大型煤化工項目烯烴分離工藝技術(shù)分析

王旭(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

烯烴作為化工產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵原料，其分離工藝技術(shù)及供需結(jié)構(gòu)能夠直接對化工產(chǎn)業(yè)造成影響，故在產(chǎn)業(yè)發(fā)展期間，應(yīng)不斷改進(jìn)優(yōu)化烯烴分離工藝技術(shù)，盡可能降低工藝能耗與成本，提升工藝綜合效益。UOP公司、Wison惠生公司、Lummus魯瑪斯公司、洛陽石化、KBR公司是煤化工烯烴分離工藝技術(shù)的主要專利商，在研究分析烯烴分離工藝技術(shù)時，應(yīng)做好不同專利商的技術(shù)對比，以此了解不同技術(shù)工藝效果。

1 現(xiàn)階段常見的煤化工烯烴分離工藝技術(shù)

1.1 甲醇制烯烴前脫乙烷技術(shù)

UOP公司采用甲醇制烯烴前脫乙烷工藝，該工藝技術(shù)以前脫乙烷流程為基礎(chǔ)進(jìn)行了調(diào)整，在一定程度上縮減了進(jìn)料量，相較于常規(guī)裂解生產(chǎn)乙烯裝置，UOP公司的工藝技術(shù)提高了脫甲烷塔內(nèi)的乙烯含量，并將塔頂溫度控制在-45 ℃以上，塔頂溫度調(diào)整后無需使用乙烯冷劑。甲醇制烯烴前脫乙烷技術(shù)為實(shí)現(xiàn)乙烯回收，將塔頂氣體輸入至變壓吸附設(shè)施，在分離乙烯、氫、甲烷的同時，將回收完畢的乙烯轉(zhuǎn)移到出口物料內(nèi)，通過該方法，能夠?qū)崿F(xiàn)摩爾含量為99.5%的乙烯回收率。此外，該項工藝技術(shù)存在一定缺陷，有15%的進(jìn)料乙烯存在于塔頂出料內(nèi)，需進(jìn)一步借助變壓吸附裝置將該部分乙烯吸附脫吸，后將氣體轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)進(jìn)口處，而該操作提升了工序負(fù)荷。除上述問題后，UOP烯烴分離工藝融到了PSA變壓吸附技術(shù)，該技術(shù)屬于新型氣體分離技術(shù)，現(xiàn)階段尚未完善，存在維護(hù)量大、程序繁瑣等問題。

1.2 魯瑪斯公司前脫丙烷技術(shù)

Lummus魯瑪斯公司所開發(fā)的烯烴分離工藝流程主要為“前脫丙烷后加氫”與“丙烷洗技術(shù)”，將水洗與堿洗塔設(shè)置在壓縮機(jī)二段出口處，可用于去除雜質(zhì)，還可二氧化碳中的氣相物料干燥處理，并將二氧化碳內(nèi)的液相物料進(jìn)行三段壓縮處理，使干燥處理后的氣相物料與三段壓縮后的液相物料分別進(jìn)入高壓脫丙烷塔與低壓脫丙烷塔。精餾塔底含有丙烷，可起到?jīng)_洗塔頂物料的作用，繼而提升乙烯回收率。此外，乙烯可從精餾塔側(cè)線產(chǎn)出，該方式可在一定程度上提升乙烯純度，而丙烯則單獨(dú)設(shè)置保護(hù)床，用于把控丙烯質(zhì)量。

1.3 預(yù)切割+油吸收烯烴分離技術(shù)

Wison惠生公司所開發(fā)的烯烴分離工藝以“預(yù)切割+油吸收”為核心，其借助預(yù)切割塔，將C1與C2、C3分離，而甲烷、氫氣及部分C2在脫甲烷塔內(nèi)被丙烷吸收，以此完成了C2、C3與其他氣體分離，后C2、C3回到預(yù)切割塔再次分離[1]。而另一部分C2與C1混合，其進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到油吸收塔內(nèi)，其中含有吸收劑，

