乙烯冷分離系統(tǒng)運(yùn)行問題分析及對策

中國石油四川石化 彭州 611930

中國石油四川石化有限責(zé)任公司(以下簡稱四川石化)乙烯裝置采用美國S&W公司專利技術(shù)。其分離系統(tǒng)采用深冷分離法。深冷分離法是在低溫下利用裂解氣中各種烴的相對揮發(fā)度不同，將裂解氣中除了氫氣和甲烷以外把其余的烴全都冷凝下來，然后在精餾塔內(nèi)進(jìn)行多組份精餾分離，利用不同精餾塔，逐個(gè)分離各種烴。其實(shí)質(zhì)是冷凝精餾過程。主要設(shè)備有：冷箱、HRS系統(tǒng)、預(yù)脫甲烷塔及脫甲烷塔、膨脹機(jī)/再壓縮機(jī)、甲烷化反應(yīng)器、脫乙烷塔、乙烯精餾塔、丙烯制冷壓縮機(jī)、乙烯制冷壓縮機(jī)等。

1 冷分離系統(tǒng)流程簡介

冷分離系統(tǒng)簡要流程見圖1。

1.E-1401到E-1411——冷箱；2.V-1401到V-1403——預(yù)脫甲烷塔1/2/3進(jìn)料分離罐；3.V-1404、V-1405——1/2號(hào)氫氣罐；4.C-1410——預(yù)脫甲烷塔；5.C-1420——脫甲烷塔；6.C-1415——脫甲烷塔進(jìn)料接觸塔；7.C-1413——尾氣精餾塔；8.K-1420——甲烷膨脹機(jī)；9.V-1413——尾氣精餾塔回流罐；10.K-1430——低壓甲烷氫增壓壓縮機(jī)、

圖1冷箱及脫甲烷系統(tǒng)流程圖

1.1 進(jìn)料冷卻系統(tǒng)

來自高壓脫丙烷塔回流罐罐頂部的氣相裂解氣在預(yù)脫甲烷塔(C-1410)1號(hào)進(jìn)料冷卻器(E-1401)用-37℃的丙烯冷劑冷卻。冷卻后的兩相裂解氣被送往預(yù)脫甲烷塔1號(hào)進(jìn)料分離罐(V-1401)進(jìn)行閃蒸。從V-1401頂部出來的氣體進(jìn)入冷箱(E-1403)進(jìn)行冷卻，冷卻后進(jìn)入預(yù)脫甲烷塔2號(hào)進(jìn)料分離罐(V-1402)，罐頂氣體進(jìn)入冷箱(E-1404)進(jìn)行冷卻，冷卻后再進(jìn)入預(yù)脫甲烷塔3號(hào)進(jìn)料分離罐(V-1403)，V-1403中未冷凝的氣體被送至冷箱(E-1405)。

1.2 尾氣精餾系統(tǒng)

V-1403底部液體由液位控制閥LV14003控制，經(jīng)E-1404加熱后與V-1402底部經(jīng)液位控制閥LV14002控制的液體匯合，再經(jīng)E-1403加熱后送至預(yù)脫甲烷塔C-1410。V-1401底部液體由LV14001控制送入預(yù)脫甲烷塔C-1410。富含氫氣、甲烷、碳二的裂解氣自3號(hào)進(jìn)料分離罐V-1403進(jìn)入尾氣精餾塔C-1413。尾氣精餾塔進(jìn)料分為兩股，其中一部分經(jīng)流量閥控制被送到19層塔盤以下的精餾塔底部；另一部分經(jīng)過冷箱E-1405的冷通道產(chǎn)生一種混合相進(jìn)料引至11層塔盤。利用冷箱E-1405的預(yù)冷通道可以回收大量的循環(huán)冷量。尾氣精餾塔塔頂氣相被送往E-1405進(jìn)行部分冷凝，然后混合相物料在精餾塔回流罐V-1413中被分離?；亓鞴揄敳康妮p組分氣體利用在線分析儀分析乙烯損失，進(jìn)而判斷尾氣精餾塔系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。冷凝下來的液體靠重力流直接回流到尾氣精餾塔塔頂部，V-1413中未被冷凝的氣體分成兩股：一股送往冷箱(E-1406)；另一股送往膨脹機(jī)(K-1420)。C-1413底部液體由液位控制閥LV14007控制送往脫甲烷進(jìn)料接觸塔(C-1415)。

