芳烴抽提裝置問題分析及優(yōu)化措施

李元明　李家樂　于洋　劉東　楊培君

摘????? 要：芳烴抽提裝置的抽提蒸餾塔作為整個(gè)裝置的核心工藝，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響抽余油和苯產(chǎn)品質(zhì)量，其液-液抽提的特殊性和環(huán)丁砜溶劑的易劣化的特點(diǎn)給生產(chǎn)操作帶來較大的難度。針對(duì)芳烴裝置中抽提蒸餾塔出現(xiàn)的異常波動(dòng)而導(dǎo)致的抽余油產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)問題，進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并提出了相對(duì)可行的解決方法。

關(guān)? 鍵? 詞：芳烴抽提;抽余油;環(huán)丁砜;抽提蒸餾塔

中圖分類號(hào)：TQ 052??? ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? ???文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1497-05

Analysis and Optimization of Aromatics Extraction Plant

LI Yuan-ming， LI Jia-le， YU Yang， LIU Dong， YANG Pei-jun

（Olefin Plant of PetroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract： As the core of the whole unit， the extraction distillation tower of the aromatics extraction unit has a direct influence on the quality of raffinate and benzene. Due to the particularity of liquid-liquid extraction and the easy degradation of sulfolane solvent， the production operation is great difficult. In this paper， the quality fluctuation of the raffinate oil product caused by the abnormal fluctuation of the distillation tower was analyzed， and relatively feasible solutions were put forward.

Key words： Aromatics extraction; Raffinate oil; Sulfolane; Extractive distillation tower

中國(guó)石油撫順石化分公司烯烴廠芳烴抽提裝置采用GT-BTX專利技術(shù)，設(shè)計(jì)處理量為40萬t·a^-1，是80萬t·a^-1乙烯裝置的后續(xù)裝置，采用際特公司專利環(huán)丁砜復(fù)配溶劑，具有裝置投資小、能耗低、溶劑選擇性好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該裝置以汽油加氫裝置生產(chǎn)的加氫汽油為原料，在溶劑的萃取蒸餾作用下，分離成芳烴組分和抽余油，芳烴組分繼續(xù)精餾分離為苯產(chǎn)品和混苯產(chǎn)品。

1? 工藝概況

乙烯裝置來的加氫汽油餾分進(jìn)料用貧溶劑預(yù)熱，熱進(jìn)料被送到抽提蒸餾塔（EDC）的中部，同時(shí)貧溶劑送到靠近EDC塔頂部的位置。在氣液兩相的操作中，溶劑將芳烴萃取到EDC塔釜，同時(shí)未溶解的非芳烴去塔頂成為抽余油。抽余油蒸氣在塔頂冷凝器中冷凝，然后收集在塔頂凝液罐中。一定比例的抽余油送回EDC塔頂作為回流液去除抽余油中的微量溶劑，余下的被冷卻到貯存溫度作為抽余油產(chǎn)品送到界區(qū)外。

由溶劑和芳烴組成的富溶劑從EDC塔底抽出來后進(jìn)料到溶劑回收塔（SRC）。芳烴在溶劑回收塔頂部與溶劑分離，塔頂產(chǎn)品為富含芳烴的抽提液，脫除芳烴的貧溶劑在塔底形成。溶劑回收塔在負(fù)壓下操作可以降低塔釜芳烴在溶劑中的沸點(diǎn)，并保證溶劑不會(huì)在高溫下分解。

本裝置工藝簡(jiǎn)單，抽提蒸餾部分僅僅兩塔操作，一個(gè)抽提蒸餾塔回收高純度芳烴，一個(gè)溶劑回收塔，汽提出芳烴抽提液，回收溶劑循環(huán)使用，沒有其他附屬設(shè)施來洗滌抽余油或者從富溶劑中汽提非芳組分。專有的復(fù)合溶劑Techtiv-100，具有較高的熱穩(wěn)定性，并在高選擇性和溶劑能力之間提供了一個(gè)最佳平衡，最終獲得更好的性能和更低的投資成本。

