乙炔氣提塔長周期運行改進措施

唐 超

（中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶 401254）

隨著天然氣部分氧化制乙炔工藝技術(shù)的進步[1]，裝置規(guī)模也向大型化發(fā)展，乙炔提濃裝置的生產(chǎn)規(guī)模也在逐漸擴大。目前，世界單套乙炔裝置的生產(chǎn)能力已經(jīng)增加到55kt/a。隨著裝置規(guī)模的擴大，裝置每次的開停車損失也會急劇增加。鑒于天然氣部分氧化制乙炔系統(tǒng)易堵塞的特點，在保證裝置安全的前提下，怎樣延長裝置的生產(chǎn)運行周期是一個急需解決的問題。

1 工藝簡介

1.1 乙炔提濃裝置工藝簡述

圖1 乙炔提濃裝置流程示意圖

從上游單元來的含有乙炔約15%（體積分數(shù)）的裂化氣首先進入在l.1MPa（絕壓）壓力下操作的預(yù)洗塔及主吸收塔，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑吸收乙炔氣、水汽及高級炔烴，未溶解的一氧化碳、氫氣、二氧化碳等作為合成氣原料；載氣溶劑在常壓解吸塔中解吸出產(chǎn)品乙炔送至下游裝置；在真空脫氣塔中進一步解吸出高級炔烴氣送至鍋爐作為燃料。其工藝流程簡圖如圖1所示[3,4]。

1.2 乙炔氣提塔的關(guān)鍵作用

吸收了高級炔和水等的NMP溶劑從吸收塔的底部用泵抽到乙炔氣提塔，這部分溶劑中，除了含有高級炔（主要組分為苯，丁二炔和萘）外，還含有飽和狀態(tài)的乙炔，所以其中大量的乙炔應(yīng)予以回收，以提高裝置的乙炔收率，減少乙炔損失。

為了實現(xiàn)上述目的，被乙炔、高級炔等飽和了的NMP溶劑在乙炔氣提塔中，被減壓到約0.1MPa（絕壓），并與底部來的合成氣逆流接觸。在這里，大部分乙炔被氣提出來，經(jīng)由塔上部的五層泡罩塔盤用冷凝液洗滌，除去了溶劑蒸汽后，返回裂化氣中作為再循環(huán)氣體，混合冷凝液送至獨立儲罐再逐步補充到系統(tǒng)中；而高級炔的大部分仍留在溶劑內(nèi)，依靠自身壓力流到處于真空狀態(tài)的高級炔氣提塔。乙炔氣提塔系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

從上述流程分析可知，乙炔氣提塔的操作環(huán)境是非常惡劣的，尤其是在其下段，與溶劑逆流接觸的合成氣溫度比較低，溶劑NMP的溫度也比較低，溶解在溶劑NMP中的萘、蒽等高級炔在低溫下極易析出結(jié)晶，并附著在填料表面。隨著系統(tǒng)操作時間的延長，填料表面形成的致密性結(jié)晶將逐漸增加，從而降低氣液接觸面積，影響乙炔的氣提，甚至堵塞流道而被迫停車。實際生產(chǎn)過程中，曾經(jīng)多次發(fā)生因該塔填料板結(jié)而不得不停車消缺的情況。

綜上所述，乙炔氣提塔運行的好壞，對乙炔提濃裝置的運行好壞起著關(guān)鍵作用，并將直接制約裝置的運行周期。

圖2 乙炔氣提塔系統(tǒng)示意圖

2 影響因素分析

2.1 乙炔氣提塔結(jié)構(gòu)因素

乙炔氣提塔塔高21.45m，塔徑0.8m，分為上下兩段。

塔上段為五層索爾曼條形泡罩塔盤，來自冷凝系統(tǒng)的冷凝液自上而下洗滌掉上升氣體中的NMP溶劑蒸汽，混合冷凝液流入儲槽，循環(huán)氣從塔頂送出至壓縮機吸入端。塔上段因為沒有與含有高級炔的NMP溶劑接觸，氣相和液相中的工藝介質(zhì)相對清潔，因此不易發(fā)生堵塞。

正想得出神，桌上的電話響了。高潮抓起聽筒，就聽到了田卓溫婉可人的聲音：九點半，到我辦公室開會。高潮答應(yīng)了一聲，放下聽筒，就開始收拾桌子上開會需要的資料。高潮知道這個會議的主要內(nèi)容，應(yīng)該是與“十大本土最具發(fā)展?jié)摿Ψ康禺a(chǎn)企業(yè)”的評選有關(guān)。這個項目是高潮策劃的，一拿出來，就獲得了田卓的高度認可。于是，項目很快就分解下去，由各部門分頭實施。

