精制劑再生系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

趙國(guó)成,呂儀軍,肖敦峰,李振宇

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

為了保證原料的純度,在很多化工和石化裝置中需配置精制劑裝填的固定床來(lái)脫除原料中的CO、CO2、H2O和O2等小分子雜質(zhì),如氮?dú)獾拿撗豕蕖錃獾拿揅O罐、丙烯和乙烯的脫水罐等。這些精制劑一般在使用一段時(shí)間后,會(huì)對(duì)雜質(zhì)失去精制作用,即出現(xiàn)所謂的“穿透”床層,此時(shí)需要對(duì)床層進(jìn)行再生處理。這些固定床精制劑基本上都設(shè)計(jì)了“一用一備”的雙床層或者帶有旁路的單床層,并配置了再生系統(tǒng),當(dāng)其中一個(gè)床層吸附飽和后進(jìn)行再生,系統(tǒng)切換至另一床層操作或者直接走旁路,以保證不間斷生產(chǎn)。目前,精制劑再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)有開(kāi)路和閉路兩種形式。

1 再生的原理

2 再生的步驟

再生過(guò)程一般有切換、泄壓、置換、加熱、冷卻和升壓等步驟。切換步驟主要是改變閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),使一個(gè)罐處于正常運(yùn)行狀態(tài),而另一罐處于再生狀態(tài);泄壓和升壓步驟的速率控制很關(guān)鍵,一般泄壓和升壓速率都不大于0.3 MPa/min[1];而加熱和冷卻步驟是最主要的兩個(gè)步驟,需在再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)研究。

3 再生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 再生氣的選擇

再生氣一般要具有易獲得、廉價(jià)、惰性、環(huán)保等特點(diǎn),原料氣、工藝廢氣、氮?dú)獾榷伎梢宰鳛樵偕鷼?不過(guò)目前裝置中普遍采用氮?dú)庾鳛樵偕鷼?以下論述的再生氣均按氮?dú)饪紤]。

3.2 再生溫度的選擇

根據(jù)再生過(guò)程的原理,理論上來(lái)說(shuō),再生溫度肯定是越高越好,因?yàn)闇囟雀哂欣诿摳?。但?溫度高意味著裝置的能耗高,設(shè)計(jì)時(shí)不宜任意提高再生氣的溫度。再生溫度常根據(jù)精制劑特性確定,一般是確定進(jìn)入床層的再生氣入口溫度來(lái)控制再生溫度。對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)參與的第一種再生過(guò)程,再生氣的入口溫度取決于反應(yīng)溫度,通常取反應(yīng)溫度加上床層熱損失溫度。對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)參與的第二種再生過(guò)程,再生氣的入口溫度取決于脫雜質(zhì)的深度,脫雜質(zhì)程度越深,就要求入口溫度越高。對(duì)于用于脫水的分子篩,該溫度不能超過(guò)315 ℃[1],溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致分子篩燒結(jié),從而縮短其使用壽命。

3.3 再生系統(tǒng)壓力選擇

再生系統(tǒng)的壓力常根據(jù)再生氣來(lái)源的壓力、再生氣的去向、系統(tǒng)的阻力降等綜合確定,在滿足上述要求的前提下盡量選擇低壓,因?yàn)榈蛪河欣诿摳健?/p>