2? 存在的問題

2.1? 進(jìn)料線振動(dòng)

抽提精餾塔加氫汽油進(jìn)料線在經(jīng)過進(jìn)料換熱器后會(huì)無征兆出現(xiàn)管線振動(dòng)情況。當(dāng)管線振動(dòng)時(shí)，抽提蒸餾塔進(jìn)料量劇烈波動(dòng)，進(jìn)料量波動(dòng)范圍為25%～75%，造成整塔由于波動(dòng)劇烈，無法有效調(diào)整，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

同時(shí)由于管線上有多處焊口、法蘭和調(diào)節(jié)閥，長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焊口開裂、法蘭泄漏和調(diào)節(jié)閥損壞等事故的發(fā)生，給裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的隱患。

2.2? 抽提塔壓差異常波動(dòng)

抽提蒸餾塔共有塔盤76層，塔盤形式為浮閥塔盤，自2017年大檢修后抽提塔經(jīng)常出現(xiàn)塔壓差異常波動(dòng)的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為在負(fù)荷維持在74%（37 t·h^-1）的狀態(tài)下，在各項(xiàng)工藝參數(shù)均沒有調(diào)整的情況下，塔壓差從42 kPa迅速上升至60～80 kPa，塔內(nèi)第15層塔盤溫度由110 ℃快速上升至122 ℃，塔頂回流罐液位下降，塔頂抽余油產(chǎn)品質(zhì)量超標(biāo)，苯含量從3%升高到10%左右。

3? 原因分析

3.1? 抽提塔進(jìn)料管線振動(dòng)原因分析

物料管線振動(dòng)方式是一種典型的機(jī)械振動(dòng)，造成管線振動(dòng)的原因有很多，一般分為以下6種類型：

1）管線內(nèi)部液體流動(dòng)狀態(tài)忽然發(fā)生變化，液體內(nèi)部壓力不均勻，局部出現(xiàn)液壓沖擊，導(dǎo)致管線發(fā)生振動(dòng);

2）管線內(nèi)液體經(jīng)過節(jié)流閥，液流中某點(diǎn)壓力低于其飽和分壓導(dǎo)致原來溶于液體中的氣體分離出來，出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致管線發(fā)生振動(dòng);

3）管線內(nèi)液相壓力過高、流速超過管線設(shè)計(jì)值，支撐強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致管線發(fā)生振動(dòng);

4）由于增壓設(shè)備，如泵和壓縮機(jī)出現(xiàn)不平衡運(yùn)動(dòng)或喘振現(xiàn)象發(fā)生異常振動(dòng)，導(dǎo)致附屬管線同步發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象;

5）管道系統(tǒng)根據(jù)配置情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支撐的構(gòu)件也具有一定的振動(dòng)頻率，當(dāng)管線的微小振動(dòng)與支撐構(gòu)件的振動(dòng)頻率相近時(shí)，便會(huì)發(fā)生管線振動(dòng)增強(qiáng)的現(xiàn)象;

6）當(dāng)管線內(nèi)部介質(zhì)出現(xiàn)氣液兩相流動(dòng)時(shí)，管線內(nèi)液體的流動(dòng)形式可能出現(xiàn)異常，導(dǎo)致管線發(fā)生振動(dòng)^[1]。

針對(duì)上述原因進(jìn)行了工藝排查，具體見表1。

由表1可知，抽提蒸餾塔進(jìn)料泵一直運(yùn)行比較穩(wěn)定，進(jìn)料線組成各項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)計(jì)基本相符，不存在流動(dòng)狀態(tài)突然改變的情況，管線內(nèi)流體流速也并無較大變化。

1）該管線從泵出口至抽提塔進(jìn)料口，管線內(nèi)并無節(jié)流設(shè)備，管線內(nèi)流體壓力穩(wěn)定，故不會(huì)出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。

2）管線內(nèi)管徑恒定，物料流量穩(wěn)定，故物料流速一定，且各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，故管線振動(dòng)也不是由于流速過快而造成的。

