乙烯裝置脫甲烷塔系統(tǒng)乙烯損失的影響因素及相應(yīng)措施

白宇辰，李 侖

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

脫甲烷塔系統(tǒng)是乙烯裝置深冷分離流程中裂解氣分離的關(guān)鍵，既要保證乙烯的回收率，又要保證乙烯產(chǎn)品的純度，同時也是冷量的主要消耗所在，是能耗最大的系統(tǒng)之一[1-2]。其中，脫甲烷塔原料預(yù)冷約占總冷負(fù)荷的40%，脫甲烷塔約占總冷負(fù)荷的12%，即脫甲烷塔系統(tǒng)約占總冷負(fù)荷的50%[3]。乙烯裝置中脫甲烷塔的作用是利用低溫使裂解氣中除甲烷、氫氣以外的組分全部液化，將輕組分(甲烷、氫氣)與重組分進(jìn)行分離，其中輕組分主要為甲烷，重組分主要為乙烯。乙烯裝置的流程采用前冷卻，即冷箱在脫甲烷塔之前，脫甲烷系統(tǒng)是冷量的主要集中區(qū)，影響因素多，若該系統(tǒng)運行狀況不佳，會造成乙烯損失增加，從而影響裝置的乙烯收率[4]。除了影響乙烯裝置的經(jīng)濟效益以外，損失在燃料氣中的乙烯會在裂解爐的燒嘴處結(jié)焦發(fā)生堵塞現(xiàn)象。同時，甲烷也作為整個裝置干燥器或反應(yīng)器的再生氣，如果其中的乙烯含量增加，會使干燥器和反應(yīng)器的床層在再生升溫過程中發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，影響干燥劑和催化劑的使用壽命。因此，在乙烯裝置的實際操作運行中，控制脫甲烷塔系統(tǒng)的乙烯損失是十分重要的。

乙烯裝置中分為前脫丙烷、前脫乙烷、順序分離等流程，每個流程中的脫甲烷塔系統(tǒng)都有區(qū)別。本課題主要針對前脫丙烷流程中的脫甲烷塔系統(tǒng)進(jìn)行分析，脫甲烷系統(tǒng)中的乙烯主要有兩處損失，一是脫甲烷塔原料預(yù)冷進(jìn)行脫氫分離造成乙烯的損失，二是脫甲烷塔塔頂輕組分中會夾帶乙烯，造成乙烯的損失。

1 前脫丙烷流程簡介

某煉油廠乙烯裝置采用中國石油化工股份有限公司的低能耗乙烯分離技術(shù)(LECT)的前脫丙烷流程，如圖1所示。裂解氣經(jīng)過急冷單元和壓縮單元后，再脫除碳四等重組分預(yù)冷后進(jìn)入碳三洗滌塔，這部分的裂解氣除了甲烷和氫氣外，其余均為碳二和碳三組分。碳三洗滌塔塔頂?shù)牧呀鈿膺M(jìn)入冷箱和脫甲烷系統(tǒng)，塔釜物流進(jìn)入預(yù)脫甲烷塔。采用高壓雙塔脫甲烷(預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔)，裂解氣深冷分離系統(tǒng)的碳三洗滌塔、碳二洗滌塔、冷箱、預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔進(jìn)行合理的布置。預(yù)脫甲烷塔控制塔頂不含碳三組分，塔釜不含碳一組分。脫甲烷塔塔頂基本為甲烷和氫氣，進(jìn)入膨脹機等熵膨脹后降溫，經(jīng)冷箱回收冷量后被壓縮機增壓至催化劑/干燥劑再生相適應(yīng)的壓力后，再進(jìn)入干燥、再生及燃料氣系統(tǒng)。預(yù)脫甲烷塔塔釜的物流進(jìn)入脫乙烷塔，塔頂?shù)奶级M分和脫甲烷塔塔釜的碳二組分一起進(jìn)入乙烯塔，在乙烯塔中進(jìn)行乙烯和乙烷的分離。脫乙烷塔塔釜的物流經(jīng)過碳三加氫反應(yīng)器去除甲基乙炔和丙二烯后進(jìn)入丙烯精餾塔，進(jìn)行丙烯和丙烷的分離。

