大型芳烴聯(lián)合裝置在煉化一體化加工方案中的優(yōu)化設(shè)計

張 方 方

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著煉油、化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的企業(yè)選擇煉化一體化原油加工方案。生產(chǎn)以對二甲苯、苯為主要產(chǎn)品的芳烴聯(lián)合裝置是該加工工藝中的關(guān)鍵裝置。芳烴聯(lián)合裝置主要由石腦油加氫、連續(xù)重整、芳烴抽提、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、對二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化、C8芳烴分餾等單元組成；原料主要為煉油裝置的直餾石腦油、加氫裂化石腦油、加氫焦化石腦油等，也可來自化工裝置的蒸汽裂解汽油抽余油或外購石腦油；產(chǎn)品可以作為化工產(chǎn)品直接外賣，如苯、甲苯、混合二甲苯、對二甲苯、鄰二甲苯等，其余可送至烯烴生產(chǎn)裝置作為原料，進一步轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)品，如液化氣、戊烷、芳烴抽提抽余油、歧化外排氣、異構(gòu)化外排氣等，裝置富產(chǎn)的含氫氣體可以送至加氫裝置作為原料。

芳烴聯(lián)合裝置在煉化一體化原油加工方案中起到了承上啟下的“橋梁”作用。因此，優(yōu)化芳烴聯(lián)合裝置的設(shè)計對優(yōu)化煉化一體化原油加工方案非常重要。本課題通過對芳烴聯(lián)合裝置C8芳烴資源的綜合分析、節(jié)能方案的討論以及新技術(shù)的評估，提出優(yōu)化思路，供進一步提高裝置經(jīng)濟性、降低操作成本借鑒參考。

1 C8芳烴資源優(yōu)化利用

1.1 C8芳烴的來源及特點

在煉化一體化原油加工方案中，用于生產(chǎn)對二甲苯的C8芳烴主要來自連續(xù)重整裝置、歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置和乙烯裝置。表1列出了來自不同裝置的9種C8芳烴原料(編號分別為A～E)的組成。

表1 來自不同裝置的C8芳烴原料的組成 w，%

由表1可以看出，3套裝置的C8芳烴原料中乙苯含量差別很大，乙烯裝置的C8芳烴中的乙苯含量最高，其次是連續(xù)重整裝置C8芳烴中的乙苯含量，而歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置C8芳烴中的乙苯含量非常低。C8芳烴經(jīng)對二甲苯分離裝置分出對二甲苯后送至C8芳烴異構(gòu)化裝置，間二甲苯和鄰二甲苯轉(zhuǎn)化為對二甲苯，乙苯轉(zhuǎn)化為對二甲苯或苯。原料中乙苯含量的不同對C8芳烴異構(gòu)化裝置的操作影響顯著。

1.2 C8芳烴轉(zhuǎn)化為對二甲苯技術(shù)分析

在芳烴聯(lián)合裝置中，對二甲苯的生產(chǎn)過程是由對二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化、C8芳烴分餾等裝置組成的循環(huán)生產(chǎn)過程。該過程將C8芳烴在這3個單元中循環(huán)加工，最終轉(zhuǎn)化為對二甲苯、苯等產(chǎn)品。

C8芳烴原料首先經(jīng)過對二甲苯分離裝置將原料中的對二甲苯分出，剩余的原料送至C8芳烴異構(gòu)化裝置。該裝置以基本不含或少含對二甲苯的C8芳烴為原料，在催化劑作用下，4種C8芳烴同分異構(gòu)體(鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯和乙苯)之間相互轉(zhuǎn)化，使對二甲苯濃度重新達到平衡，實現(xiàn)增產(chǎn)對二甲苯的目的。目前可供選擇的工藝技術(shù)主要有兩種，分別對應(yīng)兩種不同類型的催化劑：一種是乙苯轉(zhuǎn)化型催化劑，另一種是乙苯脫烷基型催化劑。乙苯轉(zhuǎn)化型催化劑的特點是將原料中的乙苯轉(zhuǎn)化為二甲苯，最大限度地生產(chǎn)對二甲苯。在原料來源緊張的情況下，采用乙苯轉(zhuǎn)化型工藝技術(shù)是最佳選擇。但該工藝存在不足：一是乙苯單程轉(zhuǎn)化率低(一般不超過30%)，造成乙苯和C8非芳烴在對二甲苯生產(chǎn)中大量循環(huán)；二是反應(yīng)溫度高，中間產(chǎn)物C8環(huán)烷烴含量高，間二甲苯和鄰二甲苯的平衡濃度高，對二甲苯的平衡濃度低，從而造成能耗增加。乙苯脫烷基型催化劑的特點是將原料中的乙苯轉(zhuǎn)化為苯，單程轉(zhuǎn)化率為50%～70%，反應(yīng)不需要環(huán)烷烴在中間“搭橋”，可使對二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化、C8芳烴分餾等裝置的處理量明顯降低，裝置能耗明顯低于采用乙苯轉(zhuǎn)化型工藝技術(shù)。有文獻報道，當(dāng)異構(gòu)化反應(yīng)進料中乙苯質(zhì)量分數(shù)從16.7%降至12.6%時，循環(huán)比(C8芳烴循環(huán)量與對二甲苯產(chǎn)量的比值)由2.97降至2.83，對二甲苯裝置生產(chǎn)每噸對二甲苯的能耗降低536.7 MJ[1]。