3.4 再生氮?dú)饬髁康拇_定

因?yàn)樵偕^(guò)程的加熱步驟和冷卻步驟都需要氮?dú)?所以應(yīng)分別計(jì)算再生加熱氣的流量和再生冷卻氣的流量。確定加熱氣的加熱目標(biāo)溫度和冷卻器的冷卻目標(biāo)溫度后,對(duì)整個(gè)床層(包括精制罐、精制劑、瓷球、附件等)進(jìn)行熱量衡算,分別計(jì)算出加熱步驟需要的熱負(fù)荷和冷卻步驟需要的熱負(fù)荷Q,以及每千克再生氣給出或帶走的熱量q,并根據(jù)初步確定的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間t,從而得到再生氣的流量m=Q/t/q;初步確定時(shí),加熱時(shí)間宜為總再生時(shí)間的1/2～5/8,冷卻時(shí)間少于加熱時(shí)間。通常加熱氮?dú)饬亢屠鋮s氮?dú)饬坎幌嗟?但是考慮到氣量的波動(dòng)不但會(huì)對(duì)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行造成影響,且對(duì)再生系統(tǒng)設(shè)備選型造成不便,設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)通過(guò)調(diào)整加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間的方式使加熱氮?dú)饬亢屠鋮s氮?dú)饬肯嗟取?/p>

如果裝置內(nèi)有幾個(gè)床層都需要再生,一般是考慮在生產(chǎn)過(guò)程中讓這幾個(gè)床層的再生過(guò)程不同時(shí)進(jìn)行,再生氮?dú)獾牧咳∵@幾個(gè)床層再生量的最大值。反之,幾個(gè)床層同時(shí)再生時(shí)所需的氮?dú)饬繎?yīng)疊加,導(dǎo)致再生氮?dú)饬匡@著增加,不但會(huì)使再生系統(tǒng)的設(shè)備投資大大增加,也會(huì)使上游供氮設(shè)施能力增大。

3.5 加熱方式的選擇

再生氮?dú)饧訜崞魇窃偕到y(tǒng)中的核心設(shè)備,其主要有熱載體加熱、加熱爐加熱和電加熱三種加熱方式。對(duì)于大型連續(xù)加熱的流程,加熱爐加熱有明顯優(yōu)勢(shì),而對(duì)中小型或非連續(xù)的流程,電加熱和熱載體加熱有優(yōu)勢(shì)[2],因而電加熱器目前被廣泛采用。電加熱器通常是由幾組熱電阻組合構(gòu)成的加熱元件,這些加熱元件能做到可控硅調(diào)功,可以方便實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié),而且能使溫度偏差控制在±1 ℃。由于再生過(guò)程中每一個(gè)步驟需要的溫度可能會(huì)不同,特別是當(dāng)有幾個(gè)精制床層需要再生時(shí),每一個(gè)床層再生溫度可能都不相同,所以溫度可以方便且精確地調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

3.6 開(kāi)路形式和閉路形式的選擇

3.6.1開(kāi)路形式

開(kāi)路形式配置較簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖1)。在加熱步驟中,再生氣經(jīng)過(guò)加熱器升溫到再生溫度后進(jìn)入床層,出床層后直接排向大氣或火炬(有可燃?xì)怏w時(shí));冷卻步驟中,加熱器停止工作,再生氣進(jìn)入床層進(jìn)行冷卻,出床層后直接排向大氣或火炬。所以采用開(kāi)路系統(tǒng)時(shí),需要連續(xù)不斷的新鮮再生氣供應(yīng),為了節(jié)省再生氣的消耗量,常在排大氣或火炬管線前增加限流孔板,限制排放氣的排放速率。當(dāng)再生氣排向大氣時(shí),常在管線末端增加消音器,以減少噪音污染。

圖1 開(kāi)路形式

3.6.2閉路形式

閉路形式除需配置加熱器外,還需配置冷卻器、分離罐、鼓風(fēng)機(jī)等(見(jiàn)圖2):加熱步驟中,再生氣經(jīng)過(guò)加熱器升溫到再生溫度后進(jìn)入床層,出床層后,其中小部分排向大氣或火炬以保持再生氮?dú)獾募兌?大部分依次經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻降溫、分離罐分離顆粒和冷卻后的游離水、鼓風(fēng)機(jī)升壓以補(bǔ)充再生氣在系統(tǒng)中流動(dòng)的壓損,從而進(jìn)行循環(huán)利用,同時(shí)需再補(bǔ)充新鮮再生氣以彌補(bǔ)排向大氣或火炬的小部分再生氣的流量損失。這樣,每次再生循環(huán)都有大部分再生氣被回收利用,從而節(jié)省了再生氣的消耗。

