對(duì)二甲苯裝置實(shí)現(xiàn)芳烴資源最大化利用的改造策略

周 彬

(中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

國(guó)內(nèi)外新能源的快速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)燃料型煉油廠業(yè)務(wù)造成較大的沖擊。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù)計(jì)發(fā)展中國(guó)家電動(dòng)車(chē)的普及和燃油車(chē)能效提高,將促使2030年前其交通用油達(dá)峰[1]。而相應(yīng)的市場(chǎng)對(duì)化工原料需求卻在不斷增長(zhǎng),其中對(duì)二甲苯、苯等芳烴產(chǎn)品仍呈現(xiàn)供小于求的局面,我國(guó)純苯進(jìn)口依存度不降反升,從2019—2020年的11.6%增加至2021年的14.1%,對(duì)二甲苯2021年的進(jìn)口依存度為39%[2],說(shuō)明增產(chǎn)芳烴仍是煉化一體化企業(yè)的優(yōu)化方向之一。

對(duì)二甲苯裝置作為連續(xù)催化重整裝置的下游裝置和聚酯產(chǎn)品的原料生產(chǎn)裝置,成為了煉化一體化原油加工方案的核心裝置之一。以某煉化企業(yè)595 kt/a對(duì)二甲苯裝置的改造項(xiàng)目為例,綜合分析探討催化劑功能類(lèi)型、工藝流程設(shè)置、低溫?zé)崂玫葘?duì)裝置資源利用率及效益發(fā)揮的作用,為煉油廠進(jìn)一步深化“油轉(zhuǎn)化”提供參考。

1 裝置簡(jiǎn)介

某煉化企業(yè)595 kt/a對(duì)二甲苯裝置采用進(jìn)口的吸附分離技術(shù),由洛陽(yáng)工程公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì),于2003年首次開(kāi)工投產(chǎn)。該裝置以重整裝置生產(chǎn)的C7+重整生成油及歧化裝置生產(chǎn)的混合二甲苯為原料,生產(chǎn)對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等芳烴產(chǎn)品,該裝置包括二甲苯分離、對(duì)二甲苯吸附分離、二甲苯異構(gòu)化3個(gè)工藝單元。

2022年8月該對(duì)二甲苯裝置進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化工藝改造,其中吸附分離單元改用中石化自主開(kāi)發(fā)的新一代芳烴成套技術(shù),于2022年12月12日裝置一次開(kāi)車(chē)成功。

規(guī)劃大修改造項(xiàng)目,主要涉及到吸附劑和異構(gòu)化催化劑的更換、最大化芳烴資源利用的適應(yīng)性改造以及節(jié)能降耗的低溫?zé)峋C合利用等內(nèi)容。

2 裝置問(wèn)題分析

隨著某煉化企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)大及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,副產(chǎn)的芳烴資源同步增加,其中包括大于400 kt/a的混合二甲苯、大于300 kt/a的甲苯等資源暫無(wú)出路,只能用于調(diào)合汽油,不僅影響汽油質(zhì)量升級(jí),還會(huì)造成效益的損失。而該煉油廠對(duì)二甲苯裝置于2012年經(jīng)過(guò)一輪大的改造,至2022年已運(yùn)行10年,也難以滿(mǎn)足“油轉(zhuǎn)化”的需要,該裝置主要存在以下問(wèn)題。

2.1 催化劑性能不匹配

催化劑體系包含進(jìn)口的吸附劑和乙苯轉(zhuǎn)化型異構(gòu)化催化劑,已運(yùn)行近十年,初末期的運(yùn)行參數(shù)及性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2。從表1和表2可見(jiàn),對(duì)二甲苯收率和對(duì)二甲苯產(chǎn)量到末期時(shí)大幅降低,說(shuō)明使用的催化劑性能明顯下降,已經(jīng)到壽命末期,需要更換。

在催化劑壽命末期通過(guò)降低對(duì)二甲苯產(chǎn)品收率的方式,確保產(chǎn)品純度達(dá)標(biāo),末期的裝置物料平衡情況如表3所示。從表3可見(jiàn),副產(chǎn)的高芳烴汽油產(chǎn)量較大,嚴(yán)重制約了“油轉(zhuǎn)化”的優(yōu)化進(jìn)程。