綜上所述，優(yōu)化C8芳烴異構(gòu)化裝置的原料和轉(zhuǎn)化途徑，可明顯降低芳烴聯(lián)合裝置的能耗。

1.3 優(yōu)化利用

近年隨著大型煉化一體化企業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型芳烴聯(lián)合裝置越來越多。例如：某20 Mta原油加工能力的煉化一體化企業(yè)擬建3.3 Mta對二甲苯生產(chǎn)裝置。該裝置以上游6 Mta連續(xù)重整裝置生產(chǎn)的甲苯、C8芳烴、C9+芳烴及乙烯裝置生產(chǎn)的甲苯、C8芳烴等為原料，詳細的原料組成見表2。

表2 擬建3.3 Mta對二甲苯生產(chǎn)裝置的原料組成

表2 擬建3.3 Mta對二甲苯生產(chǎn)裝置的原料組成

項 目來源量∕(Mt·a-1)占比,%連續(xù)重整裝置的甲苯1.2226連續(xù)重整裝置的C8芳烴1.4030連續(xù)重整裝置的C9+芳烴1.3728乙烯裝置的甲苯0.286乙烯裝置的C8芳烴0.4610合計4.73100

由表2可以看出：連續(xù)重整裝置提供C8芳烴1.40 Mta，乙烯裝置提供C8芳烴0.46 Mta，預(yù)計可生產(chǎn)對二甲苯1.28 Mta；連續(xù)重整裝置提供甲苯1.22 Mta、C9+芳烴1.37 Mta，乙烯裝置提供甲苯0.28 Mta，合計2.87 Mta，送至歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置可轉(zhuǎn)化成C8芳烴約2.15 Mta，預(yù)計可生產(chǎn)對二甲苯2.02 Mta。

按照常規(guī)的工藝流程安排，原計劃新建2套相同的1.50 Mta對二甲苯生產(chǎn)裝置。通過分析C8芳烴資源的組成，綜合考慮裝置工藝技術(shù)特點，分別建設(shè)一套以連續(xù)重整裝置C8芳烴和乙烯裝置C8芳烴為原料的1.28 Mta對二甲苯裝置和一套以歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置C8芳烴為原料的2.02 Mta對二甲苯裝置更具優(yōu)勢。優(yōu)化調(diào)整后，擬新建的2.02 Mta對二甲苯裝置中的C8芳烴異構(gòu)化裝置的操作條件具有了巨大的優(yōu)化空間，對進一步降低芳烴聯(lián)合裝置的能耗、提高裝置經(jīng)濟性更為有利。

2 芳烴聯(lián)合裝置自產(chǎn)燃料氣綜合利用

芳烴聯(lián)合裝置中的連續(xù)重整裝置、歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置、C8芳烴異構(gòu)化裝置都會產(chǎn)生燃料氣。這些燃料氣中含有相當(dāng)比例的乙烷、丙烷和丁烷等。在單一煉油型企業(yè)中，這部分氣體被當(dāng)作燃料氣燒掉，經(jīng)濟價值一直被低估；而在煉化一體化企業(yè)中，這些富含乙烷、丙烷和丁烷的氣體可以作為優(yōu)質(zhì)的乙烯原料送至乙烯裝置，變成高附加值的乙烯、丙烯等產(chǎn)品。

