乙炔提濃預洗塔長周期運行優(yōu)化

高建兵

（中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶 長壽 401254）

天然氣部分氧化制乙炔生產(chǎn)過程中，原料天然氣和氧氣經(jīng)過分別預熱后，進入乙炔爐進行充分混合并發(fā)生裂解反應，除生成主要目標產(chǎn)物乙炔、氫氣和一氧化碳外，還生成一系列副產(chǎn)物，如表1 所示。除了表1 中能夠分析檢測出的副產(chǎn)物外，還有其他微量物質(zhì)生成，如：1,3-丁二烯、苯、萘及其同系物等，后者統(tǒng)稱為高級炔烴（簡稱HA）。

表1 乙炔爐生成的主要副產(chǎn)物及其含量

乙炔爐反應生成的上述高級炔烴在加壓和高溫條件下，某些組分如甲基乙炔、丁二炔等極易發(fā)生自由基聚合，在低溫下某些組分如萘、蒽和菲等會形成結(jié)晶析出，這些聚合物和結(jié)晶物將對設(shè)備、填料和管道等造成堵塞[1]。

乙炔提濃裝置主要用于分離從部分氧化單元來的裂化氣，通過多次吸收和解吸，將其分離成產(chǎn)品乙炔氣、合成氣和高級炔氣三大組分，分別作為下游裝置的原料和鍋爐燃料。而預洗塔作為提濃裝置的第一個塔，在加壓和低溫條件下運行，其受污染的程度是非常大的。即使在預洗塔設(shè)計有旁路的情況下，乙炔提濃裝置也曾因為該塔填料堵塞，每年至少停車檢修一次。為實現(xiàn)提濃裝置的長周期運行，甚至整個乙炔裝置三年或五年一大修，預洗塔的穩(wěn)定運行是關(guān)鍵。多年運行經(jīng)驗表明，該塔運行的好壞，將直接影響提濃裝置的安全、穩(wěn)定和長周期運行。

1 乙炔提濃工藝流程

從部分氧化單元來的裂化氣在壓縮機前與提濃單元返回的循環(huán)氣混合，經(jīng)壓縮后，乙炔體積分數(shù)約12%的裂化氣首先進入操作壓力l.20MPa（A）的預洗塔，以N-甲基吡咯烷酮（NMP）為溶劑吸收其中的全部飽和水蒸汽、部分高級炔烴及乙炔，出塔氣體經(jīng)主洗塔分離，得到含一氧化碳、氫氣、二氧化碳等主要成分的合成氣；吸收了高級炔等的溶劑首先經(jīng)解吸塔解吸出乙炔產(chǎn)品，再經(jīng)真空脫氣塔進一步解吸，抽出高級炔烴氣，可以用作燃料。

預洗塔分為三段操作，下段吸收裂化氣中的水，中段吸收大部分的高級炔，上段采用少量的新鮮溶劑進一步吸收高級炔并同時被乙炔飽和。由于NMP 吸收裂化氣中的水蒸汽和高級炔要放出熱量，所以在該塔流程中，還設(shè)計了2 個側(cè)線換熱器，對溶劑進行降溫，預洗塔的工藝流程圖見圖1。

圖1 預洗塔流程圖

2 預洗塔的影響因素

2.1 進入系統(tǒng)水的影響

在螺桿壓縮機壓縮過程中，為控制壓縮機出口裂化氣溫度，避免高級炔在高溫下聚合，采用級間冷卻的兩段壓縮；為同時除去其中部分聚合物，所以在壓縮機內(nèi)部設(shè)計有噴射水，在壓縮機的一段和二段出口設(shè)置有噴淋冷卻水。中間冷卻塔和最終冷卻塔設(shè)計采用抗堵塞的柵格條或規(guī)整填料，用大量的循環(huán)碳黑水進行噴淋洗滌，可以除去裂化氣中大部分炭黑和聚合物；同時，出最終冷卻塔的裂化氣含有飽和水，甚至夾帶過飽和水，預洗塔進出的模擬水量見表2。在冬季低溫情況下，為了避免裂化氣中聚合物結(jié)晶，堵塞壓縮機的背壓管道，在最終冷卻器出口裂化氣中還加入3.6MPa 蒸汽。所以在進入提濃預洗塔前，需要經(jīng)過分離器，除去過飽和水，以減輕對運行的影響。

表2 進出預洗塔的水量

在日常運行中，將最終冷卻塔出口溫度控制在50℃左右運行；同時，加強水分離器的排水，以盡量減少飽和水蒸汽進入提濃系統(tǒng)。

2.2 預洗塔下段噴淋量的影響

預洗塔下段主要吸收從裂化氣帶來的水，因為水與溶劑NMP 互溶，在下段通過溶劑NMP 的循環(huán)，用比較高的噴淋量和噴淋密度來加大NMP 對水的吸收；同時，較大的噴淋密度可以對填料進行連續(xù)沖洗，減輕聚合物在填料上的沉積堵塞。其中，預洗塔下段噴淋量數(shù)據(jù)見表3。

表3 預洗塔下段噴淋量

從表3 可以看出，預洗塔下段循環(huán)量嚴格按照設(shè)計值運行。

2.3 預洗塔塔底溫度的影響

在預洗塔的中、下段吸收了水和高級炔的溶劑除返回塔內(nèi)進行循環(huán)吸收外，還將部分接近飽和的溶劑從塔底取出，送入乙炔氣提塔進行氣提脫氣，以回收其中的乙炔；并在高級炔解吸塔和后續(xù)流程中脫除高級炔和水，同時回收溶劑。