塔下段原設(shè)計為兩層金屬鮑爾環(huán)填料。含溶解物的NMP溶劑與來自加壓系統(tǒng)的合成氣逆流接觸，溶劑除被乙炔飽和外，含有萘、蒽等較多的高級炔烴及聚合物雜質(zhì)。塔內(nèi)壓力相對預(yù)洗塔的系統(tǒng)壓力要小很多，因此隨著系統(tǒng)壓力的降低，溶解在NMP溶劑的乙炔氣體和部分高級炔氣體從溶劑中解吸出來，塔下段成為系統(tǒng)堵塞的關(guān)鍵部位。塔的填料材質(zhì)原設(shè)計選型為碳鋼，在長時間運行后，氣體的沖刷和腐蝕使得填料表面比較粗糙，并且產(chǎn)生的鐵銹形成新的聚合核心，加劇了NMP溶劑中高級炔的結(jié)晶，運行一段時間后，填料容易出現(xiàn)變形，流通空隙減少，系統(tǒng)堵塞加劇。

2.2 乙炔氣提塔工藝因素

進入乙炔氣提塔的NMP溶劑在預(yù)洗塔中被乙炔飽和，并吸收了較多的高級炔烴組分，設(shè)計溫度在60℃左右。溶劑中吸收的高級炔烴組成復(fù)雜，除丁二炔、乙烯基乙炔、1,3-丁二烯、丙炔外，還有在低溫下極易發(fā)生結(jié)晶的芳香烴如萘、蒽等，以及隨裂解氣一同進入系統(tǒng)的炭黑等聚合物。

在乙炔氣提塔的下段，與溶劑逆流接觸的合成氣溫度一般在15℃，溶劑NMP的溫度一般也低于60℃，使得該塔底部溶劑出口溫度很低，致使溶解在溶劑NMP中的萘、蒽等高級炔析出結(jié)晶，附著在填料表面。隨著系統(tǒng)操作時間的延長，溶劑中的聚合物和析出的結(jié)晶物將逐漸增加，堵塞流道，從而嚴重影響該塔的操作。

3 解決措施

根據(jù)對天然氣部分氧化制乙炔的工藝特點分析，以及針對上述乙炔氣提塔填料選型、設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝運行實際研究，對制約乙炔提濃裝置長周期安全穩(wěn)定運行的乙炔氣提塔系統(tǒng)進行了改進。

3.1 改變填料選型和材質(zhì)

乙炔氣提塔下段填料原設(shè)計為鮑爾環(huán)，材質(zhì)為碳鋼。近年來，在該塔先后采用碳鋼和不銹鋼IMPAC填料，實際運行效果顯示：IMPAC填料抗堵塞性優(yōu)于鮑爾環(huán)，而不銹鋼IMPAC填料又優(yōu)于碳鋼[5,6]。

IMPAC填料最初是由美國Lantacskan Co提出，后經(jīng)北京化工大學(xué)和北京派特羅爾公司多年研究改進而成。與其他填料不同，該填料的比表面積和填料尺寸是兩個獨立變量，因此可制作成具有較大或較小的比表面積和尺寸可大可小的填料，以滿足填料塔的特殊技術(shù)需要。它是由肋形絲、棒體、條體和尖形物組成錯綜復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可最大限度地增加滴點，由于填料結(jié)構(gòu)上均勻分布和網(wǎng)狀形式，可使氣液分布均勻，增強了表面潤濕，具有高效、低壓降的優(yōu)點，其傳質(zhì)效率比鮑爾環(huán)高出30%以上，對于精密分離、熱敏物系和節(jié)能改造十分有利。由于該填料的比表面積大，氣液比小，操作彈性大，因此，已被推廣到大型氣液操作系統(tǒng)中。

（1）鮑爾環(huán)與IMPAC填料特性比較

填料的特性主要有比表面積、空隙率、填料因子、堆積密度、堆積個數(shù)。通過金屬鮑爾環(huán)（50mm×50mm×0.8mm） 與 IMPAC 填料 （50mm×50mm×0.8mm）性能參數(shù)對比表明：IMPAC填料比金屬鮑爾環(huán)的比表面積高，填料因子低，具有高效低壓降等優(yōu)點，可以減輕塔的堵塞污染。

表1 鮑爾環(huán)與IMPAC特性表

（2）IMPAC填料的特點

①傳質(zhì)效果好。該填料具有較高的水滴分散性能，每m3有高達5萬個的水滴。介質(zhì)在整個填料上分布均勻，可有效分布流經(jīng)它的液體，充分進行氣液接觸，傳質(zhì)、傳熱性能比尺寸相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)填料高40%～100%。

①抗堵塞能力強。該填料具有完美的幾何形狀對稱性，具有一個由肋形絲、棒體、條形和尖形物等組成的錯綜復(fù)雜的獨特網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可極大的增加滴淋點，使氣液分布均勻，不易堵塞。另外，液體量越大，沖刷力也越強，聚合物就越不易沉積堵塞。

③可有效地降低填料壓降。該填料在一定體積內(nèi)，可根據(jù)不同大小、表面積及堆積個數(shù)以控制填料塔的壓降，提高給定比表面積上的傳質(zhì)效率。

