CBI&Lummus公司研制開(kāi)發(fā)的專利技術(shù)，其EB生產(chǎn)采用了EBOne技術(shù)，純乙烯和苯在UOP開(kāi)發(fā)的烷基化催化劑作用下發(fā)生烷基反應(yīng)生成EB，并通過(guò)順序精餾得到目的產(chǎn)物EB；SM單元采用了魯姆斯的Classic SM生產(chǎn)技術(shù)，即EB和水通過(guò)EB/SM塔頂冷凝器換熱，共沸蒸發(fā)后進(jìn)入到脫氫反應(yīng)器，EB脫氫后生成的混合液通過(guò)順序精餾生產(chǎn)成品SM。此工藝技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，節(jié)省了EB蒸發(fā)所用加熱蒸汽和EB/SM分離塔塔頂冷凝所用冷卻水。

為了論述方便，在下文中將選用已經(jīng)投產(chǎn)多年且生產(chǎn)穩(wěn)定的貝杰爾工藝DSZSH 32萬(wàn)t/aSM裝置簡(jiǎn)稱（A裝置）；魯姆斯工藝的JLSH 32萬(wàn)t/aSM裝置簡(jiǎn)稱（B裝置）。

表1 貝杰爾工藝和魯姆斯工藝在烷基化反應(yīng)單元蒸汽用量及產(chǎn)出對(duì)比

A裝置EB反應(yīng)單元僅有換熱器3臺(tái)，具有設(shè)備數(shù)量少，操作簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)，能耗控制不如魯姆斯工藝。副產(chǎn)次中壓蒸汽量較大，但高壓蒸汽用量遠(yuǎn)高于魯姆斯工藝。

由于EB精餾技術(shù)相對(duì)成熟，各家工藝差異很小，真正決定EB單元能耗的關(guān)鍵點(diǎn)還是各廠家烷基化催化劑以及轉(zhuǎn)烷基化催化劑的性能差異，烷基化反應(yīng)進(jìn)料苯烯比的大小及轉(zhuǎn)烷基化反應(yīng)器多乙苯循環(huán)量的大小決定EB單元的能耗水平。

（1）脫氫反應(yīng)單元

魯姆斯工藝和貝杰爾工藝在脫氫反應(yīng)單元重要區(qū)別在于魯姆斯工藝的共沸技術(shù)和貝杰爾的低水比技術(shù)。在脫氫反應(yīng)單元貝杰爾工藝相比魯姆斯工藝流程更簡(jiǎn)單一些，設(shè)備臺(tái)數(shù)相對(duì)較少。

魯姆斯工藝在脫氫單元采用EB進(jìn)料共沸工藝有效利用了SM精餾單元的熱能，節(jié)約了脫氫單元的蒸汽用量，此技術(shù)在使用高、中水比脫氫催化劑時(shí)起到了很好地節(jié)能效果，在上世紀(jì)90年代末曾經(jīng)是魯姆斯工藝的一大亮點(diǎn)。而共沸技術(shù)制約了魯姆斯工藝使用低水比催化劑，共沸條件決定蒸發(fā)器中EB和水的比值為2:1，要控制較低的水比，必然導(dǎo)致通過(guò)蒸汽過(guò)熱爐的蒸汽量偏低。如果要提高反應(yīng)器入口溫度，需要將蒸汽加熱到更高的溫度，對(duì)蒸汽過(guò)熱爐設(shè)計(jì)材質(zhì)提出更高要求，提高通過(guò)蒸汽過(guò)熱爐蒸汽量又會(huì)造成過(guò)高的水油比，對(duì)控制裝置能耗不利。由于通過(guò)蒸汽過(guò)熱爐的蒸汽量偏低，蒸汽過(guò)熱爐取熱效率偏低。

貝杰爾工藝通過(guò)更合理的加熱蒸汽和預(yù)熱蒸汽的配比，進(jìn)入蒸汽過(guò)熱爐的蒸汽量調(diào)整余地較大，可以充分利用蒸汽過(guò)熱爐的熱量，蒸汽過(guò)熱爐取熱效率可以達(dá)到91%以上，同時(shí)蒸汽過(guò)熱爐出口溫度低，這有利于降低脫氫反應(yīng)單元高溫區(qū)設(shè)計(jì)難度，增加裝置的操作彈性（脫氫催化劑操作溫度范圍可以控制在590～649℃）。便于使用低水比催化劑，在滿足操作條件的同時(shí)，更有利于降低裝置能耗。隨著節(jié)能減排壓力的增加，如何降低裝置能耗凸顯重要，使用低水比催化劑成為SM行業(yè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，隨著低水比催化劑技術(shù)的發(fā)展，對(duì)貝杰爾工藝的發(fā)展更為有利。