在吸收劑作用下可良好分離C1與C2，以此完成了烯烴分離工作。該烯烴分離工藝無需應(yīng)用壓縮機(jī)，設(shè)備要求相對較低，并可將氫氣、甲烷等氣體良好脫除，烯烴分離效果較好。

1.4 前脫乙烷后加氫工藝技術(shù)

在傳統(tǒng)的前脫乙烷工藝流程基礎(chǔ)上，洛陽石化進(jìn)一步改進(jìn)，增加了后加氫工藝，其中包含中冷分離技術(shù)構(gòu)建了雙塔脫甲烷結(jié)構(gòu)，運(yùn)用丙烯中冷在第一脫甲烷塔內(nèi)完成首次分離，完成一段壓縮的產(chǎn)品氣體進(jìn)入第二脫甲烷塔，后采用節(jié)流膨脹制冷方式完成乙烯回收，后進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)。在工藝技術(shù)中，主要應(yīng)用到的設(shè)備裝置為丙烯制冷壓縮機(jī)，但從流程上來看，該工藝技術(shù)雖在一定程度上簡化了傳統(tǒng)流程，但總體而言工藝流程仍相對復(fù)雜。

1.5 KBR烯烴前脫丙烷洗技術(shù)

KBR公司所開發(fā)的烯烴前脫丙烷洗工藝仍沿用傳統(tǒng)流程，但優(yōu)化了裝置選型，并通過一定流程配置均衡了投資成本與能耗指標(biāo)。

2 煤化工烯烴分離工藝技術(shù)對比分析

衡量煤化工烯烴分離工藝技術(shù)優(yōu)劣的主要指標(biāo)為試劑消耗、運(yùn)行消耗、產(chǎn)品回收率，故將其定為對比指標(biāo)。在上述提到的烯烴分離工藝技術(shù)中，Lummus魯瑪斯公司、Wison惠生公司、KBR公司所開發(fā)的工藝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，且受到條件限制，故僅將上述三家公司的工藝技術(shù)作為對比分析的研究對象。

2.1 試劑消耗對比

烯烴分離工藝的目的在于分離烯烴，降低乙烯內(nèi)的乙炔組分含量，以此確保烯烴產(chǎn)品的可用性，而在此期間，需運(yùn)用乙炔加氫催化劑。此外，為分離出系烯烴內(nèi)的液相物料與氣相物料，需借助干燥劑脫除水分，防止加壓低溫分離期間部分組分轉(zhuǎn)化為冰或水合物，繼而堵塞管道，對烯烴工藝造成負(fù)面影響。在本次工藝技術(shù)試劑消耗對比中，對三家公司在3～5年內(nèi)的干燥劑、催化劑消耗用量進(jìn)行分析，所得對比結(jié)果如表1所示。

表1 3～5年內(nèi)的干燥劑、催化劑消耗用量對比

根據(jù)表1可見，Lummus魯瑪斯公司在干燥劑耗用量方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢，其中Wison惠生公司在3～5年內(nèi)的干燥劑耗用量最高，為270 m3；Wison惠生公司與KBR公司烯烴分離工藝的催化劑耗用量較低，為Lummus魯瑪斯公司催化劑耗用量的50%。

2.2 運(yùn)行消耗對比

在烯烴分離工藝技術(shù)運(yùn)行期間，需產(chǎn)生蒸汽消耗、電消耗、循環(huán)冷卻水消耗，該類公用工程耗用量可直接影響工藝技術(shù)的運(yùn)行成本及綜合效益，此外，公用工程耗用量與設(shè)備規(guī)模之間為正比，即耗用量越高，則設(shè)備尺寸越大，而公用工程設(shè)備成本與性能之間存在指數(shù)冪關(guān)系，當(dāng)設(shè)備性能達(dá)到某限值時，其費(fèi)用成本將會大幅上升，在此情況下，公用工程費(fèi)用成本的增加則會縮減烯烴分離工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，對于烯烴分離工藝技術(shù)而言，公用工程運(yùn)行消耗量關(guān)乎工藝技術(shù)效益，運(yùn)行消耗越低則經(jīng)濟(jì)效益越高。對Lummus魯瑪斯公司、Wison惠生公司、KBR公司的烯烴分離工藝運(yùn)行消耗進(jìn)行對比，其結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2可見，Lummus魯瑪斯公司烯烴分離工藝技術(shù)運(yùn)行消耗量最低，KBR公司工藝運(yùn)行消耗相對較高。產(chǎn)生上述差異的原因在于烯烴分離工藝流程不同，但整體而言相差不大，且結(jié)合已投產(chǎn)工藝運(yùn)行反饋結(jié)果來看，三種工藝均可對綜合能耗進(jìn)行良好控制，繼而保障工藝經(jīng)濟(jì)效益。

