異丙苯裝置中苯塔壓力波動的原因分析及對策

趙國新，夏俊芝，肖松斌

（中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

異丙苯裝置中苯塔壓力波動的原因分析及對策

趙國新，夏俊芝，肖松斌

（中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

中沙（天津）石化有限公司異丙苯裝置在試運行期間，苯塔出現(xiàn)周期性壓力波動甚至超壓聯(lián)鎖停車。針對這一問題，采用Aspen Plus流程模擬軟件對苯塔回流罐進(jìn)行了模擬，考察了壓力、丙烷含量及N2流量對丙烷在苯中溶解度的影響。分析造成苯塔操作不穩(wěn)定的原因為丙烷在苯塔內(nèi)的累積，當(dāng)丙烷達(dá)一定含量且操作條件發(fā)生波動時，可使液相中的丙烷瞬間釋放，導(dǎo)致苯塔壓力升高甚至超壓聯(lián)鎖停車。通過向回流罐連續(xù)引入N2和增加冷凝器的溫度控制系統(tǒng)、回流罐的N2流量控制系統(tǒng)等措施解決了苯塔壓力波動的問題。

異丙苯；苯塔；脫丙烷；流程模擬；精餾分離

中沙（天津）石化有限公司苯酚丙酮項目，是天津1 Mt/a乙烯裝置的配套項目之一，由300 kt/a異丙苯裝置和220 kt/a苯酚裝置組成，其中異丙苯裝置分為反應(yīng)和分離兩部分。在異丙苯裝置的分離部分，采用了先進(jìn)的三塔流程，即苯塔、異丙苯塔和多異丙苯塔，比同類裝置減少了脫丙烷塔。因此，苯塔承擔(dān)了脫丙烷、苯干燥及苯回收等多項分離功能［1］。在苯酚丙酮全裝置試車過程中，苯塔出現(xiàn)了周期性的壓力波動現(xiàn)象及超壓聯(lián)鎖停車，造成異丙苯裝置生產(chǎn)不能連續(xù)，并波及到苯酚裝置的連續(xù)生產(chǎn)，影響了整個裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷和優(yōu)化運行。

本工作分析了苯塔壓力波動的原因，采用Aspen Plus流程模擬軟件對苯塔回流罐進(jìn)行模擬；針對丙烷累積的問題，對工藝流程、控制系統(tǒng)及操作條件進(jìn)行了優(yōu)化，解決了苯塔周期性壓力波動的問題，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 異丙苯裝置的分離流程

1.1 分離流程簡介

中沙（天津）石化有限公司異丙苯裝置的分離流程見圖1。從界區(qū)引入的經(jīng)過預(yù)處理后的新鮮苯和烷基化反應(yīng)器的反應(yīng)液分別進(jìn)入苯塔；苯塔側(cè)線采出干苯，塔釜的粗異丙苯進(jìn)入異丙苯塔；從異丙苯塔塔頂蒸出異丙苯，塔釜的重組分進(jìn)入多異丙苯塔；多異丙苯塔塔頂采出含有甲基異丙苯等雜質(zhì)的污二異丙苯，塔釜采出少量烴焦油重組分，側(cè)線采出多異丙苯；多異丙苯與干苯混合后進(jìn)入烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)器，反應(yīng)液返回苯塔。

圖1 異丙苯裝置的三塔分離流程Fig.1 Isopropyl benzene unit with three columns.

1.2 苯塔存在的問題

在異丙苯裝置試車過程中，發(fā)現(xiàn)苯塔壓力存在一定幅度的波動，波動范圍達(dá)到±15 kPa，并多次發(fā)生苯塔壓力超高導(dǎo)致超壓聯(lián)鎖停車。以一次事故為例（見圖2），在20：25以前，異丙苯裝置運行平穩(wěn)，苯塔溫度、壓力等參數(shù)均正常；但是20：25之后，苯塔壓力突然上升，即使將苯塔頂部的尾氣排放閥全開，苯塔壓力仍在20：39時達(dá)0.35 MPa，造成超壓聯(lián)鎖停車。

圖2 異丙苯裝置苯塔超壓聯(lián)鎖時苯塔壓力變化趨勢Fig.2 Pressure change of the benzene column when the overpressure interlock started.