表1 吸附分離單元運(yùn)行工況

表2 上周期異構(gòu)化催化劑性能

表3 催化劑壽命末期對(duì)二甲苯裝置物料平衡數(shù)據(jù) w,%

2.2 副產(chǎn)輕烴的利用率低

該裝置副產(chǎn)不凝氣約1 000 m3/h,組成見(jiàn)表4。從表4可見(jiàn),不凝氣中C2+組分含量高,回收價(jià)值高,卻因直接放空而未得到有效的回收利用。

副產(chǎn)的輕烴約為9.5 t/h,其組成見(jiàn)表5。從表5可見(jiàn),輕烴中苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.56%、總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為19%,不適宜用于調(diào)合汽油或作為乙烯生產(chǎn)原料,普遍作為重整料在大芳烴流程中循環(huán),造成產(chǎn)品的整體利用率偏低,單位產(chǎn)品的能耗偏高。

表4 異構(gòu)化副產(chǎn)不凝氣組成 w,%

表5 異構(gòu)化副產(chǎn)輕烴組成 w,%

2.3 裝置運(yùn)行能耗高

該裝置受限于吸附劑和異構(gòu)化催化劑的性能衰減,大量的混苯中間物料在整個(gè)大芳烴加工流程中循環(huán),精餾塔負(fù)荷居高不下,造成燃料氣消耗偏高。同時(shí)塔頂冷凝器交換低溫余熱因品位較低(80～150 ℃),難以在裝置內(nèi)部得到利用,只能采用空氣冷卻器或水冷卻器冷卻[3],裝置運(yùn)行能耗見(jiàn)表6。從表6可見(jiàn),按對(duì)二甲苯+鄰二甲苯目的產(chǎn)品進(jìn)行能耗攤銷(xiāo)后,整體能耗仍偏高。

表6 裝置能耗

3 改造效果

3.1 異構(gòu)化催化劑選擇

該裝置換劑主要針對(duì)吸附劑和異構(gòu)化催化劑,其中新吸附劑的選擇仍以提高吸附分離效率為主要考慮因素,本次選用中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司開(kāi)發(fā)的RAX系列吸附劑,吸附劑改造前后的工況對(duì)比見(jiàn)表7。從表7可見(jiàn),換劑后可有效減少整個(gè)大芳烴加工流程中循環(huán)的芳烴物料。

表7 改造前后吸附分離單元運(yùn)行工況對(duì)比

在異構(gòu)化催化劑的選擇方面,該裝置原為進(jìn)口的乙苯轉(zhuǎn)化型,此次壽命到期,新劑選用活性更高、工況適應(yīng)能力更強(qiáng),更加匹配該公司未來(lái)發(fā)展規(guī)劃的脫乙基型異構(gòu)化催化劑[4]。同時(shí)國(guó)產(chǎn)脫乙基型異構(gòu)化催化劑的研發(fā)及工業(yè)化[5-6]已取得了優(yōu)異的成績(jī),成為此次更換催化劑的選擇,可有效增加反應(yīng)產(chǎn)物中對(duì)二甲苯的含量,提高吸附分離的效率,異構(gòu)化催化劑更換前后的性能指標(biāo)見(jiàn)表8。

表8 改造前后異構(gòu)化催化劑性能對(duì)比

從表8可見(jiàn),脫乙基型異構(gòu)化催化劑相比乙苯轉(zhuǎn)化型異構(gòu)化催化劑有更高的乙苯轉(zhuǎn)化率,有效降低了反應(yīng)產(chǎn)物中乙苯含量,對(duì)二甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了超過(guò)2百分點(diǎn),效果顯著。與此同時(shí),采用新劑時(shí)有更低的芳環(huán)損失,對(duì)提高芳烴資源利用率也起到了更為積極的作用。

