丙烯塔塔壓過高的工藝優(yōu)化調(diào)整探究

陳 睿

丙烯塔塔壓過高的工藝優(yōu)化調(diào)整探究

陳 睿

（中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司，安徽 淮南 23200 ）

丙烯精餾塔的工藝優(yōu)化一直是烯烴分離中備受關(guān)注的問題，而塔壓過高是影響丙烯精餾塔的主要因素。通過引入熱泵技術(shù)，經(jīng)過合理計(jì)算、優(yōu)化操作，對(duì)丙烯塔冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了工藝調(diào)整，有效降低了丙烯塔塔壓，使塔壓下降至1.856 MPa，丙烯中丙烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.40%以下。實(shí)現(xiàn)了裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)、節(jié)能降耗的目標(biāo)。

丙烯精餾塔；塔壓；熱泵；優(yōu)化操作；冷凝

中安聯(lián)合煤化工公司采用中國石化工程建設(shè)有限公司開發(fā)的輕烯烴回收工藝技術(shù)，通過精餾分離的方法來獲得聚合級(jí)丙烯和丙烷[1-5]。丙烯精餾系統(tǒng)包含2臺(tái)精餾塔：如圖1所示，丙烯精餾塔分為2個(gè)塔：1#丙烯精餾塔和2#丙烯精餾塔。1#丙烯精餾塔塔頂操作壓力為1.871 MPa，頂溫47.7 ℃，釜溫57.2 ℃。2#丙烯精餾塔塔頂操作壓力為1.81 MPa，頂溫46 ℃, 釜溫47.7 ℃。其流程為：來自脫丙烷塔回流罐的液體混合C3經(jīng)丙烯塔進(jìn)料泵（P-5006A/B）輸送至1#丙烯塔第25塊塔板，其再沸器（E-5005A/B）采用急冷水加熱，來自1#丙烯塔塔頂?shù)臍怏w進(jìn)料至2#丙烯塔底部。2#丙烯塔釜液經(jīng)回流泵（P-5002A/B）加壓后送至1#丙烯塔回流。丙烷從1#丙烯塔塔釜采出，經(jīng)循環(huán)水換熱器（E-5006）冷卻后送出界區(qū)。2#丙烯塔塔頂丙烯氣體經(jīng)2臺(tái)并聯(lián)冷凝器（E-5004A/B）冷凝后進(jìn)入回流罐（D-5002），罐中的丙烯一部分作為2#丙烯塔回流，另一部分作為丙烯產(chǎn)品經(jīng)循環(huán)水換熱器（E-5011）冷卻至39 ℃后送至丙烯產(chǎn)品二甲醚吸附器。

圖1 丙烯精餾系統(tǒng)流程示意圖

1 背景

甲醇制烯烴是工業(yè)制備丙烯的重要方法之一，但卻伴隨著丙烷和丙烯的分離難題[6-7]。丙烯和丙烷具有相似的分子尺寸、分子量、極性和熔、沸點(diǎn)，成為很難分離的兩種物質(zhì)。由于丙烯和丙烷相對(duì)揮發(fā)度甚低[8-10]，分離難度大，能耗高，操作因素需要精準(zhǔn)控制，丙烯精餾過程操作穩(wěn)定性成為關(guān)鍵控制因素，但是本裝置在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于精餾塔冷凝器的循環(huán)水量不足且換熱器堵塞導(dǎo)致冷凝器冷凝效果變差，導(dǎo)致丙烯精餾塔塔壓超出控制范圍（1.95 MPa），造成丙烯產(chǎn)品質(zhì)量不合格，裝置被迫降低負(fù)荷運(yùn)行。為此，通過對(duì)冷凝系統(tǒng)進(jìn)行工藝技術(shù)改造，提出丙烯精餾塔與丙烯制冷壓縮機(jī)的聯(lián)合方案，以降低塔壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作[11-15]。

2 塔頂冷凝器對(duì)塔壓的影響

精餾塔塔壓直接影響丙烯-丙烷的相對(duì)揮發(fā)度，塔頂通過塔頂固定管板式冷凝器（E-5004A/B）并聯(lián)使用，用循環(huán)水對(duì)塔頂丙烯氣體冷凝并冷卻，起到控制塔壓的作用。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量E-5004A/B的循環(huán)水流量為3 000 m3·h-1，表1為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)冷凝器循環(huán)水量后監(jiān)測(cè)精餾塔塔壓的變化情況，經(jīng)過分析冷凝器循環(huán)水量從3 000 m3·h-1上升到3 800 m3·h-1時(shí)塔壓從1.998 MPa下降到1.982 MPa，下降0.016 MPa。又分別通過對(duì)2臺(tái)換熱器進(jìn)口處加裝甩頭進(jìn)行反沖洗，除去換熱器內(nèi)壁水垢后，進(jìn)一步提升冷凝器循環(huán)水流量，由3 800 m3·h-1提升至5 000 m3·h-1，此時(shí)塔壓從1.982 MPa下降至1.950 MPa，下降0.032 MPa。說明冷凝器循環(huán)水量對(duì)塔壓的影響十分明顯，在冷凝器最大流量負(fù)荷8 000 m3·h-1內(nèi)，通過改變冷凝器的循環(huán)水流量是控制塔壓的有效方式。但由于塔頂冷凝器堵塞嚴(yán)重，循環(huán)水流量通過各種手段只能提高至5 000 m3·h-1，塔壓共降至1.95 MPa，雖然塔壓下降，但依然超壓運(yùn)行。