圖1 前脫丙烷流程示意

2 脫甲烷塔選型

脫甲烷塔的選型應(yīng)考慮實際的處理量、操作范圍、塔板效率、投資和全塔壓降等方面的因素，一般可選用填料塔，直徑較大時(如大于1.5 m)也可選用浮閥塔。填料宜選用規(guī)整填料，如金屬板波紋填料。這種填料效率高、壓降小、通量大，具有良好的傳質(zhì)性能，是一種高效填料。它在加大直徑的脫甲烷塔內(nèi)等板高度仍為0.2～0.3 m。其缺點是造價較高。采用金屬板波紋填料時，噴淋密度一般不小于5 m3/(m2·h)。當(dāng)選用浮閥塔板時，塔內(nèi)降液管中的液體停留時間一般設(shè)定為3～3.5 s。

脫甲烷塔內(nèi)各段物質(zhì)表面張力較小，屬于易起泡系統(tǒng)。因此不管是采用板式塔還是填料塔，必須具有消泡能力。當(dāng)乙烯裝置采用高壓脫甲烷流程時，脫甲烷塔塔頂?shù)臏囟仍?96 ℃左右，壓力約為3.05 MPa。因此要求其既要耐受高壓又要耐受低溫。此外，在高壓下填料的效率會急劇下降，因此高壓脫甲烷塔一般采用板式塔[5]。

3 脫甲烷塔預(yù)冷系統(tǒng)降低乙烯損失

采用碳二洗滌塔可以在脫甲烷塔預(yù)冷系統(tǒng)中降低乙烯的損失。裂解氣脫氫前進(jìn)入碳二洗滌塔，洗滌塔采用分凝分餾塔的技術(shù)，下部為兩段填料，上部的特殊結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)傳熱和傳質(zhì)。其中，板式換熱器在分凝分餾塔的頂部立式安裝，冷劑側(cè)設(shè)有構(gòu)件強化傳熱，物料側(cè)設(shè)有翅片或規(guī)整填料，強化傳熱傳質(zhì)。一般來說，分凝分餾塔的理論板數(shù)為8～20塊，組分分布可控，用于冷區(qū)的清潔物系。該塔需要的冷量來自1號甲烷/氫氣分離罐底部的一部分液相甲烷。洗滌塔塔釜分離出的液相成為脫甲烷塔的一股進(jìn)料。碳二洗滌塔塔頂?shù)臍庀嗷静缓蚁?，主要是甲烷和氫氣，再進(jìn)入冷箱進(jìn)行氫氣的進(jìn)一步提濃。其中，控制碳二洗滌塔塔頂?shù)囊蚁舛葹? 000 μmol/mol，這樣從洗滌塔塔頂夾帶的乙烯量僅為116 kg/h，可以大大降低此處的乙烯損失。同時，大部分的甲烷、氫氣被碳二洗滌塔分出，改善了脫甲烷塔的操作條件。在正常生產(chǎn)操作中，需要注意碳二洗滌塔塔頂?shù)牟僮鳒囟?。如果塔頂溫度過高，將導(dǎo)致塔頂氣相中乙烯含量增高，使乙烯進(jìn)入燃料氣造成損失。同時，碳二洗滌塔塔頂?shù)牟僮鲏毫刂浦麄€激冷系統(tǒng)的操作壓力。采用分程控制的方式(A閥和B閥)，A閥位于氫氣干燥器出口的氫氣管線上，B閥位于冷箱出口粗氫氣去燃料氣系統(tǒng)的管線上。正常操作時用A閥維持激冷系統(tǒng)、甲烷化以及氫氣干燥系統(tǒng)的壓力，開停車時利用B閥排放粗氫氣至燃料氣系統(tǒng)來維持激冷系統(tǒng)的壓力。

4 脫甲烷塔塔頂乙烯損失的影響因素及相應(yīng)措施

4.1 脫甲烷塔進(jìn)料中甲烷氫氣摩爾比對塔頂乙烯損失的影響

某煉油廠乙烯裝置的脫甲烷塔一共有4股進(jìn)料，分別來自預(yù)脫甲烷塔塔頂、脫甲烷塔第一進(jìn)料分離罐、脫甲烷塔第二進(jìn)料分離罐和碳二洗滌塔的塔釜。根據(jù)進(jìn)料組成和溫度的不同分別進(jìn)入脫甲烷塔的不同進(jìn)料位置。采用多股進(jìn)料的好處是在進(jìn)入脫甲烷塔之前，先將各股進(jìn)料進(jìn)行了預(yù)分離。利用冷箱從高溫到低溫，逐級依次冷凝重組分和輕組分，節(jié)省低溫級別的冷劑，提高了熱力學(xué)效率，降低了脫甲烷塔的負(fù)荷。