表2 烯烴分離工藝運(yùn)行消耗對比

2.3 產(chǎn)品回收率對比

回收率指標(biāo)可用于衡量工藝技術(shù)綜合效益，反映生產(chǎn)要求的實(shí)現(xiàn)程度，且可決定工藝技術(shù)的最終綜合效益，故在工藝優(yōu)劣對比中，多將產(chǎn)品回收率作為重要指標(biāo)之一。從工藝技術(shù)角度來看，油吸收塔與甲烷塔內(nèi)存在乙烯損失情況，而C4 產(chǎn)品內(nèi)存在丙烯損失，以此影響了工藝技術(shù)的產(chǎn)品回收率。對三家公司的產(chǎn)品回收率進(jìn)行對比(如表3所示)，發(fā)現(xiàn)三家公司的工藝技術(shù)產(chǎn)品回收率差別不大，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 產(chǎn)品回收率對比

3 煤化工烯烴分離工藝路線優(yōu)化

根據(jù)上述工藝分析對比可見，Lummus魯瑪斯公司、Wison惠生公司、KBR公司的烯烴分離技術(shù)工藝各有優(yōu)缺，為確保其工藝技術(shù)更符合大型煤化工產(chǎn)品，應(yīng)對工藝產(chǎn)品中的二氧化碳、醛、酮等雜質(zhì)進(jìn)行脫除，以此提高烯烴分離質(zhì)量，并減少能耗。此外，需對工藝流程進(jìn)行精簡優(yōu)化，用于降低設(shè)備費(fèi)用，繼而保障工藝技術(shù)綜合效益。

3.1 凝液汽提路線

在當(dāng)前的前脫乙烷烯烴分離流程基礎(chǔ)上，則增設(shè)凝液汽提路線，并加入氣相干燥技術(shù)，用于去除烯烴分離工藝過程中的二氧化碳與氧化物，同時加設(shè)凝液汽提塔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品完成三段壓縮后轉(zhuǎn)移到吸入罐內(nèi)冷凝，而氣相物料經(jīng)干燥處理后進(jìn)一步被轉(zhuǎn)移到脫丙烷塔結(jié)構(gòu)內(nèi)。此外，烴類凝液則將進(jìn)入凝液汽提塔結(jié)構(gòu)，完成汽提處理后，其將從塔頂進(jìn)入產(chǎn)品氣壓縮機(jī)，而液相物料則被聚結(jié)器去除水分，完成水分脫離后，則會轉(zhuǎn)移到脫丁烷塔完成后續(xù)分離工作。添加凝液汽提路線后的烯烴分離工藝技術(shù)無需液相干燥系統(tǒng)，且避免了重?zé)N在分離工藝系統(tǒng)內(nèi)的不斷累積，使重?zé)N無法在工藝系統(tǒng)內(nèi)長時間停留，以此防止了系統(tǒng)結(jié)焦問題，并在一定程度上減少了工藝技術(shù)綜合能耗，并降低原料消耗量。除此之外，增設(shè)凝液汽提塔后，極大降低了烯烴分離工藝脫丙烷塔結(jié)構(gòu)中的易聚合組分含量，故僅需一臺脫丙烷塔即可滿足烯烴分離要求，故減少了工藝技術(shù)設(shè)備投資。根據(jù)原有的工藝流程路線來看，發(fā)現(xiàn)液相干燥器存在切換復(fù)雜、處理量大、物料浪費(fèi)、勞動量大等弊端，而該次增設(shè)凝液汽提路線的工藝改進(jìn)辦法無需設(shè)置液體干燥器，由此可見，采用該改進(jìn)方式優(yōu)化工藝技術(shù)后可減輕勞動強(qiáng)度，避免物料浪費(fèi)，具有較強(qiáng)應(yīng)用價值，且在實(shí)際產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，某大型煤化工項目現(xiàn)已采用了增設(shè)凝液汽提路線的烯烴分離工藝技術(shù)，運(yùn)行狀況良好，符合預(yù)期效果[2]。