3）在實(shí)際生產(chǎn)中，由起始端增壓設(shè)備的不平衡運(yùn)動(dòng)，多為往活塞壓縮機(jī)的氣流脈動(dòng)不平衡而造成的，同時(shí)鑒于裝置進(jìn)料泵的穩(wěn)定運(yùn)行，此項(xiàng)振動(dòng)原因也排除在外。

4）由于物料流動(dòng)與管線的固有頻率相等或相近時(shí)而引起的共振，本裝置并無相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，所以對(duì)此項(xiàng)原因無法進(jìn)行有效分析

5）液體混合物在水平管道中流動(dòng)時(shí)， 曼德漢流型圖（圖1）將其區(qū)分成6 種不同的流型，泡狀流、

段塞流（塊狀流）、層狀流、波狀流、沖擊流和環(huán)霧狀流。本裝置進(jìn)料為加氫汽油，經(jīng)換熱器預(yù)熱后，溫度由28 ℃升至115 ℃，設(shè)計(jì)為純液相進(jìn)料，進(jìn)塔后物料閃蒸，現(xiàn)懷疑由于目前原料組成與設(shè)計(jì)相差較大導(dǎo)致管線振動(dòng)，見表2。

由表2可見，目前原料中C₅體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值的135%，苯體積分?jǐn)?shù)為設(shè)計(jì)值的138%，而重組分的C₈含量幾乎為零，此工況輕組分體積分?jǐn)?shù)超出設(shè)計(jì)135%，因此物料在換熱器內(nèi)可能將有部分液體出現(xiàn)氣化現(xiàn)象。氣液兩相流一般有多種表現(xiàn)形式，經(jīng)計(jì)算塊狀流和塞狀流對(duì)管線的沖擊力較大，破壞較嚴(yán)重，而流動(dòng)較為均勻的分散流對(duì)管線的沖擊力較小，影響也較小，水平管氣液兩相流型的判斷可以采用曼德漢流型圖。見圖1。

判斷豎直管道內(nèi)流體屬于哪種的流動(dòng)形式，經(jīng)常用格里菲斯流型圖，見圖2。

計(jì)算公式為：體積含氣率β=Q_g/（Q_g+Q_l）;Q_g為氣相體積流量，m³·h^-1;Q_l為液相體積流量，m³·h^-1;d_i為管線內(nèi)徑，m;氣相折算速度W_sg=Q_g/A，m·s^-1;液相折算速度W_sl=Q₁/A，m·s^-1;混相流速U_h=W_sg+W_sl，m·s^-1;管線截面積A=πd_i²/4，m^{2 [2]};利用Aspen 軟件對(duì)物料進(jìn)行模擬操作，模擬結(jié)果見表3。

由表3可知，原料經(jīng)預(yù)熱溫度達(dá)到102 ℃時(shí)，在豎直管線和水平管線內(nèi)均為分層流，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。而當(dāng)原料預(yù)熱溫度達(dá)到115 ℃時(shí)，原料在水平管線上為分層流，豎直管線上處于塊狀流區(qū)域，極易產(chǎn)生管線振動(dòng)。

3.2? 抽提塔壓差異常波動(dòng)原因分析

經(jīng)過分析作者認(rèn)為造成抽提塔壓差異常波動(dòng)的原因有以下4個(gè)主要因素：

3.2.1 ?溶劑質(zhì)量的影響

在抽提蒸餾工藝中，對(duì)溶劑的性能要求較為嚴(yán)格，其良好的熱穩(wěn)定性、高選擇性、強(qiáng)抗發(fā)泡性能均是T-100溶劑的特性。但該溶劑在220 ℃會(huì)緩慢地?zé)岱纸獬啥趸蚝投《渲卸《┰诟邷叵履軌蚓酆仙刹伙柡途酆衔?，二氧化硫?huì)造成設(shè)備腐蝕;而溶劑中的雜質(zhì)環(huán)丁烯砜在100～130 ℃即可分解生成二氧化硫和丁二烯，在微量氧的存在下，環(huán)丁砜也存在分解的情況^[3]，同時(shí)由于脫重系統(tǒng)易將T-100溶劑中的抗氧劑和抗阻聚劑脫除，所以在長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)間下，溶劑質(zhì)量逐漸劣化，導(dǎo)致抽提效果變差，同時(shí)塔板聚合加重。