脫甲烷塔進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比對塔頂乙烯濃度的影響見圖2。由圖2可以看出，脫甲烷塔塔頂乙烯濃度隨著進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比的增加而降低。在滿足脫甲烷塔回流量、再沸器和冷凝器熱負(fù)荷基本不變的前提下，當(dāng)增加甲烷/氫摩爾比時，可以明顯降低塔頂?shù)囊蚁p失。這是因為當(dāng)進(jìn)料裂解氣中氫氣含量增多導(dǎo)致甲烷/氫摩爾比降低時，為了滿足塔頂露點的要求，必須有更多的乙烯和乙烷至塔頂，因此導(dǎo)致乙烯損失增加，乙烯收率降低。

圖2 進(jìn)料中的甲烷氫摩爾比對塔頂乙烯濃度的影響

當(dāng)進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比降低時，提高脫甲烷塔壓力可以降低尾氣中的乙烯損失，但壓力的提高將會降低甲烷和乙烯的相對揮發(fā)度，使其分離的難度增加。隨著壓力的增加，逐漸接近塔釜碳二組分的臨界壓力，塔釜氣液濃度差將變得很小，分離更加困難，使乙烯產(chǎn)品的純度受到影響。乙烯裝置運行過程中靠增加脫甲烷塔壓力來降低乙烯損失是不現(xiàn)實的。實際操作中脫甲烷塔的壓力一般很穩(wěn)定，很少發(fā)生靠調(diào)節(jié)塔壓來降低尾氣中乙烯損失的現(xiàn)象[6]。

4.2 脫甲烷塔進(jìn)料溫度對塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔4股進(jìn)料中，第一進(jìn)料分離罐的溫度是-77 ℃，第二進(jìn)料分離罐的溫度是-98 ℃，這兩股進(jìn)料的溫度變化對塔頂乙烯濃度的影響見圖3。從圖3可以看出，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度隨著進(jìn)料溫度的升高而增加；第一進(jìn)料分離罐的操作溫度從-78 ℃升高至-70 ℃時，如果維持再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷基本不變，在回流量也基本相同的前提下，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度從900 μmol/mol增加至2 000 μmol/mol；第二進(jìn)料分離罐的操作溫度從-99 ℃升高至-90 ℃時，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度從950 μmol/mol增加至2 000 μmol/mol。隨著脫甲烷塔進(jìn)料溫度的降低，減少乙烯損失的同時將會加大冷箱的負(fù)荷，脫甲烷塔系統(tǒng)的冷量消耗也將增加。為了滿足冷箱傳熱溫差的要求，需要更多的氫氣補入到低壓甲烷中，這又增加了氫氣的損失[7]。

圖3 脫甲烷塔進(jìn)料分離罐溫度對塔頂乙烯濃度的影響■—第一分離罐； ◆—第二分離罐

4.3 脫甲烷塔塔頂回流量對塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔與精餾塔不同，精餾塔塔頂產(chǎn)品可以完全冷凝，但脫甲烷塔塔頂?shù)臍庀喈a(chǎn)品主要是甲烷和氫氣，夾帶少量的乙烯、甲烷和氫氣在塔頂?shù)臏囟群蛪毫l件下不能完全冷凝。因此脫甲烷塔塔頂回流的液體組成和塔頂?shù)臍庀喈a(chǎn)品組成不同，這是脫甲烷塔的特殊性，塔頂回流液相組成和塔頂氣相產(chǎn)品組成的對比見表1。由表1可以看出，與回流液相組成相比，氣相產(chǎn)品組成中的氫氣含量更高，而甲烷含量更低。

表1 脫甲烷塔塔頂氣相組成與回流液相組成的對比 x，%

脫甲烷塔塔頂回流量對塔頂乙烯濃度的影響見圖4。由圖4可以看出：隨著塔頂乙烯損失的降低，需要同步加大塔頂回流量；當(dāng)塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至100 μmol/mol時，塔頂回流量從1 916.7 kmol/h增加至3 229.3 kmol/h，增幅高達(dá)68.5%。這是因為如果降低塔頂乙烯損失，必須要以塔頂回流量增加為代價，通過增加回流量而加大塔頂氣相中的乙烯冷凝，進(jìn)而降低乙烯的損失。此時回流泵的能力未必可以滿足要求，如果能力不足則需要更換大流量的回流泵。

圖4 脫甲烷塔塔頂回流量對塔頂乙烯濃度的影響

當(dāng)脫甲烷塔的塔板數(shù)一定時，要增加分離精度，即降低乙烯損失，則必須增加回流比，或者保持回流比的恒定而增加塔板數(shù)。這兩種方式都會使塔的熱力學(xué)效率降低，能耗增加或投資增加。因此，需要將乙烯損失設(shè)計成一個合理的數(shù)值，使脫甲烷塔的各項性能達(dá)到最優(yōu)化。