表1 塔頂冷凝器循環(huán)水流量對(duì)精餾塔塔壓的影響

在裝置運(yùn)行過程中記錄了在維持精餾塔進(jìn)料量47 t·h-1時(shí)，塔壓和塔頂丙烯采出量與丙烯濃度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（見表2），根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，隨著塔壓的降低，丙烯的采出逐漸增多，且丙烯的濃度逐步提高，當(dāng)精餾塔塔壓降至1.950 MPa時(shí)，精餾塔塔丙烯的濃度才能勉強(qiáng)維持在合格臨界值的附近。若塔壓高于1.950 MPa時(shí)，精餾塔則不能滿足工藝要求，所生產(chǎn)的產(chǎn)品為不合格。同時(shí)由于塔壓升高帶來塔內(nèi)丙烯丙烷的沸點(diǎn)升高，嚴(yán)重增加了塔釜換熱器的負(fù)荷，單純地通過改變塔頂冷凝器流量已經(jīng)不能滿足進(jìn)一步降低塔壓的需要，因此必須對(duì)現(xiàn)有精餾塔塔頂冷凝器循環(huán)水流量不足的情況下對(duì)冷凝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

表2 塔壓對(duì)塔頂丙烯采出量與丙烯濃度的影響

3 調(diào)整措施及效果

3.1 熱泵精餾技術(shù)的應(yīng)用

熱泵精餾利用工作介質(zhì)吸收精餾塔頂蒸汽的相變熱，通過熱泵對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行壓縮，升壓升溫，使其能質(zhì)得到提高，然后作為再沸器的加熱熱源，既降低了精餾塔塔頂冷凝器的冷凝換熱負(fù)荷，又節(jié)省了精餾塔再沸器 的加熱熱源，達(dá)到節(jié)能增效目的[16-20]。根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式2種類型。[21-22]其中蒸汽加壓方式應(yīng)用較多，蒸汽壓縮機(jī)方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式流程[23]。熱泵構(gòu)成循環(huán)的主要部件為蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥等[24]。

如圖2所示，經(jīng)熱泵精餾理論應(yīng)用到丙烯精餾冷凝系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)中，改進(jìn)后的丙烯精餾冷凝系統(tǒng)具有丙烯制冷壓縮機(jī)（K-6001）、冷凝器等單元設(shè)備，丙烯制冷壓縮機(jī)、丙烯四段吸入罐（D-6004）與丙烯精餾塔共用1根氣相丙烯開車線，當(dāng)丙烯制冷壓縮機(jī)各段吸入罐液位高時(shí)，其額外液相丙烯通過P-6001泵送至丙烯精餾塔回流罐（D-5002）。丙烯精餾塔與丙烯制冷壓縮機(jī)具備構(gòu)成開式熱泵的條件[25]。

圖2 冷凝系統(tǒng)改進(jìn)后的丙烯精餾塔示意圖

對(duì)技術(shù)改進(jìn)后的工藝進(jìn)行調(diào)試，其由丙烯精餾塔塔頂通過開車線相向7 ℃丙烯四段吸入罐（D-6004）泄壓而來的丙烯通過液位調(diào)整以液相形式最終來到-40 ℃丙烯一段吸入罐（D-6001），由P-6001泵送往丙烯精餾塔回流罐（D-5002）對(duì)其降溫。由于丙烯精餾塔的泄壓加重了丙烯壓縮機(jī)（K-6001）的負(fù)荷，因此丙烯壓縮機(jī)的汽輪機(jī)主汽門全開來保證丙烯壓縮機(jī)向其他系統(tǒng)提供的冷量穩(wěn)定。為了防止壓縮機(jī)喘振，分別調(diào)整各段防喘振閥來保證足夠流量。

在丙烯精餾塔未向壓縮機(jī)泄壓時(shí)，當(dāng)丙烯壓縮機(jī)的汽輪機(jī)主汽門全開后，防喘振線向7 ℃丙烯四段吸入罐（D-6004）提供了15 t·h-1的丙烯以保持四段吸入罐（D-6004）的流量。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明只要丙烯塔向壓縮機(jī)泄壓的流量小于15 t·h-1，通過調(diào)整防喘振線閥位開度，保持四段吸入罐流量穩(wěn)定，即對(duì)丙烯壓縮機(jī)不會(huì)產(chǎn)生影響，達(dá)到改造的目的。