1.3 問題發(fā)生的原因分析

從操作參數(shù)分析，當(dāng)時苯塔的再沸器凝液量、側(cè)線回流及塔頂回流均未進(jìn)行大的調(diào)整；側(cè)線干苯緩沖罐溫度及塔頂回流罐溫度未發(fā)生明顯變化；進(jìn)入苯塔的烷基化反應(yīng)器和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)器反應(yīng)液的流量、溫度均未做調(diào)整且未發(fā)生波動。從操作角度分析，沒有造成苯塔壓力突然超高的因素。

分析導(dǎo)致苯塔壓力波動、甚至壓力超高聯(lián)鎖停車的原因，可能是丙烷未及時排出，使丙烷在苯塔中累積，當(dāng)丙烷達(dá)到一定含量后，苯塔塔頂冷凝器中物流的冷凝程度發(fā)生變化，即丙烷不能完全冷凝或部分丙烷從液相中釋放出來，造成苯塔壓力波動。

2 模擬計算

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用Aspen Plus流程模擬軟件對苯塔塔頂回流罐進(jìn)行模擬，采用Flash2分離模塊進(jìn)行計算，物性數(shù)據(jù)采用NRTL-RK方程計算。分析了丙烷含量、操作壓力和N2流量對冷凝程度的影響。

2.2 丙烷含量的影響

丙烷含量對丙烷氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見圖3。由圖3可見，丙烷含量越高，使其完全冷凝需要的溫度越低；當(dāng)丙烷含量低于5%（w）時，即使溫度高于55 ℃，丙烷也能完全冷凝。當(dāng)丙烷含量增加到一個臨界點后，部分丙烷將以氣態(tài)進(jìn)入回流罐，必然導(dǎo)致苯塔壓力急劇上升。

圖3 在247 kPa下丙烷含量對丙烷氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 The effects of propane content on propane mass fractions in the gas phase at 247 kPa.

2.3 壓力的影響

丙烷在苯中的溶解度與壓力的關(guān)系見圖4。從圖4可看出，在250 kPa時，在苯中丙烷的溶解度為4.2%（w）。

2.4 N2流量的影響

丙烷含量與N2流量的關(guān)系見圖5。從圖5可看出，隨N2流量的增大，丙烷的含量降低；當(dāng)N2流量為100 kg/h時丙烷的含量降至4%（w）左右。當(dāng)苯塔回流罐通入N2時，能降低回流罐氣相中丙烷的平衡分壓，有助于丙烷從液相揮發(fā)并隨尾氣排出，從而降低丙烷在系統(tǒng)中的累積。

圖4 在45 ℃下丙烷在苯中的溶解度與壓力的關(guān)系Fig.4 The relationship between pressure and solubility of propane in benzene at 45 ℃.

圖5 丙烷含量與N2流量的關(guān)系Fig.5 The relationship between N2 flowrate and propane content.

3 結(jié)果與討論

3.1 苯塔操作波動的影響因素

造成苯塔操作不穩(wěn)定的原因為：丙烷在系統(tǒng)內(nèi)不斷累積，當(dāng)液相中丙烷含量接近臨界點7%（w）時，壓力或溫度稍有波動，瞬間就會生成大量氣相，使得壓力急速升高，氣相排放量隨之加大；同時因壓力升高使氣相生成量減小，很快壓力又開始大幅回落；當(dāng)壓力低于正常值后，又有大量氣相生成，再次發(fā)生新一輪的波動。從而導(dǎo)致苯塔壓力波動，甚至壓力超高聯(lián)鎖。