魯姆斯工藝和貝杰爾工藝脫氫單元關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 魯姆斯工藝和貝杰爾工藝脫氫單元關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比

注：魯姆斯工藝間接蒸汽33800kg/h來(lái)自SM精餾單元熱量回收，貝杰爾工藝間接蒸汽直接來(lái)自次低壓蒸汽管網(wǎng)。

由表2可見(jiàn)，魯姆斯工藝催化劑的水油比相對(duì)貝杰爾工藝高，蒸汽消耗量高。

魯姆斯工藝三聯(lián)換熱器取熱方式和貝杰爾不同，魯姆斯工藝三聯(lián)換熱器只能發(fā)次中壓蒸汽，貝杰爾工藝產(chǎn)高壓蒸汽，貝杰爾工藝熱量回收有優(yōu)勢(shì)；魯姆斯工藝EB/蒸汽換熱器存在溫差大易出現(xiàn)聚合物的問(wèn)題。貝杰爾工藝則存在進(jìn)料蒸發(fā)器易出現(xiàn)沖刷泄漏的問(wèn)題。

由于兩套工藝設(shè)計(jì)思路差異，尾氣壓縮機(jī)出口控制溫度不同，貝杰爾工藝控制壓縮機(jī)出口溫度在150℃，用于物料換熱，而魯姆斯工藝則用循環(huán)水冷卻壓縮機(jī)出口氣體，損失1880kW/ h熱量。

魯姆斯工藝天然氣耗量偏高。主要原因是魯姆斯工藝直接蒸汽和間接蒸汽比值為1.23，反應(yīng)器進(jìn)料EB和水的共沸蒸發(fā)溫度只有90℃，即其中含有33800kg/h的90℃低溫蒸汽必須通過(guò)加熱爐出口蒸汽提供熱量，而貝杰爾工藝通過(guò)加熱爐加熱的蒸汽是間接蒸汽量的4倍，需要加熱的間接蒸汽量?jī)H為13800kg/h，且溫度在102℃；由于蒸汽配比的不同導(dǎo)致魯姆斯工藝加熱爐加熱蒸汽過(guò)熱度高于貝杰爾工藝，通過(guò)蒸汽過(guò)熱爐的蒸汽量偏低等因素也導(dǎo)致加熱爐熱效率下降。

因此兩者的能耗差別主要體現(xiàn)在蒸汽消耗上。

（2）SM精餾單元

魯姆斯工藝SM精餾單元采用共沸蒸發(fā)技術(shù)，組分切割SM和EB、苯、甲苯，SM物料經(jīng)過(guò)塔釜加熱兩次。即SM先經(jīng)過(guò)EB/SM分離塔，塔頂分離出EB、甲苯和苯，塔釜得到粗SM；塔釜粗SM進(jìn)入到精SM塔，得到成品SM。在此過(guò)程中，SM在EB/ SM分離塔中，塔釜溫度為117℃，而在精SM塔中的溫度則只有80℃。

貝杰爾工藝SM精餾單元采用順序精餾工藝，EB分離塔采用雙塔耦合技術(shù)，組分切割SM和EB、苯、甲苯，即SM先經(jīng)過(guò)甲苯和苯塔，EB/SM分離塔，塔頂分離出EB，塔釜得到粗SM；塔釜粗SM進(jìn)入到精SM塔，得到成品SM。在此過(guò)程中，SM物料經(jīng)過(guò)塔釜加熱三次，EB/SM分離塔塔釜溫度為114℃，比魯姆斯工藝低3℃左右，而在精SM塔中的溫度則高達(dá)96℃，操作溫度比魯姆斯工藝高出16℃。

魯姆斯工藝相比貝杰爾工藝SM在塔釜少加熱一次（在我司的精餾工藝中，精餾加熱次數(shù)也為兩次），總體來(lái)看魯姆斯工藝在SM精餾單元對(duì)聚合物形成控制更有效。

魯姆斯工藝回收焦油中的SM采用了刮板式薄膜蒸發(fā)器，在降低SM損失率、控制能耗上優(yōu)勢(shì)明顯。

貝杰爾工藝在設(shè)置渣油閃蒸罐，采用中壓蒸汽再沸器，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，裝置運(yùn)行更穩(wěn)定，但在能耗方面明顯處于劣勢(shì)。

貝杰爾和魯姆斯工藝SM精餾單元蒸汽消耗量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 貝杰爾和魯姆斯工藝SM精餾單元蒸汽消耗量對(duì)比