3.2 副產(chǎn)品的利用策略

由于異構(gòu)化催化劑的選擇不同,裝置改造前后的輕烴和副產(chǎn)的氣體在量以及組成方面均有較大的不同,改造前后的物料平衡情況見(jiàn)表9,改造前后的輕烴和副產(chǎn)的氣體組成對(duì)比分別見(jiàn)表10和表11。

表9 改造前后物料平衡對(duì)比

表10 改造前后副產(chǎn)輕烴組成對(duì)比 w,%

從表9可見(jiàn),由于脫乙基型異構(gòu)化催化劑具有更高的乙苯轉(zhuǎn)化率,輕烴產(chǎn)品和副產(chǎn)的干氣收率明顯高于改造前的工況,而對(duì)二甲苯+鄰二甲苯的收率有所降低;但受益于該劑更低的芳環(huán)損失以及乙苯轉(zhuǎn)化過(guò)程的高選擇性,獲得的輕烴油富含苯,干氣中則富含乙烷,使產(chǎn)出價(jià)值得以提升。

表11 改造前后副產(chǎn)干氣組成對(duì)比 x,%

從表10和表11可見(jiàn),輕烴產(chǎn)品中苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到82.2%,且非芳烴含量極低,通過(guò)芳烴抽提裝置已得到合格的苯產(chǎn)品,可直接作為下游化工裝置的優(yōu)質(zhì)原料,減少苯資源的外采量。干氣產(chǎn)品中乙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.65%,乙烷+丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到79.85%,送蒸汽裂解制乙烯裝置作原料,推進(jìn)乙烯原料的輕質(zhì)化,顯著提高了整體芳烴資源的利用率。

3.3 節(jié)能降耗措施

對(duì)二甲苯裝置作為“燃料氣大戶(hù)”,其燃料氣消耗量的降低以及整體熱量的高效利用對(duì)全廠節(jié)能降耗起到非常顯著的作用。此次換劑在吸附分離處理能力以及異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化效率方面已經(jīng)有了明顯的提高,有效減少了中間物料在整個(gè)大芳烴加工流程中的循環(huán),燃料氣的單耗顯著下降,改造前后的能耗對(duì)比見(jiàn)表12。

表12 裝置改造前后能耗對(duì)比

從表12可見(jiàn),隨著對(duì)二甲苯產(chǎn)能的進(jìn)一步提高,燃料氣的總消耗量仍然較大,裝置低溫?zé)豳Y源非常豐富,通過(guò)提高操作塔壓等手段[7],熱媒水取熱可控制不小于140 ℃的較高溫位,裝置自身無(wú)法全部利用,需擴(kuò)大至全廠范圍內(nèi)尋找熱阱。如本次改造通過(guò)對(duì)二甲苯裝置與蒸汽裂解制乙烯裝置、動(dòng)力中心和2套裂解C5分離裝置進(jìn)行熱聯(lián)合,降低中低壓蒸汽的消耗量,達(dá)到節(jié)能目的。

目前低溫?zé)崧?lián)合僅投用1套裂解C5分離裝置,供熱量未完全利用,待全部熱聯(lián)合投產(chǎn)后預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)輸出熱量1 800 TJ/a,進(jìn)一步降低總體能耗。

4 結(jié) 論

(1)進(jìn)行了對(duì)二甲苯裝置換劑適應(yīng)性改造,把裝置異構(gòu)化路線從乙苯轉(zhuǎn)化型改為脫乙基型,對(duì)煉化一體化企業(yè)而言,在減少芳烴損失的同時(shí)將芳烴資源最大化轉(zhuǎn)化為對(duì)二甲苯和苯,提高芳烴資源利用率,同時(shí)回收副產(chǎn)的富乙烷氣體作為高附加值的蒸汽裂解制乙烯原料,可實(shí)現(xiàn)效益最大化。

(2)對(duì)二甲苯裝置低溫?zé)豳Y源極其豐富,在低溫?zé)崂弥胁荒苤恢塾谘b置內(nèi)部?jī)?yōu)化,而是擴(kuò)大到全廠范圍內(nèi)進(jìn)行不同區(qū)域、板塊之間的熱聯(lián)合,為一體化煉油廠低溫?zé)崂锰峁┙梃b思路。