3.2.2 ?C₅體積分?jǐn)?shù)的影響

裝置原料為汽油加氫裝置的加氫汽油，其主要成分是C₆、C₇，其主要體積分?jǐn)?shù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比見表4。

由表4可知，目前原料的實(shí)際組成與設(shè)計(jì)相差較大，尤其是C₅組分體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值的152%，C₆組分體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值的133%，由于各組分的表面張力相差較大，見表5，可以看出環(huán)丁砜具有較強(qiáng)的表面張力，C₅、C₆具有最小的表面張力。

液體的表面張力越小越容易產(chǎn)生氣泡，在有環(huán)丁砜溶劑的萃取作用下，芳烴和非芳組分在液體的內(nèi)部和表面分層，液體表層為具有較高活度系數(shù)和較低表面張力的輕烴。當(dāng)C₅、C₆等輕烴被蒸出時(shí)，這就使液體具有了較低的表面張力，使產(chǎn)生的泡沫體積變大、留存時(shí)間增加，當(dāng)情況持續(xù)惡化到嚴(yán)重程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)塔盤發(fā)生劇烈的發(fā)泡現(xiàn)象，尤其體現(xiàn)在抽提塔的中上部最為嚴(yán)重^[4]。

3.2.3 ?塔盤堵塞

由于環(huán)丁砜分解生成的丁二烯在高溫下聚合，并在塔盤上積累，有可能導(dǎo)致塔盤浮閥空隙變小，流通量下降，抗擾動(dòng)能力變?nèi)?，同時(shí)由于裂解汽油中含有一定量的膠質(zhì)，膠質(zhì)可溶解于芳烴和環(huán)丁砜之中，卻不溶于鏈烴，但膠質(zhì)沸點(diǎn)高不易蒸發(fā)，所以膠質(zhì)會(huì)隨著環(huán)丁砜溶劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)并積累，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定濃度后，膠質(zhì)便會(huì)析出并附著在浮閥上，使浮閥粘住，無法彈起，導(dǎo)致塔盤上氣液兩相無法進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，造成塔壓差波動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)塔釜壓力繼續(xù)升高，壓力大于膠質(zhì)對(duì)浮閥的黏合力時(shí)，浮閥再次彈起，如此周而復(fù)始，造成塔內(nèi)壓差劇烈波動(dòng)、抽提塔操作紊亂^[5]。

3.2.4 ?塔盤元件損壞

浮閥損壞：浮閥塔在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于浮閥安裝質(zhì)量未達(dá)到相關(guān)要求或經(jīng)沖擊磨損，經(jīng)常出現(xiàn)浮閥脫落現(xiàn)象，如果浮閥脫落量較大，使塔板上氣液相不能充分接觸，導(dǎo)致氣體通過篩孔的氣速過高，使氣液接觸局部呈噴射狀況，霧沫夾帶量增大，同時(shí)氣體通過浮閥孔的氣速相對(duì)較低會(huì)使泄漏量增加，如圖4所示。

塔板溢流堰損壞：由圖5可見，在塔盤安裝時(shí)部分塔盤溢流堰只做了點(diǎn)焊連接，溢流堰底部與塔盤間縫隙較大，同時(shí)溢流堰發(fā)生較大形變無法起到保持塔板液層高度的作用，當(dāng)氣相負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，塔板上液面隨著溢流堰的擺動(dòng)而發(fā)生不規(guī)律的升降，極易發(fā)生漏液現(xiàn)象。