表3列出了芳烴聯(lián)合裝置中分別產(chǎn)自連續(xù)重整裝置、歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置以及C8芳烴異構(gòu)化裝置的燃料氣組成。由表3可以看出，燃料氣中富含乙烷、丙烷、丁烷等，是生產(chǎn)乙烯的優(yōu)質(zhì)原料。

表3 芳烴聯(lián)合裝置自產(chǎn)燃料氣的組成 φ，%

某芳烴聯(lián)合裝置中歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置和C8芳烴異構(gòu)化裝置自產(chǎn)燃料氣約200 kta送至乙烯裝置，預(yù)計增產(chǎn)乙烯產(chǎn)品100 kta。綜合考慮乙烷、丙烷變?yōu)橐蚁⒈┑霓D(zhuǎn)化率及乙烯、丙烯與燃料氣的價格差異，該方案每年可帶來超過4億元人民幣的產(chǎn)品差價，經(jīng)濟效益非?？捎^。

在煉化一體化企業(yè)的建設(shè)方案中，越來越多的芳烴聯(lián)合裝置將歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置和C8芳烴異構(gòu)化裝置產(chǎn)生的燃料氣送至乙烯裝置作原料。這種優(yōu)化的方案在技術(shù)上是可行的，對提高乙烯裝置的經(jīng)濟性是有利的；在天然氣等廉價燃料資源充足的情況下，這個方案在經(jīng)濟上也是可行的，有利于降低乙烯裝置的原料成本[2]。

3 節(jié)能方案

3.1 芳烴聯(lián)合裝置的能耗

在綠色、環(huán)保、節(jié)能減排的大環(huán)境下，降低石油、石化企業(yè)的能耗是一個永恒的主題。芳烴聯(lián)合裝置的能耗對煉化一體化加工方案的總能耗影響顯著。對于一個原油加工能力為20 Mta的煉化一體化企業(yè)，芳烴聯(lián)合裝置的燃料消耗約占全廠燃料消耗的40%，約占煉油部分燃料消耗的58%；芳烴聯(lián)合裝置中壓縮機、重沸器等蒸汽用戶多，涉及超高壓蒸汽、高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽及低低壓蒸汽等，同時裝置內(nèi)還設(shè)置多臺蒸汽發(fā)生器，與全廠蒸汽平衡方案關(guān)聯(lián)度非常高。因此，降低芳烴聯(lián)合裝置的能耗對降低全廠能耗至關(guān)重要。

表4列出了不同時期的芳烴聯(lián)合裝置(編號分別為裝置1～裝置4)中對二甲苯分離裝置、C8芳烴異構(gòu)化裝置(采用乙苯轉(zhuǎn)化型技術(shù))、C8芳烴分餾裝置3個單元的總設(shè)計能耗(以對二甲苯計)。從表4可以看出，芳烴聯(lián)合裝置中這3個主要單元的總設(shè)計能耗呈逐年下降趨勢。

表4 不同時期芳烴聯(lián)合裝置中3個主要單元的設(shè)計能耗

芳烴聯(lián)合裝置的原料來源、產(chǎn)品方案及產(chǎn)品質(zhì)量要求的不同會導(dǎo)致其在工藝選擇、裝置設(shè)置、流程長短等方面的差異；不同的公用工程條件，不同的系統(tǒng)配套設(shè)施也會使芳烴聯(lián)合裝置的水、電、汽、風(fēng)等公用工程消耗差別很大。因此，不同的芳烴聯(lián)合裝置間能耗差別很大，但是總體趨勢是芳烴聯(lián)合裝置越來越節(jié)能。

3.2 超高壓蒸汽的使用

采用煉化一體化的總體流程設(shè)計中，煉油和化工之間的技術(shù)融合越來越多。目前，國內(nèi)以超高壓蒸汽驅(qū)動離心式壓縮機的方式在乙烯生產(chǎn)裝置中較為常見，而在煉油生產(chǎn)裝置中并不多見。通常，超高壓蒸汽的操作壓力為9.5～11.5 MPa，操作溫度為490～540 ℃，多產(chǎn)自乙烯裝置和動力鍋爐。近些年，催化裂化裝置發(fā)生超高壓蒸汽也有開工裝置。在國內(nèi)的煉油裝置中，中海油惠州石化有限公司的連續(xù)重整裝置及加氫裂化裝置中首次采用這種超高壓蒸汽驅(qū)動循環(huán)氫壓縮機，2009年開工至今，運轉(zhuǎn)良好，操作平穩(wěn)。煉化一體化企業(yè)越來越多，通過超高壓蒸汽的使用實現(xiàn)全廠蒸汽系統(tǒng)的梯級利用、降低裝置能耗的要求越來越迫切。

