气体分馏装置优化扩产研究

滕娜娜中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油化工总厂, 山东 东营 257000



气体分馏装置优化扩产研究

滕娜娜
中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油化工总厂, 山东 东营 257000

为适应胜利油田石油化工总厂上游装置液化气原料来料的不断增加,提高现有气体分馏装置液化气加工处理能力,在不更新现有设备、保证安全生产的前提下,通过对气体分馏装置的生产操作参数进行分析优化,合理调整工艺流程,解决装置运行过程中影响扩产的“瓶颈”难题,实现了装置加工处理能力由最初设计的10 t/h提高至15.5 t/h,且生产运行平稳,产品质量好、收率高,获得了较好的运行效果和生产效益。

气体分馏;优化;操作参数;扩产

0 前言

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油化工总厂(以下简称“总厂”)8×104t/a气体分馏装置1995年建成投产,以油田轻烃为原料生产正丁烷产品。2003年总厂对气体分馏装置进行改造设计,以总厂生产的催化液化气为原料生产精丙烯产品,改造后的装置加工能力仍为8×104t/a。2004年7月装置改造完成后即投产运行。装置生产平稳,在设计负荷下丙烯产品质量好、收率高。由于属于改造装置,原有各塔的汽液相负荷均较大,回流比较高,因此对利旧的塔板重新核算后,进行了堵孔。利旧设备有较大的加工富裕量。而新增丙烯塔采用高效的ADV方型浮阀塔板,该塔板通量大、效率高,操作弹性大,可适应较高负荷。近年来总厂催化液化气年产量逐步增加至12×104t以上,气体分馏装置随之采取了消除扩产“瓶颈”的措施,并对生产操作参数进行了优化。目前,装置处理能力已达到设计值的1.55倍,且生产运行平稳,产品质量及收率优于总厂要求。

1 气体分馏装置概况

1.1 装置流程

气体分馏装置流程见图1。原料首先进入脱丙烷塔(改造前为异丁烷塔),塔顶馏出的碳二、碳三组份进入脱乙烷塔(改造前为乙烷塔),塔底馏出的碳四、碳五组份进入脱戊烷塔(改造前为正丁烷塔)作为该塔进料。

脱乙烷塔塔顶液相全部打回流,回流罐顶燃料气泄放至重催装置,塔底为碳三组份,进入丙烯塔1(新增)。丙烯塔1顶气相通过大管线进入丙烯塔2(新增)第1层塔板下,丙烯塔2底部液位通过中间回流泵打回丙烯塔1第100层塔板上。丙烯塔2顶产出丙烯,丙烯塔1底产出丙烷。

脱戊烷塔塔顶产出碳四馏份,塔底产出戊烷馏份[1]。

1.2 产品方案

1.3 原料组成

气体分馏装置原料组成见表1。

图1 气体分馏装置流程图

表1 气体分馏装置原料组成

组分含量φ/()乙烷0 1367环丙烷0 0107丙烯33 2421丙烷11 5533异丁烷23 1318正丁烷7 3155丁烯⁃16 5453异丁烯7 5260反⁃2⁃丁烯5 7934顺⁃2⁃丁烯4 3954异戊烷0 0412正戊烷0 0687总戊烯0 2389合计100

2 装置扩产限制因素和消除措施

2.1 装置处理量受上游来料量影响

由于本套装置为改造装置,以原来装置分馏部分的原料缓冲罐作为目前整套装置的进料罐,容积仅18.84 m3,缓冲能力差;上游装置来料量控制方式为液位控制,送料量波动大,且受换碱等操作影响,常出现长时间送料量较小的问题,导致本装置不得不随之降量,而当来料量过大时,超出本装置处理能力的部分又不得不分流至轻烃罐区。不仅使装置处理量随上游装置送料情况多次调整,造成操作不平稳,也限制了装置每天的总处理量。针对此问题,提出将原装置区内闲置的装置进料罐与原料缓冲罐并联使用的措施。具体做法是将装置进料线利用三通一分为二,分别接入两罐罐顶入口,两罐出口管线利用三通合二为一,连至脱丙烷塔进料泵出口管线上。为保证两罐气压平衡,罐顶部气相以管线相连通。实现两罐并联后,缓冲容积可增加至59 m3,缓冲能力大增。2009年12月投入使用后,装置处理量能保持在最大负荷状态下,未再受上游装置影响。