因為高溫有利于氣體的解吸，所以為了利于乙炔在乙炔氣提塔的充分解吸，需要下段有較高的出口溫度。但是，該塔底部NMP 中因含有大量極易聚合的高級炔烴（如丁二炔、苯和萘等），隨著溫度的升高，生成聚合物的聚合速度會顯著增加，并且溶劑在高水含量下易水解失效；基于此，不應該使底部出口溫度升得過高；而溫度低于40℃時，聚合物又極易發(fā)生結(jié)晶堵塞，從而污染塔填料，所以對塔底部溫度的控制非常關(guān)鍵，預洗塔底出口及下段溶劑進口溫度見表4。

表4 預洗塔底出口及下段溶劑進口溫度

在實際運行過程中，將底部換熱器出口溫度嚴格控制在42～45℃運行，保證裂化氣中的高級炔烴不易結(jié)晶，也不易聚合。

2.4 預洗塔中段噴淋量的影響

預洗塔中段采用10 層泡罩塔盤除去裂化氣中極易聚合的高級炔烴，由于NMP 在吸收高級炔時，同樣也要吸收大量的乙炔，為了在將裂化氣中的高級炔盡可能完全吸收的同時，又盡量少的吸收乙炔，所以預洗塔中段NMP 的噴淋量控制非常嚴格，其中預洗塔中段的噴淋量見表5。

表5 預洗塔中段噴淋量

因為需要處理的裂化氣流量大，空塔氣速大要求預洗塔的直徑比較大；在中段如此大直徑、小噴淋量下，如果噴淋量控制不好，將加速塔盤和降液管的堵塞，造成高級炔吸收不徹底，乙炔吸收損失過多，從而影響整個提濃裝置的長周期穩(wěn)定運行。

實際運行中，嚴格按照接近設(shè)計值的方式進行操作，同時參照日常的取樣分析數(shù)據(jù)進行微調(diào)。

2.5 填料選型的影響

提濃裝置采用鮑爾環(huán)填料，很難達到一年一修；并隨著負荷的提升，鮑爾環(huán)的不抗堵塞、壓力降高等缺點逐漸暴露出來。

表6 預洗塔IMPAC 與金屬鮑爾環(huán)填料實測壓力降

經(jīng)過模擬研究和工業(yè)化試用（表6），逐步將乙炔提濃更換為IMPAC 填料，并且在新疆維美乙炔島一期、二期等項目中進行了推廣應用。不僅對乙炔提濃裝置的生產(chǎn)負荷有較大提升，而且提高了抗堵塞性能，延長了裝置的運行周期，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。

圖2 鮑爾環(huán)填料

圖3 IMPAC 填料

研究表明：型號同為Dg50 的填料，在相同氣體流通量下，IMPAC 填料的壓力降比鮑爾環(huán)低30%～40%；在相同壓力降下，氣體流通量比鮑爾環(huán)高20%～30%；傳質(zhì)效率比鮑爾環(huán)高20%以上。由IMPAC填料與金屬鮑爾環(huán)填料的性能參數(shù)比較可知，IMPAC填料具有比表面積高，填料因子大，填料效率高，孔隙率高，抗堵塞能力強等優(yōu)點（詳見表7），所以可以在不改變塔徑及塔高的前提下，只需更換填料，就能顯著提高塔的處理能力；并且，IMPAC 填料特別適用于容易聚合、分解等熱敏性物料的分離和提純[2,3]。

表7 IMPAC 與金屬鮑爾環(huán)填料的性能參數(shù)（尺寸Dg50）

生產(chǎn)運行表明：IMPAC 填料在乙炔裝置的應用效果非常顯著[4]。

（1）通過嚴格控制操作參數(shù)，減少了高級炔的聚合堵塞和結(jié)晶堵塞，保證了裝置的長周期運行，也使裝置生產(chǎn)負荷得到了明顯提升。在不改變塔徑和塔高的情況下，僅將鮑爾環(huán)更換為IMPAC 填料，提濃裝置的負荷最高可以達到設(shè)計值的126%。

（2）IMPAC 填料對溶劑具有良好的再分布性能，即使在高負荷下，也能夠有效保證乙炔產(chǎn)品和合成氣指標。

（3）IMPAC 填料能夠強化傳質(zhì)湍動性，增加內(nèi)表面率和氣體流通率，有效減少氣阻，從而降低了塔的壓力降。采用IMPAC 填料后，生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)因該塔差壓升高，造成壓縮機背壓超高限而停車檢修的情況。

（4）由于IMPAC 填料抗堵塞性能較強，聚合物不易在填料表面和內(nèi)部沉積，所以非常容易清洗，能夠大大節(jié)省裝置的檢修時間。

3 結(jié)語

預洗塔是天然氣部分氧化制乙炔工藝中，乙炔提濃裝置運行環(huán)境比較惡劣的塔，是提濃裝置的關(guān)鍵設(shè)備；因此，預洗塔運行的好壞將直接影響整個乙炔裝置的生產(chǎn)。在實際生產(chǎn)運行中，通過優(yōu)化控制該塔的相關(guān)參數(shù)，特別是各段溫度、流量；采用不銹鋼IMPAC 填料，檢修過程中，對填料和塔盤進行較徹底的清洗，可以強化該塔的運行效果，延緩堵塞，延長運行周期，從而可以實現(xiàn)裝置的“三年一修”目標，甚至達到五年一修。