苯塔的壓力、回流罐溫度、N2補(bǔ)償位置和N2量都將影響系統(tǒng)中丙烷的含量，影響冷凝器中物料的冷凝程度。

3.2 解決措施

綜合考慮苯塔的出料、苯的揮發(fā)度和裝置能耗等問題，苯塔操作壓力控制為250 kPa，回流罐溫度控制為45℃，維持與設(shè)計值一致。

3.2.1 回流罐連續(xù)通入N2

原設(shè)計將N2補(bǔ)償管線的接入口放在尾氣排放線上?，F(xiàn)將N2進(jìn)氣接入口改至回流罐頂部，并將N2流量持續(xù)維持在100 kg/h。

3.2.2 增加控制系統(tǒng)

為了將苯塔系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，提高苯塔的穩(wěn)定性和安全性，提出以下方案：苯塔冷凝器后增加溫度控制，保證丙烷冷凝效果；回流罐頂部增加聯(lián)鎖閥，苯塔壓力突然上升時，保證苯塔不超壓；控制N2補(bǔ)充量及排放量，使丙烷含量達(dá)到最佳。苯塔增加的控制系統(tǒng)見圖6。

圖6 苯塔增加的控制系統(tǒng)Fig.6 The alteration of benzene column control system.

3.3 改造后的效果

根據(jù)實際運行情況，目前苯塔已經(jīng)穩(wěn)定運行4個多月，消除了苯塔壓力突然上升的現(xiàn)象，徹底解決了苯塔壓力波動的問題。

4 結(jié)論

（1）300 kt/a異丙苯裝置的苯塔在運行時出現(xiàn)壓力波動甚至超壓聯(lián)鎖停車的原因是丙烷在系統(tǒng)內(nèi)累積，當(dāng)液相中丙烷含量接近7%（w）時，壓力或溫度稍有波動便會使液相中的丙烷大量釋放，造成壓力波動。

（2）將N2進(jìn)氣接入口改至回流罐頂部，并將N2流量持續(xù)維持在100 kg/h時， 能將液相中丙烷的含量降至4%（w）左右。

（3）對苯塔冷凝器增加溫度控制系統(tǒng)，回流罐增加N2流量控制和聯(lián)鎖閥。經(jīng)過控制系統(tǒng)的改造，提高了苯塔的穩(wěn)定性和安全性。

［1］ 曹鋼. 異丙苯法生產(chǎn)苯酚丙酮［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1983：15- 20.

Simulation and Optimization of Benzene Column in Isopropyl Benzene Unit

Zhao Guoxin，Xia Junzhi，Xiao Songbin
（SINOPEC/SABIC Tianjin Petrochemical Co. Ltd.，Tianjin 300270，China）

In the test run of the isopropyl benzene unit of SINOPEC/SABIC Tianjin Petrochemical Co. Ltd，there was pressure fluctuation of the benzene column，which led to overpressure interlock stopping. In order to solve this problem，the overhead drum of the benzene column was simulated by using Aspen Plus software，and the effects of pressure，propane content and nitrogen flowrate on the propane solubility in benzene were investigated. The results indicated that the upset of the benzene column resulted from the increasing propane accumulation in benzene. When the propane concentration rose to a certain extent and the operation conditions fluctuated，the propane gas was released in a short time，which could lead to the pressure rise and then the overpressure interlock stopping. The pressure fluctuation could be solved through continuous addition of nitrogen to the overhead drum and improvement of the control system.

isopropyl benzene；benzene column；depropanization；process simulation；distillation separation

1000-8144（2012）04 - 0435 - 03

TQ 063

A

2011 - 10 - 19；［修改稿日期］2012 - 01 - 13。

趙國新（1969—），男，吉林省伊通縣人，大學(xué)，工程師，電話 022-63806480。聯(lián)系人：夏俊芝，電話 022-63806542，電郵 junzhi.xia@ss-tpc.com。

（編輯 李治泉）