3.2 熱泵精餾理論計(jì)算

為驗(yàn)證技術(shù)改進(jìn)的可靠性，對(duì)C-5003氣相丙烯開車線至D-6004氣相丙烯開車線進(jìn)行能量恒算：考慮到氣體密度很小，位能項(xiàng)可忽略，且現(xiàn)場(chǎng)兩端高度差可忽略，根據(jù)能量衡算式[26-27]:

2ln（1/2）+0.5（/）2

=0.5（2-1）（1+2）/（） （1）

m=A（2）

式中：—質(zhì)量流速，kg/（m2·s）；

—壓強(qiáng)，Pa；

—管徑，m；

—管長，m；

—管道進(jìn)口處比體積，m3·kg-1；

—摩擦系數(shù)；

—管道橫截面積，m2；

m—質(zhì)量流量。

查閱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：D-6004吸入壓力0.61 MPa；管長100 m；管徑0.05 m；管道絕對(duì)粗糙度0.1 mm；ε/=0.002查閱莫迪圖得=0.024；經(jīng)過循環(huán)水調(diào)整后，C-5003極值塔壓為1.95 MPa，帶入計(jì)算得=1 129.4 kg/（m2·s）。m約為8 t·h-1。

由此可知，只有8 t·h-1的丙烯泄壓至壓縮機(jī)四段吸入罐，大幅度低于由壓縮機(jī)防喘振線流向四段吸入罐的流量，因此由丙烯塔向壓縮機(jī)泄壓并不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生影響[27-28]。

3.3 改進(jìn)后的效果

在實(shí)際試車過程中，開啟P-6001泵后，塔壓由1.95 MPa迅速下降至1.86 MPa，且在適當(dāng)關(guān)閉壓縮機(jī)防喘振線后，壓縮機(jī)并未受到影響。通過工藝調(diào)整，丙烯塔的塔壓逐漸降低至1.86 MPa，在穩(wěn)定進(jìn)料47 t·h-1，塔壓與工藝參數(shù)關(guān)系見表3，從表3中可以看出隨著塔壓的逐步降低，丙烯產(chǎn)量和純度逐步提高。

表3 塔壓與工藝參數(shù)關(guān)系

由表3回流量進(jìn)一步分析回流比可以看出，回流比也逐漸由13.7降至12.8，更低的回流比也表明需要更少的塔釜再沸器的熱量供給，減少了能量的消耗[29-30]。與此同時(shí)如圖3所示，塔釜丙烷中丙烯的含量也隨著塔壓的降低而減小，說明塔釜中輕組分丙烯的分離效果較好[31]。

圖3 塔壓與塔釜丙烯損失趨勢(shì)

4 結(jié) 論

丙烯精餾塔的優(yōu)化操作作為甲醇制烯烴(S-MTO)工藝中輕烯烴回收部分的核心操作被廣泛關(guān)注，塔釜丙烯損失率更是衡量丙烯裝置的重要參數(shù)之一。本文通過分析塔頂冷凝器循環(huán)水流量對(duì)丙烯精餾塔塔壓的影響，證實(shí)塔頂冷凝水流量是影響塔壓穩(wěn)定的重要因素，增大頂冷凝水流量可以有效降低塔壓；針對(duì)生產(chǎn)中遇到的問題，通過嘗試引入熱泵技術(shù)，有效解決原有冷凝系統(tǒng)效果不佳的瓶頸問題。通過研究精餾塔塔壓與塔頂和塔底組分的關(guān)系，證實(shí)在一定范圍內(nèi)通過降低塔壓可以提高丙烯的收率，有效解決丙烯損失率大的問題。

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Study on Process Optimization Adjustment Aiming at Excessive Operating Pressure in Acrylic Tower

（Zhongan United Coal Chemical Co., Ltd., Huanan Anhui 232001, China）

The process optimization of acrylic distillation tower has always been a concern in the separation of olefins, and the excessive pressure of the tower is the main factor affecting the acrylic distillation tower. In this paper, through the introduction of heat pump technology, after reasonable calculation and optimization operation, the process adjustment of the acrylic tower cooling system was carried out, effectively reducing the pressure of the acrylic tower, so that the pressure of the tower could drop to 1.856 MPa, the mass fraction of propane in propylene was stable at less than 0.40%, the goal of full load production, energy saving and consumption reduction of the unit was realized.

Propylene distillation tower ; Tower pressure; Heat Pump; Condensation; Optimized operation

TQ221

A

1004-0935（2022）02-0216-04

2021-11-08

陳睿（1999-），男，安徽淮南人，助理工程師，2019年畢業(yè)于湖南理工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：輕烯烴回收技術(shù)。