表5 采用不同壓力的蒸汽對連續(xù)重整裝置能耗的影響

采用超高壓蒸汽驅(qū)動芳烴裝置的壓縮機，在工藝操作上是可行的，明顯降低了芳烴裝置的能耗，優(yōu)化了全廠蒸汽的梯級利用方案，對降低裝置操作成本有利。某新建煉化一體化企業(yè)根據(jù)全廠公用工程系統(tǒng)的情況，在設(shè)計時考慮了乙烯氣壓縮機、丙烯壓縮機、重整循環(huán)氫壓縮機等幾個大功率壓縮機采用超高壓蒸汽驅(qū)動；在正常操作情況下，這3種壓縮機擔(dān)負了整個煉化企業(yè)約55%的4.0 MPa蒸汽來源以及約30%的1.3 MPa蒸汽來源；為25個煉油用戶和13個化工用戶提供4.0 MPa蒸汽，為19個煉油用戶和12個化工用戶提供1.3 MPa蒸汽。因此，超高壓蒸汽透平的使用為平衡全廠的蒸汽起到了關(guān)鍵作用，乙烯裝置和連續(xù)重整裝置的穩(wěn)定操作和日常維護也對全廠生產(chǎn)的平穩(wěn)運行至關(guān)重要。當(dāng)然，伴隨著超高壓蒸汽的引入，芳烴裝置的工程投資相應(yīng)增加，對壓縮機的日常管理和維護要更為精心。

3.3 低低壓蒸汽的使用

芳烴聯(lián)合裝置流程長，循環(huán)物料多，分離過程多，分餾塔也多，塔頂冷凝低溫?zé)嵩炊?，大部分的低溫?zé)嵊捎跍匚惠^低，一般在90～160 ℃之間，難以在裝置內(nèi)部得到利用。在傳統(tǒng)的芳烴聯(lián)合裝置中，這部分低溫位熱量只能是采用空氣冷卻器及水冷卻器來進行冷卻。因此，芳烴聯(lián)合裝置能耗高，低溫?zé)岬貌坏接行Ю靡彩欠浅Ｖ匾脑蛑籟3]。在傳統(tǒng)的芳烴聯(lián)合裝置中，典型的精餾塔操作參數(shù)見表6。

隨著芳烴聯(lián)合裝置的大型化，通過優(yōu)化上述精餾塔的操作壓力，改變換熱流程，充分利用工藝介質(zhì)的余熱，減少空氣冷卻器使用，降低循環(huán)冷水用量等改進方案來降低裝置能耗越來越重要[4-5]。

表6 芳烴聯(lián)合裝置中典型的精餾塔操作參數(shù)

某煉油廠芳烴聯(lián)合裝置考慮將二甲苯塔采用加壓操作方案，塔頂氣分別用作重整油分餾塔、抽余液塔、抽出液塔塔底重沸熱源來回收塔頂氣冷凝熱；抽余液塔和抽出液塔采用加壓操作方案，利用塔頂冷凝熱發(fā)生0.6 MPa蒸汽及1.27 MPa蒸汽，供聯(lián)合裝置內(nèi)物料加熱及壓縮機驅(qū)動使用，多余的0.6 MPa蒸汽通過蒸汽壓縮系統(tǒng)升壓至1.8 MPa后再供裝置內(nèi)各加熱用戶使用。該方案的實施使對二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化(乙苯脫烷基技術(shù))、C8芳烴分餾等3個單元的總設(shè)計能耗僅為5 225 MJt(對二甲苯)[6]。