由表3可見(jiàn)，SM精餾單元蒸汽消耗貝杰爾工藝要小于魯姆斯工藝，但要考慮魯姆斯工藝的共沸技術(shù)將SM精餾單元的部分熱量轉(zhuǎn)移至脫氫單元，進(jìn)行折算后才能判斷SM精餾單元的能耗水平。

5 貝杰爾和魯姆斯兩種工藝技術(shù)能耗對(duì)比分析

現(xiàn)分別對(duì)貝杰爾和魯姆斯兩種生產(chǎn)SM工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)能耗及實(shí)際運(yùn)行情況分別進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 貝杰爾和魯姆斯工藝設(shè)計(jì)公用工程消耗定額及綜合能耗

為了統(tǒng)一對(duì)比口徑，兩方確認(rèn)對(duì)一些存在差異數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整：

（1）A裝置為聯(lián)合裝置，未設(shè)置苯甲苯塔，界外乙烯壓力滿足設(shè)計(jì)要求，未設(shè)置乙烯壓縮機(jī)，在高壓蒸汽及電耗上有所下降；

（2）兩套裝置電耗計(jì)算均不包括PSA單元；拋除B裝置乙烯壓縮機(jī)的電耗；

（3）B裝置循環(huán)水消耗較高主要是水場(chǎng)設(shè)計(jì)能力較大，循環(huán)水上下水溫差只有5.05℃，按照設(shè)計(jì)循環(huán)水上下水溫差為10℃，需要進(jìn)行折算；

（4）A裝置冷凍水采用本裝置冷凍機(jī)自供，B裝置冷凍水來(lái)自界外，因此表4中B裝置冷凍水耗量為估算值；

（5）B裝置要求脫氫尾氣、裝置副產(chǎn)殘油和SM焦油全部返回到加熱爐做燃料；而A裝置脫氫尾氣全部外送，不作為蒸汽過(guò)熱爐燃料；因此B裝置天然氣消耗略低；

（6）兩套裝置中壓蒸汽消耗均不包括冬季伴熱用量。

由表4可見(jiàn)，B裝置和A裝置能耗僅差4kg.EO/t.SM，兩種工藝設(shè)計(jì)水平基本相當(dāng)。

本文重點(diǎn)是對(duì)比這兩套SM裝置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析。貝杰爾和魯姆斯工藝實(shí)際運(yùn)行總體能耗數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 貝杰爾和魯姆斯工藝實(shí)際運(yùn)行總體能耗數(shù)據(jù)對(duì)比

注：1）負(fù)荷均為11.1t/h左右。2）兩套裝置不包括PSA單元。

由表5可見(jiàn)，B裝置蒸汽總耗量比A裝置增加59.5kg.EO/t. SM，兩套裝置蒸汽消耗的差異主要得益于A裝置的低水比催化劑及SM精餾單元的雙塔工藝，A裝置比B裝置的共沸技術(shù)在能耗方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

B裝置在利用部分渣油及PSA解析氣條件下燃料氣消耗有一定優(yōu)勢(shì)，相比A裝置裝置在不使用渣油、尾氣的條件下燃料氣能耗減少27.57kg.EO/t.SM，兩套裝置在燃料氣消耗方面沒(méi)有明顯差別。

B裝置循環(huán)水用量偏高，相比A裝置能耗增加14.5kg.EO/t. SM。其消耗偏高的主要原因是水場(chǎng)設(shè)計(jì)能力較大，循環(huán)水上下水溫差只有5.05℃，按照設(shè)計(jì)循環(huán)水上下水溫差為10℃。如果折合成上下水溫差為10℃，裝置循環(huán)水消耗為160.1t/t.SM，與貝杰爾工藝基本一致。(A裝置循環(huán)水實(shí)際溫差在7.5℃)

A裝置冷凍水自供電耗增加較多，相比B裝置能耗增加9.2kg.EO/t.SM。B裝置冷凍水為外部供給，消耗量為8.25MJ/t. SM，折合標(biāo)油為0.197kg.EO/t.SM，占裝置能耗比較低。

A裝置和B裝置累積能耗相差31.36kg.EO/t.SM。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）在EB單元的能耗控制上魯姆斯工藝略占優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)不明顯。

（2）在脫氫單元，貝杰爾工藝低水比催化劑的應(yīng)用及EB回收高低壓塔熱集成工藝優(yōu)于魯姆斯工藝的共沸技術(shù)。

從兩套裝置實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析貝杰爾工藝在能耗控制方面優(yōu)于魯姆斯工藝。