2.2 脱丙烷塔进料泵不上量

装置在运行过程中,存在脱丙烷塔进料泵输送量随气温变化的现象,在夏季突降大雨时或秋冬季节,该泵最大流量仅8 t/h左右。经分析得知出现该现象是由于原料为常温,受气温影响时其温度远低于设计温度40 ℃,最低时不足10 ℃,导致进料缓冲罐内实际工作压力最低仅0.5～0.6 MPa,泵吸入口压力低于设计值,导致泵不上量。针对此问题,将装置进料罐及原料缓冲罐顶的气相连通线与脱丙烷塔回流罐顶气相相连并设增压控制阀引入DCS,在DCS上通过设定缓冲罐顶压力来控制脱丙烷塔回流罐内气相进入两罐的量,由此来提高两罐压力并保持稳定。由于脱丙烷塔回流罐操作压力达1.7 MPa左右,且主要为碳三混合物,因此改造后脱丙烷塔回流罐压力及装置原料组分没有明显变化。该措施实施后,脱丙烷塔进料泵长期稳定在流量15.5 t/h的状态工作。

2.3 丙烯塔回流温度不稳定

丙烯塔在设计上使用热旁路压力控制方案,塔顶冷凝器仅有循环水的上水手阀。通过调节经热旁路进入回流罐气相量的大小来调节塔与回流罐之间的压差。压差增大时,冷凝器中的液面降低,冷凝器冷却面积扩大,提高了塔顶馏出汽相冷凝量,降低了塔的操作压力。压差减小时,冷凝器中液面升高,冷凝面积减小,又减小了塔顶馏出气相的冷凝量,增大了塔的压力,以此实现了对塔顶操作压力的控制。但由于冷凝器内循环水量不可调,而公用系统循环水的水温和水压变化较快,使得塔顶回流温度变化超过6 ℃。根据丙烯塔控制方案,回流量为流量自控,在进料量不变的情况下基本不变,丙烯产品的流量由丙烯塔回流罐液位控制,因而回流温度的变化对丙烯流量有较大影响,进而影响丙烯塔的操作回流比[2]，计算过程如下:

当回流过冷时,离开顶塔板的蒸汽量就比进入的要少,其差值与回流的显热有关:

Vn-1-Vn=L(TV-TL)Cp/Hv

(1)

式中:Vn-1为进入顶塔板的蒸汽量,kg;Vn为塔顶蒸汽量,kg;L为回流量,kg;TV为泡点温度,℃;TL为回流温度,℃;Cp为回流比热容,kJ/(kg·℃);Hv为汽化潜热,kJ/kg。

因为用丙烯流量D来控制回流罐液位,所以回流温度降低所引起的塔顶气相流量的减少便全部通过冷凝器加在丙烯流量上。

将式(1)对回流温度微分后两边分别除以D即可得到丙烯流量的相对变化:

(2)

2.4 丙烯塔回流管线涂刷保温隔热胶

丙烯塔回流管线为裸线,管线长度约80m。由于本套装置处于我国北方,冬季气候寒冷,造成冬季丙烯塔回流入塔温度明显低于冷凝器冷后温度。而提高冷凝器冷后温度又会造成塔顶馏出的气相不能完全被冷凝,塔顶压力过高[3]。回流温度过低,造成该塔操作回流比下降,严重影响了丙烯塔的分离效果。这是我国北方气体分馏装置存在的通病。据此实施了丙烯塔回流管线上涂刷保温隔热胶的措施[4],丙烯塔顶冷后温度与回流入塔温度的温差有所减小,不再对丙烯塔分离效果造成严重影响。