1.3 脫甲烷進(jìn)料接觸塔

脫甲烷進(jìn)料接觸塔另一股是來自C-1410塔頂。來自C-1413塔底部液體進(jìn)入脫甲烷進(jìn)料接觸塔C-1415的頂部，來自預(yù)脫甲烷塔的氣體進(jìn)入C-1415的底部，兩股物料經(jīng)填料段充分的傳質(zhì)傳熱后，分離出的液體由液位控制閥LV14008控制送至脫甲烷塔(C-1420)。分離出的氣體由壓力控制閥PV14002控制經(jīng)冷箱E-1409送至C-1420。

1.4 脫甲烷塔

C-1415塔底部的物料進(jìn)入脫甲烷塔C-1420第28塊塔盤，來自冷箱E-1409的物料進(jìn)入C-1420的第16塊塔盤。C-1420塔頂上升氣體經(jīng)塔頂冷凝器(E-1410)用乙烯冷劑冷凝，冷凝后的液體分成兩部分：一部分作為塔頂回流；一部分從回流線上抽出經(jīng)E-1405、E-1404、E-1403、E-1402后返回作為甲烷產(chǎn)品送出。C-1420塔頂未經(jīng)冷凝的氣體送往膨脹機(jī)K-1420系統(tǒng)，膨脹機(jī)通過節(jié)流膨脹脫甲烷塔塔頂?shù)母邏杭淄楫a(chǎn)生極冷的溫度。該冷物料被用作E-1405、E-1404、E-1403冷卻介質(zhì)的一種，以減少尾氣中的乙烯損失和乙烯冷劑的消耗，并過冷丙烯冷劑。膨脹機(jī)的制冷為等熵膨脹過程，膨脹過程對外做功，其制冷能力要比等焓膨脹大，經(jīng)過膨脹后的溫度約為-138℃，極大地降低了尾氣精餾塔對乙烯冷劑冷量的需求。C-1420塔底分離出來的液體分成兩部分：一部分在開工及塔底物料不合格時(shí)經(jīng)液位控制閥LV14006控制送往脫乙烷塔；另一部分經(jīng)流量控制閥FV14004控制送往乙烯精餾塔。脫甲烷塔頂冷凝功耗約占乙烯制冷壓縮機(jī)總功耗的40%,塔頂乙烯損失通常占總乙烯損失的50%以上。因此在乙烯分離中脫甲烷塔的運(yùn)行尤為重要。

2 冷分離系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

乙烯裝置100%負(fù)荷時(shí)進(jìn)料量約300t/h，其中HTO(加氫尾油)一臺(tái)爐，NAP(混合石腦油)三臺(tái)爐；LPG(液化石油氣)兩臺(tái)爐。裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)比較平穩(wěn)，但若需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)負(fù)荷，就會(huì)出現(xiàn)以下問題：

(1)尾氣精餾塔操作參數(shù)超過設(shè)計(jì)值。該塔塔頂物料流量設(shè)計(jì)為30.6t/h，目前為32t/h；塔釜物料流量設(shè)計(jì)為18t/h，目前為22t/h。還不包括有煉廠來的干氣5～6t/h(富含75%雙烯)。當(dāng)冷分離系統(tǒng)氣相進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到180t/h時(shí)，尾氣精餾塔由于甲烷、氫氣、碳二組分量大，會(huì)使尾氣精餾塔回流罐液面升高，若裝置負(fù)荷進(jìn)一步提高，尾氣精餾塔回流罐V-1413液位則會(huì)同步上漲(最高至100%)，V-1413液面過高會(huì)造成液相夾帶進(jìn)入膨脹機(jī)，影響膨脹機(jī)安全運(yùn)行。

(2)脫甲烷塔塔頂負(fù)荷超過設(shè)計(jì)值，影響乙烯制冷壓縮機(jī)運(yùn)行。脫甲烷塔塔頂氣相負(fù)荷過高導(dǎo)致以下問題：一是導(dǎo)致塔頂乙烯損失過大，二是塔頂乙烯冷劑(-101℃)用量大，乙烯制冷壓縮機(jī)一段吸入壓力及溫度偏高，現(xiàn)在一段吸入壓力和溫度分別達(dá)到0.03MPa和-90℃(設(shè)計(jì)壓力為0.01MPa，設(shè)計(jì)溫度為-101℃)。