3.2 混合洗劑

現(xiàn)階段常用的烯烴分離工藝大部分建立在前脫丙烷流程基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝技術(shù)，可借助分離裝置引出物料，于脫甲烷塔內(nèi)進(jìn)行冷卻處理，后將其視為混合油吸收劑，用于取代現(xiàn)已流程內(nèi)氣相乙烯[3]。通常情況下，油吸收劑由大量丙烯、乙烯及少量乙烷、丙烷、氫、甲烷、微量C4構(gòu)成，按照相似相原理來看，乙烷、丙烷、丙烯微量C4可用作油吸收劑，借助油吸收劑減少吸收劑內(nèi)丙烷用量。此外，由上述組分構(gòu)成的油吸收劑可在完成脫甲烷塔吸收工序后，與C2以上組分相溶，后續(xù)混合流入脫乙烷塔內(nèi)完成分離，該混合組分無需在分離系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步循環(huán)，跳出了現(xiàn)有工藝技術(shù)丙烷洗液循環(huán)的局面，繼而大幅縮減了烯烴分離工藝的丙烷洗液循環(huán)量與消耗量。在此系統(tǒng)流程內(nèi)，產(chǎn)品進(jìn)入壓縮機(jī)前可產(chǎn)生一股物料，以此可減輕四段壓縮設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷，且可降低分離設(shè)備規(guī)格，有效規(guī)避由丙烷洗液循環(huán)帶來的一系列不良問題。當(dāng)烯烴分離工藝處于事故工況下時，C4在油吸收劑內(nèi)的含量有所增加，將會對后續(xù)分離工序造成一定干擾，其無法在分離系統(tǒng)流程內(nèi)完成分離而進(jìn)入下游產(chǎn)品，繼而降低產(chǎn)品質(zhì)量，且會對丙烯精餾塔、脫乙烷塔、脫甲烷塔的氣化效果產(chǎn)生影響。為避免事故工況的發(fā)生，提高烯烴分離工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性，可從脫甲烷塔引出一股物料，該股物料與C4重組分共同進(jìn)入脫丙烷塔，在脫甲烷塔處理下，借助該股物料帶走大部分C4重組分，而小部分C4重組分則與C3、C2共同進(jìn)入分離系統(tǒng)完成脫除，最終C4重組分與丙烷共同轉(zhuǎn)移到燃料氣管網(wǎng)內(nèi)，以此避免了C4重組分無法分離的問題。該優(yōu)化改進(jìn)方式取消了丙烷洗液的循環(huán)，簡化了工藝流程，且操作便捷，規(guī)避了高能耗、高運(yùn)行負(fù)荷問題。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段較為常用的烯烴分離工藝技術(shù)主要為UOP公司的甲醇制烯烴前脫乙烷技術(shù)、Lummus魯瑪斯公司的前脫丙烷技術(shù)、Wison惠生公司的預(yù)切割+油吸收烯烴分離技術(shù)、洛陽石化的前脫乙烷后加氫工藝技術(shù)、KBR公司的烯烴前脫丙烷洗技術(shù)，經(jīng)對比分析后，發(fā)現(xiàn)各工藝技術(shù)各有優(yōu)缺，為進(jìn)一步降低工藝能耗，精簡技術(shù)流程，可從凝液汽提路線、混合洗劑兩個方面進(jìn)行煤化工烯烴分離工藝路線優(yōu)化。