某芳烴聯(lián)合裝置抽出液和抽出液塔頂熱量采用加壓操作方案，利用塔頂冷凝熱發(fā)生0.5 MPa蒸汽，供聯(lián)合裝置內(nèi)物料加熱及壓縮機驅(qū)動使用；利用成品塔、脫庚烷塔頂氣的冷凝熱及溫度偏高的工藝介質(zhì)加熱除鹽水，所得110 ℃熱水送至芳烴聯(lián)合裝置外的制冷單元制冷。該方案的實施使對二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化(乙苯脫烷基技術(shù))、C8芳烴分餾等3個單元的總設(shè)計能耗降至4 431 MJt(對二甲苯)。

通過優(yōu)化芳烴聯(lián)合裝置各精餾塔的操作條件，充分利用各精餾塔頂?shù)挠酂幔C合考慮全裝置的換熱流程對降低芳烴聯(lián)合裝置的能耗作用顯著。

4 新技術(shù)的應(yīng)用

4.1 C8芳烴液相異構(gòu)化技術(shù)

據(jù)美國《烴加工》2020年1月報道，在典型的C8芳烴異構(gòu)化技術(shù)中，經(jīng)過吸附分離后的C8芳烴在氣相異構(gòu)化反應(yīng)中，乙苯轉(zhuǎn)化為苯，鄰二甲苯、間二甲苯等轉(zhuǎn)化為平衡濃度下的對二甲苯,該工藝能耗高。C8芳烴液相異構(gòu)化技術(shù)在國外已有成功的工業(yè)應(yīng)用案例。該技術(shù)生成的輕芳烴很少，二甲苯單程損失極少，能使液相異構(gòu)化產(chǎn)物直接送至二甲苯塔；液相異構(gòu)化工藝操作溫度低于氣相異構(gòu)化工藝，裝置能耗低。隨著國內(nèi)研究的C8芳烴液相異構(gòu)化技術(shù)日趨成熟和完善，該技術(shù)代替C8芳烴氣相異構(gòu)化技術(shù)值得期待，屆時芳烴聯(lián)合裝置的能耗可以進一步降低[7]。

4.2 甲苯餾分加工方案優(yōu)化

在傳統(tǒng)芳烴聯(lián)合裝置中，甲苯餾分需經(jīng)芳烴抽提裝置脫出其中的非芳烴后送至歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置作原料。在煉化一體化加工方案中，芳烴抽提裝置的抽余油及歧化外排燃料氣均可送至乙烯生產(chǎn)裝置作原料。因此，即使甲苯餾分中夾帶少量非芳烴組分，經(jīng)歧化及烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)后，非芳烴組分發(fā)生裂化反應(yīng)生成C3～C4組分，也隨歧化外排氣送至乙烯生產(chǎn)裝置作原料。這樣，重整生成油中的甲苯餾分不需要通過芳烴抽提裝置處理，而是經(jīng)過分餾塔分餾后直接送至歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置，可使芳烴抽提裝置的規(guī)模明顯減小，對歧化裝置的影響非常有限。因此，在煉化一體化加工方案中，采用甲苯餾分直接進歧化及烷基轉(zhuǎn)移裝置是一種可行的方案，也是一種更節(jié)能的方案。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)C8芳烴資源的組成差異，采用不同的加工方案，進一步優(yōu)化C8芳烴異構(gòu)化裝置的工藝設(shè)計，對降低芳烴聯(lián)合裝置的能耗、提高裝置經(jīng)濟性更為有利。芳烴聯(lián)合裝置中歧化及異構(gòu)化外排氣送至乙烯裝置作原料，在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟上也是可行的。采用超高壓蒸汽驅(qū)動芳烴聯(lián)合裝置的壓縮機，在工藝操作上是可行的，對降低裝置能耗有利，對優(yōu)化全廠蒸汽梯級利用方案有利，對降低裝置操作成本有利。充分利用芳烴聯(lián)合裝置中的低溫余熱，發(fā)生蒸汽用于壓縮機驅(qū)動、塔底重沸器加熱等，對進一步降低芳烴裝置的能耗作用明顯。C8芳烴液相異構(gòu)化技術(shù)及甲苯餾分加工方案的優(yōu)化對進一步降低芳烴裝置的能耗是可行的，也更節(jié)能。

(2)在煉化一體化原油加工方案中，通過優(yōu)化芳烴聯(lián)合裝置的加工方案，采用高效、環(huán)保的節(jié)能措施及使用新技術(shù)，對提高整個煉化一體化原油加工方案的經(jīng)濟性、降低操作成本、增強企業(yè)競爭力具有重要意義。