如果塔內(nèi)浮閥與溢流堰均有較大比例的損壞，就會(huì)造成嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，即塔盤上無液封，下層塔盤的氣相不經(jīng)過能量和物質(zhì)交換而直接到達(dá)上層塔盤，導(dǎo)致塔內(nèi)紊亂，壓差不規(guī)律的變化，同時(shí)塔頂產(chǎn)品中重組分含量增加，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

4? 采取的優(yōu)化措施

4.1? 抽提塔進(jìn)料管線振動(dòng)

通過表3可知，降低原料換熱溫度至102 ℃后，無論是水平管線還是豎直管線，罐內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)均為穩(wěn)定的分層流，不會(huì)出現(xiàn)由于物流沖擊而導(dǎo)致的管線振動(dòng)，按照此方案進(jìn)行調(diào)整后，目前已成功消除管線振動(dòng)，保證了裝置的安全運(yùn)行。

4.2? 抽提塔壓差波動(dòng)

由于抽提塔壓差波動(dòng)是由溶劑質(zhì)量下降、原料中C₅含量過高、塔盤堵塞和塔盤元件損壞多個(gè)因素共同造成的。由于目前該裝置不具備檢修條件，所以目前塔內(nèi)件的問題，無法徹底解決，只能在2021年大檢修時(shí)進(jìn)行處理。但是針對(duì)目前工況，制定了相應(yīng)的處理辦法：

1）上游汽油加氫裝置減小C₅體積分?jǐn)?shù)至0.5%，減小輕組分造成的發(fā)泡現(xiàn)象。

2）將抽提塔頂抽余油產(chǎn)品質(zhì)量最敏感的15層塔板溫度由116 ℃降低到112 ℃，降低抽提塔整體溫度，降低環(huán)丁砜溶劑的活性，提高選擇性，確保即使有多層塔盤失效的前提下，也能將抽余油中的苯完全萃取出來。

3）補(bǔ)充一定量的新鮮溶劑，同時(shí)控制溶劑比在5.1，確保萃取效果。

4）穩(wěn)定抽提塔釜溫度在154～155 ℃之間，控制溫度波動(dòng)在1 ℃之內(nèi)，杜絕對(duì)加熱閥門調(diào)整過大過快，保持塔釜蒸汽量穩(wěn)定，減少對(duì)塔盤的沖擊，確保塔內(nèi)件處于一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

通過上述控制手段，目前已成功解決了該裝置的生產(chǎn)問題，并且裝置的抽余油產(chǎn)品中苯含量達(dá)到歷史最好水平，見圖6。

5? 結(jié)束語

抽提蒸餾塔作為芳烴裝置的關(guān)鍵核心流程，其運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響芳烴裝置的整體運(yùn)行情況。

目前該裝置通過降低進(jìn)料溫度、調(diào)整整塔溫度分布、降低溶劑活性、增加溶劑選擇性等方式成功地解決了入口管線振動(dòng)和塔壓差波動(dòng)等問題，并且抽余油指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢秀清.化工管線振動(dòng)的流體振源分析[J]. 石油化工設(shè)備，1997，26（5）：9-12.

[2]涂連濤.加氫裝置分餾塔進(jìn)料加熱器出口管線振動(dòng)原因分析及解決措施[J]. 石油天然氣化工，2018，47（1）：20-25.

[3]顧侃英. 芳烴抽提中環(huán)丁砜的劣化及其影響[J]. 石油學(xué)報(bào)（石油加工） ，2000，16（4）：19-24.

[4]葉引祥. 抽提裝置的腐蝕控制[ J]. 金山油化纖，1987（4）：52-54.

[5]夏婧，李澤東.氣液兩相流流型判斷及管徑計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].石油與天然氣化工，2016，45（3）：21-26.

收稿日期：2018-08-20

作者簡(jiǎn)介：李元明（1979-），男，陜西澄城人，碩士，2003年畢業(yè)于西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：乙烯技術(shù)。

E-mail：lym800101@petrochina，com.cn。

通訊作者：于洋（1984-），男，工程師，碩士，研究方向：乙烯裝置/芳烴裝置生產(chǎn)管理。E-mail：yyyixi520@petrochina.com.cn。