④選材范圍廣泛?？捎锰间?、不銹鋼以及合金鋼等材質(zhì)做材料。

根據(jù)IMPAC填料在國內(nèi)的使用情況，我公司也在提濃裝置對IMPAC填料進行了試用。試用后，推廣到該塔使用，運行效果較好。

3.2 提高載氣溶劑溫度

為了保證吸收塔的洗滌效果，最大限度吸收裂化氣中的高級炔烴，因此溶劑的溫度控制較低，該股溶劑進入乙炔氣提塔內(nèi)，雖然溶解在NMP溶劑中的一部分氣體通過壓力的變化被解吸出來，但仍然還有部分高級炔烴難以被解吸，需要進一步提高進入乙炔氣提塔系統(tǒng)的NMP溶劑溫度，從而促進高級炔烴的解吸，使其盡快離開系統(tǒng)，減少高級炔烴在NMP溶劑中的停留時間，降低聚合物生成的機率。

根據(jù)上述分析結(jié)果，通過增設(shè)換熱器，采用裝置自身溶劑循環(huán)輸出的高溫溶劑，與預(yù)洗塔底部抽出的低溫溶劑進行換熱，既滿足提高進入乙炔氣提塔系統(tǒng)載氣溶劑的溫度，又能合理利用余熱，并在一定程度上減少了冷卻水消耗。

增設(shè)的換熱器可以將進入乙炔氣提塔的溶劑溫度控制在60～65℃，在這個溫度下苯、萘不易結(jié)晶，同時也不會由于溫度過高導(dǎo)致高級炔不穩(wěn)定而大量聚合。通過實際運行結(jié)果分析，提高乙炔氣提塔進口溶劑溫度，對于減少該系統(tǒng)堵塞有著非常良好的作用，大大延長了乙炔氣提塔的運行周期。

4 應(yīng)用效果

4.1 IMPAC填料運行效果分析

因為IMPAC填料的比表面積等性能比鮑爾環(huán)好，實際運行表明：其抗堵塞性和分離效果均優(yōu)于鮑爾環(huán)。

根據(jù)對更換填料前后乙炔氣提塔內(nèi)聚合物的取樣分析，發(fā)現(xiàn)其中大部分成分為鐵，因此推斷IMPAC填料的腐蝕是造成聚合物堵塞的一個因素；通過更換填料的材質(zhì)進行了生產(chǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)在采用不銹鋼的IMPAC填料后，系統(tǒng)的堵塞情況明顯好轉(zhuǎn)。

不銹鋼材質(zhì)的填料相對于碳鋼材質(zhì)來說，首先不易被腐蝕，不會產(chǎn)生鐵銹等雜質(zhì)促使聚合物的形成，其次不銹鋼材質(zhì)的表面比較光滑，形成的聚合物不易在表面附著，從而不會減少填料的孔隙率，使氣液始終保持充分的接觸面積，確保塔內(nèi)工況穩(wěn)定。

4.2 增設(shè)加熱器的運行效果

在實際生產(chǎn)中，高級炔氣體的采出和輸送溫度是高級炔中C3以上組分容易聚合的重要因素之一。

在乙炔氣提塔系統(tǒng)中，采用合成氣作為氣提氣，流量為500～1000m3/h，溫度在15℃左右，由于合成氣溫度低，氣提塔中NMP溶劑經(jīng)合成氣氣提時造成操作溫度下降，從而導(dǎo)致高級炔氣中的苯、萘等在低溫的情況下出現(xiàn)結(jié)晶同時伴隨高級炔發(fā)生聚合并出現(xiàn)板結(jié)，堵塞該系統(tǒng)。

通過增設(shè)溶劑換熱器，將預(yù)洗塔來的載氣溶劑加熱到60℃以上，既控制在高級炔的進一步聚合溫度之下，又抑制了高級炔的低溫析出。從新增換熱器長期投運的效果看，乙炔氣提塔填料的污染程度得以極大減輕，以前每次檢修需采用風(fēng)鉆才能將填料取出，并因板結(jié)嚴重不能重復(fù)使用；增設(shè)加熱器后，IMPAC填料很容易就能掏出；尤其采用不銹鋼IMPAC填料后，經(jīng)清洗可以多次裝填、反復(fù)使用。

5 結(jié)論

通過對于乙炔提濃裝置乙炔氣提塔堵塞情況進行分析，找到了影響該系統(tǒng)長周期運行的主要因素為填料選型及其材質(zhì)不適應(yīng)工況的需求，并且進入乙炔氣提塔系統(tǒng)的NMP溶劑溫度和氣提氣溫度過低，導(dǎo)致溶解在NMP中的高級炔烴不易完全解吸出來，使得其中的萘等結(jié)晶析出，造成系統(tǒng)發(fā)生聚合物堵塞的情況較為嚴重，影響了該系統(tǒng)的長周期運行。

針對上述兩個問題的研究，我們采取了將填料由鮑爾環(huán)更換為IMPAC填料，并將材質(zhì)由碳鋼更換為不銹鋼；同時，增設(shè)了換熱器，提高載氣溶劑溫度。有效解決了乙炔氣提塔系統(tǒng)堵塞的問題，從而消除了影響乙炔氣提塔長周期運行的瓶頸，達到了延長整個乙炔提濃裝置，甚至天然氣部分氧化制乙炔生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)運行周期的目的。