4.4 脫甲烷塔塔頂溫度對塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔塔頂溫度對塔頂乙烯濃度的影響見圖5。由圖5可以看出：隨著脫甲烷塔塔頂溫度的升高，塔頂乙烯濃度逐漸升高；如果需要塔頂氣相中的乙烯損失降低，則需要通過降低塔頂溫度來實現(xiàn)。降低塔頂溫度可以增加塔頂氣相產(chǎn)品中乙烯的冷凝，從而提高乙烯回收率。但是，在高壓脫甲烷流程中，塔頂冷凝器所采用的冷媒是-101 ℃的乙烯冷劑，受其蒸發(fā)溫度的影響，為了保證其安全有效的操作，脫甲烷塔塔頂?shù)臏囟炔豢赡軣o限制地降低。塔頂冷凝器由于傳熱溫差較低，因此采用了CIK的型式，這是一種類似具有釜式換熱器的外殼和板翅式換熱器的內(nèi)芯的高通量換熱器。隨著塔頂乙烯損失的降低，冷凝器的最小傳熱平均溫差也將進(jìn)一步降低，即原有冷凝器的能力不足，需要增加足夠的換熱面積來實現(xiàn)，這將進(jìn)一步影響投資。

圖5 脫甲烷塔塔頂溫度對塔頂乙烯濃度的影響

4.5 脫甲烷塔冷凝器、再沸器的熱負(fù)荷對塔頂乙烯損失的影響

圖6 換熱器熱負(fù)荷對塔頂乙烯濃度的影響◆—塔頂冷凝器； ■—塔釜再沸器

如果要降低塔頂乙烯的濃度，需要加大塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷，塔頂冷凝器的冷媒是-101 ℃的乙烯冷劑，塔釜再沸器的熱媒是丙烯冷劑。脫甲烷塔塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷對塔頂乙烯濃度的影響見圖6。由圖6可以看出，當(dāng)塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至100 μmol/mol時，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷從2.37 MW增加至3.94 MW，增幅約15%，塔釜再沸器的熱負(fù)荷從5.823 MW增加至7.355 MW，增幅達(dá)26.3%。當(dāng)一味要求降低乙烯濃度時，塔頂冷凝器中的冷媒用量將大幅度增加，因此會增加乙烯制冷壓縮機的功率，導(dǎo)致透平驅(qū)動介質(zhì)高壓蒸汽消耗量的增加。同樣，塔釜再沸器的熱媒如果采用丙烯加熱，也會增加丙烯制冷壓縮機的功率，導(dǎo)致透平驅(qū)動介質(zhì)超高壓蒸汽消耗量的增加。需要在加大熱負(fù)荷與提高乙烯回收率之間尋求一個平衡點，在不影響裝置的投資和不大幅度增加裝置的運行經(jīng)濟效益時盡量提高乙烯產(chǎn)品的收率。

5 結(jié)束語

脫甲烷系統(tǒng)設(shè)置碳二洗滌塔可以降低塔頂乙烯的損失，同時，脫甲烷塔塔頂乙烯的損失與脫甲烷塔進(jìn)料中的甲烷/氫摩爾比、塔頂回流量、塔頂溫度、再沸器/冷凝器的負(fù)荷等都有關(guān)。當(dāng)需要降低脫甲烷塔塔頂乙烯損失時，需要適當(dāng)提高進(jìn)料中的甲烷/氫摩爾比以及降低進(jìn)料溫度、增加塔頂回流量、降低塔頂溫度以及增加再沸器/冷凝器熱負(fù)荷，但這樣往往會帶來設(shè)備投資或操作費用的增加。如果將碳二洗滌塔塔頂乙烯的濃度從1 000 μmol/mol降低至500 μmol/mol、脫甲烷塔塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至500 μmol/mol，燃料氣中的乙烯損失可以從175.6 kg/h降低至87.6 kg/h，可以多回收乙烯88 kg/h，合計704 t/a。在保證降低乙烯損失的前提下，盡可能降低裝置的投資和操作費用進(jìn)而加強其市場競爭性，因此在工程設(shè)計中針對脫甲烷系統(tǒng)的設(shè)計，需要找到一個平衡點，既要滿足較高的乙烯回收率又不能大幅度增加裝置的投資和操作費用，使裝置的建設(shè)和運行具有較好的經(jīng)濟效益。