目前，為進(jìn)一步提高裝置負(fù)荷，必須通過冷箱E-1402出口低壓甲烷氫放火炬壓控閥把過剩的低壓甲烷氫排放至火炬。

3 問題分析與整改措施

3.1 解決問題的思路

冷分離系統(tǒng)進(jìn)料組成見表1。

表1 進(jìn)料組成表

乙烯裝置的裂解原料具有多樣化、復(fù)雜化和輕質(zhì)化等特點(diǎn)，冷箱出口的低壓甲烷氫因原設(shè)計(jì)考慮裂解產(chǎn)物中輕組分較少(其設(shè)計(jì)量為5.1t/h)，流程設(shè)置為循環(huán)至裂解氣壓縮系統(tǒng)，以滿足前冷系統(tǒng)對冷量的需求?，F(xiàn)階段裂解原料組成與原設(shè)計(jì)偏差較大，裝置100%負(fù)荷時(shí)甲烷氫的產(chǎn)率為設(shè)計(jì)的125%左右。多余的低壓甲烷氫從冷箱出口循環(huán)至裂解氣壓縮單元，始終在系統(tǒng)里面循環(huán)造成尾氣精餾塔回流罐液位過高。把這部分多余的低壓甲烷氫直接送至燃料氣系統(tǒng)，就可以減輕冷區(qū)的負(fù)荷、提高冷分離系統(tǒng)的操作余量。

另外，為了提高經(jīng)濟(jì)效益需要進(jìn)一步提高裝置生產(chǎn)負(fù)荷，有時(shí)候裝置進(jìn)料量需要提高到310t/h左右，這時(shí)候脫甲烷塔塔頂冷凝器出現(xiàn)超負(fù)荷工作的狀態(tài)，引起乙烯制冷壓縮機(jī)一段吸入溫度和壓力過高，制冷壓縮機(jī)工作效率下降、裝置能耗不斷升高。裝置增加負(fù)荷所產(chǎn)生的大量甲烷必須及時(shí)排出冷分離系統(tǒng)，只要保證前冷系統(tǒng)中循環(huán)甲烷的量在5.1t/h左右，就可以滿足冷分離系統(tǒng)對冷量的需求，同時(shí)解決冷分離系統(tǒng)甚至乙烯裝置負(fù)荷難以進(jìn)一步提高的問題。

3.2 整改方案

低壓甲烷氫設(shè)計(jì)流量值約為5.1t/h，從冷箱E-1402出口循環(huán)至裂解氣壓縮單元，再返回到冷分離系統(tǒng)進(jìn)入尾氣精餾塔，始終在系統(tǒng)里面循環(huán)?，F(xiàn)階段滿負(fù)荷狀態(tài)實(shí)際產(chǎn)出的低壓甲烷氫流量大約是設(shè)計(jì)流量的1.25倍，整改方案就是將這部分富裕的低壓甲烷氫送至再生氣或燃料氣系統(tǒng)。但是冷箱E-1402出口低壓甲烷氫的設(shè)計(jì)壓力為0.34MPa，實(shí)際運(yùn)行過程中為了冷箱獲得更低的溫度，此壓力設(shè)置得還更低一些。如此低的壓力是無法將低壓甲烷氫并入燃料氣系統(tǒng)的。為此專門增加了一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)將多余的低壓甲烷氫加壓到0.45MPa左右后直接并入燃料氣系統(tǒng)。

脫甲烷塔塔頂氣相甲烷負(fù)荷過高的問題雖然沒有直接的辦法來解決，但是可以通過提高冷箱E-1402出口低壓甲烷氫并入燃料氣系統(tǒng)的量來間接地減少脫甲烷塔的進(jìn)料，從而減輕脫甲烷塔塔頂冷凝器的負(fù)荷，進(jìn)而減少脫甲烷塔塔頂冷凝器對乙烯冷劑的消耗量，使乙烯制冷壓縮機(jī)一段吸入溫度和壓力恢復(fù)到設(shè)計(jì)值。

當(dāng)乙烯裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)低壓甲烷氫增壓壓縮機(jī)(K-1430)是停止?fàn)顟B(tài)，裝置產(chǎn)出的低壓甲烷氫基本不會(huì)造成尾氣精餾塔和脫甲烷塔塔頂冷凝器超負(fù)荷。

當(dāng)裝置需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)，可以通過低壓甲烷氫增壓壓縮機(jī)K-1430把低壓甲烷氫送至燃料系統(tǒng)，降低尾氣精餾塔和脫甲烷塔塔頂冷凝器的負(fù)荷。

4 結(jié)語

在該方案沒有實(shí)施階段，裂解爐投油量提高后，低壓甲烷氫的壓力低無法并入再生氣或燃料系統(tǒng)；為了減輕冷分離系統(tǒng)的負(fù)荷，將多余的低壓甲烷氫通過冷箱E-1402出口壓控閥放火炬。這樣即浪費(fèi)又不環(huán)保，裝置能耗也高。方案實(shí)施后，可提高冷分離系統(tǒng)的操作彈性，整個(gè)乙烯裝置的總負(fù)荷也可以得到提高，從而確保了乙烯裝置長周期高效能平穩(wěn)運(yùn)行。該方案也可供遇到此類問題的企業(yè)借鑒和應(yīng)用。