3 操作参数的调整优化

3.1 脱丙烷塔操作参数调整优化

脱丙烷塔生产操作参数调整优化见表2。

表2 脱丙烷塔设计及实际生产操作参数对比

优化过程中降低了脱丙烷塔操作压力,降低压力可以使轻重组分的相对挥发度增大,使之更容易分离[5],达到降低回流比的目的。但由于脱丙烷塔为F1浮阀塔板,塔板效率相对较低,且生产负荷的增加幅度大,操作回流比仍大幅上升[6]。

3.2 脱乙烷塔操作参数调整优化

脱乙烷塔生产操作参数调整优化见表3。

表3 脱乙烷塔设计及实际生产操作参数对比

操作参数设计值135负荷155负荷进料量/(t·h-1)4 75 86 7塔顶压力/MPa2 902 552 60塔顶温度/℃58 848 650塔底温度/℃70 564 566 7回流比65 5基本全回流基本全回流

由于原料中碳二组份含量较少,脱乙烷塔在降压操作后其塔顶的燃料气泄放量较设计值低很多,保持基本全回流操作。且碳二含量低也降低了对脱乙烷塔顶底分离效果的要求。

3.3 丙烯塔操作参数调整优化

丙烯塔生产操作参数调整优化见表4。

表4 丙烯塔设计及实际生产操作参数对比

操作参数设计值135负荷155负荷进料量/(t·h-1)4 65 86 7塔1顶压力/MPa1 961 951 95塔1顶温度/℃50 150 050 5塔1底温度/℃58 958 658 9塔2顶压力/MPa1 901 891 90塔2顶温度/℃48 346 747 5塔2底温度/℃50 150 850 9回流比20 415 514 2

丙烯塔采用ADV方型浮阀塔板,该塔板通量大、效率高、操作弹性大[7],因此随生产负荷的提高,根据丙烯及丙烷的质量情况尝试逐步降低操作回流比,以减小塔顶冷凝器及塔底再沸器的热负荷。

3.4 脱戊烷塔操作参数调整优化

脱戊烷塔生产操作参数调整优化见表5。

表5 脱戊烷塔设计及实际生产操作参数对比

操作参数设计值135负荷155负荷进料量/(t·h-1)5 37 78 8塔顶压力/MPa0 480 480 48塔顶温度/℃51 249 749 7塔底温度/℃92 472 572 5回流比1 01 00 88

由于产品方案与设计不同,也就降低了对脱戊烷塔分离效果的要求[8]。实际生产操作中降低了该塔底温及操作回流比,使更多的碳四组份从塔底馏出,可以降低本套装置及下游MTBE装置的生产能耗[9]。

3.5 产品质量情况

优化前后装置产品质量情况见表6。

表6 装置产品质量情况设计及实际值对比

项目设计值135负荷155负荷处理量/(t·h-1)1013 515 5丙烯纯度φ/()99 6599 7799 75丙烷纯度φ/()95 599 7399 52丙烷中丙烯含量φ/()4 50 100 14碳四馏分中丙烯含量φ/()0 030 010 05碳四馏分中碳五含量φ/()2 580 440 45戊烷馏分中异丁烯+丁烯含量φ/()0 071 21 22

由表6可以看出,由于各塔操作参数的优化调整非常有效,随着生产负荷的提高,装置产品质量变化不大。从丙烷纯度、丙烷中丙烯含量及碳四馏分中丙烯含量的变化可以看出虽然脱丙烷塔及丙烯塔的分离效果随装置负荷的增大微有下降,但装置各项产品仍然满足甚至远优于产品质量指标要求[10]。

4 结论

通过对本套装置实施消除扩产“瓶颈”的技改措施,以及对各塔生产操作参数的调整优化,实现了在保证产品质量的基础上装置大幅度扩产的目的。装置处理能力达到设计值的1.55倍,充分挖掘了本套装置的扩产潜力,按照丙烯产品10 000元/t左右的市场价格,经济效益十分可观。

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2015-01-14

滕娜娜(1982-)，女，山东昌乐人，工程师，学士，主要从事化工工艺技术管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.007