圖2 閉路形式

3.6.3開(kāi)路形式和閉路形式經(jīng)濟(jì)性比較

本文以公稱(chēng)能力為50萬(wàn)t/a HDPE裝置為例,有乙烯、己烯、ICA、氮?dú)獾?個(gè)精制罐床層需要再生,再生氮?dú)馄骄髁繛? 000 Nm3/h,每個(gè)床層間隔2個(gè)月再生一次,全年再生次數(shù)為36次,每次再生時(shí)間48 h。以下對(duì)開(kāi)路形式和閉路形式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。

(1)若采用開(kāi)式系統(tǒng),無(wú)需額外增加投資,每年氮?dú)庀牡某杀緸?55.5萬(wàn)元。

(2)若采用閉式系統(tǒng),需要在開(kāi)式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加鼓風(fēng)機(jī)、冷卻器、分離罐等設(shè)備,投資增加約90萬(wàn)元。與開(kāi)式系統(tǒng)比較,新增冷卻器的循環(huán)水消耗和鼓風(fēng)機(jī)的電消耗,按照最低可以回收70%的再生氮?dú)饬靠紤],則再生氮?dú)馄骄髁繛?00 Nm3/h,其成本見(jiàn)表1。

表1 采用閉式系統(tǒng)增加的成本

再生時(shí)閉式系統(tǒng)總成本為309元/h,則年總成本為53.4萬(wàn)元,比開(kāi)式系統(tǒng)每年節(jié)省成本約100萬(wàn)元,所以增加的90萬(wàn)元投資不到一年即可收回成本。

所以,從投資和生產(chǎn)成本綜合比較,閉路形式的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于開(kāi)式系統(tǒng)。

3.6.4形式選擇考慮因素

(1)再生氣的總消耗量。取決于再生氮?dú)庀牧亢驮偕鷷r(shí)間這兩個(gè)因素;如果再生消耗量小或再生時(shí)間短,選擇使用開(kāi)路形式為宜。

(2)再生周期。如果精制劑的再生周期很長(zhǎng),再生系統(tǒng)使用的頻率比較低,一般會(huì)選擇開(kāi)路形式。

(3)工廠的制氮能力。如果工廠的制氮能力很大,氮?dú)饨?jīng)常富余,且富余量大于再生期間氮?dú)庀牡姆逯盗?選擇開(kāi)路形式為宜。一般情況下,煤化工企業(yè)由于配備了大型的空分裝置,氮?dú)飧挥嗔亢艽?都選擇采用開(kāi)路形式。而石油化工企業(yè)氮?dú)饬肯鄬?duì)不富余,會(huì)選擇采用閉路形式。

(4)經(jīng)濟(jì)性。由上述計(jì)算可知,采用開(kāi)路系統(tǒng)需配置的設(shè)備和管道較少,所以工程建設(shè)費(fèi)用低,但是再生過(guò)程會(huì)有連續(xù)不斷的新鮮再生氣排掉,從而使生產(chǎn)成本升高,而采用閉路系統(tǒng)正好相反。一般情況下,閉路形式的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于開(kāi)路形式。

至于最終選擇什么樣的再生形式,需要在工程設(shè)計(jì)階段綜合考慮并進(jìn)行比較,找到建設(shè)和投資的最佳平衡點(diǎn)。

4 結(jié)論

在精制劑再生系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)時(shí),需要進(jìn)行再生氣的氣源、溫度、壓力、流量、設(shè)備選型、開(kāi)路形式或閉路形式的選擇。而開(kāi)路形式還是閉路形式的選擇又是最關(guān)鍵的,因?yàn)樗P(guān)系到再生系統(tǒng)的配置、后期的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本甚至工廠的空分裝置的設(shè)備選型等,所以應(yīng)在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)前期階段就綜合考慮各方因素確定采用開(kāi)路形式還是閉路形式。