萃取精餾系統中萃取劑變性結焦的原因探討與防治

摘 要：從萃取精餾系統的工藝流程、生產運行特點進行研究，分析了萃取精餾系統中萃取劑N甲基吡咯烷酮變性結焦的原因，提出了延緩萃取劑變性的方法，通過工藝改造實現了系統的充壓保護。

關鍵詞：萃取精餾系統 N-甲基吡咯烷酮 變性結焦

中圖分類號：TE644 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0103-01

天然氣處理廠第二氣體處理廠（以下簡稱二氣廠）三期裝置萃取精餾系統中使用N甲基吡咯烷酮作為萃取劑，在生產運行中發現該萃取劑長期使用后會發生變性結焦，最終引起填料塔填料發生堵塞而引起系統運行不穩定并最終導致產品質量波動。

1 萃取精餾系統簡介

二氣廠萃取精餾系統由萃取精餾塔及萃取劑再生塔構成，均為填料塔，工作壓力分別為（-30±5） kPa和（-70±5） kPa（以上均為表壓），生產植物油抽提溶劑和天然苯。

該系統從2009年3月開始出現處理能力下降；塔操作參數不易控制；產品質量不穩定等問題。通過對填料塔進行拆解發現，兩個填料塔填料均被黑色膠狀物質堵塞。黑色膠狀物質經過化驗由酸性物質、碳化物以及少量金屬碎末組成，進一步分析可知是萃取劑結焦變性產生的物質以及填料等金屬部件腐蝕和沖擊產生的碎屑。

為了解決萃取系統出現的問題，二氣廠對系統進行專業清洗，清除了填料表面膠狀物質，清洗后系統運行情況比較穩定。但運行半年后，該系統的又出現上述問題。由此可見萃取劑的結焦變性在生產過程中一直緩慢進行，因此有必要對其結焦變性的原因進行查找并尋找對策。

2 萃取劑變性結焦的原因分析

通過對黑色膠狀物質進行化驗可知，同時分析萃取精餾系統運行狀態，可知黑色膠狀物質主要由碳化物、萃取劑變性后產生的有機物質以及少量金屬碎末組成。其產生的原因不僅與萃取劑的化學特性有關，而且與系統的運行特點密不可分。

2.1 萃取劑結焦變性的化學機理

萃取劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）為無色透明油狀液體，微有胺的氣味，熔點-24.4℃，沸點203 ℃。正常情況下揮發度低，熱穩定性、化學穩定性均佳，化學性質不活潑，除銅外，對其他金屬如碳鋼、鋁等無腐蝕性。

由于NMP分子結構式中含有吡咯環，吡咯具有遇酸易聚合的性質，酸性環境進一步促進了NMP的聚合。經過查詢相關資料和文獻，NMP在使用過程中遇空氣、水極易發生氧化、水解，會產生酸性物質，造成酸性環境。而金屬填料長時間處于酸性環境中會逐漸被腐蝕。

2.2 生產過程中萃取劑變性的發生機理

2.2.1 工藝流程

萃取系統由兩個塔構成，一個是萃取精餾塔，一個是萃取劑再生塔。工藝流程中與外界大氣相通的有兩個點。一個是萃取精餾塔回流罐阻火器，一個是萃取劑再生塔真空系統的吸氣調節閥。

萃取精餾塔回流罐阻火器安裝在回流罐頂部，在開機初期時塔內有少量的不凝氣，導致塔壓不穩，因此需要打開阻火器反復進行泄放直至不凝氣排空塔頂壓力穩定。泄放過程中，當塔壓降到0 kPa以下，就會關閉阻火器。而停機過程中阻火器始終關閉，不考慮系統密封泄漏的問題，空氣也不會從阻火器直接進入系統。

吸氣調節閥在回流罐與緩沖罐的連接管線上，可以將少量空氣引入真空系統以保證系統壓力維持在-70 kPa左右。正常運行時塔體、回流罐、真空泵進口三處的壓力分別為：-70 kPa、-72.2 kPa、-80.8 kPa。真空泵入口處壓力最低，根據氣體流動擴散的原理可知，空氣總是由吸氣調節閥流向真空泵入口管線。而停機過程中吸氣調節閥始終關閉，因此不考慮系統密封情況，空氣由吸氣調節閥進入系統的可能性也很小。

2.2.2 系統停機過程中的參數變化

對萃取精餾系統停機后4.5 h內的系統兩個填料塔的塔壓及塔底溫度變化進行記錄。

通過對停機初期4.5 h內的參數進行分析，我們發現，萃取精餾塔由于塔內氣相的冷凝，壓力逐漸降低，在熱負荷停止后半小時內壓力由-30 kPa降至-56 kPa，其后壓力開始緩慢上升，最后上升至20.78 kPa。而萃取劑回收塔在停熱負荷、停真空泵后壓力逐漸升高，最終壓力為12.8 kPa。

利用HYSYS工藝模擬軟件對系統物料進行飽和蒸汽壓計算，在60 ℃時，萃取精餾塔進料飽和蒸汽壓為60 kPa（絕對壓力），而實測壓力為12 kPa（表壓）左右，實測壓力換算為絕對壓力為112 kPa。考慮系統密封不可能完全不漏氣，可知停機初期空氣進入系統。而此時萃取劑回收塔塔底溫度在110℃～150℃，因此萃取劑極有可能在萃取劑回收塔塔釜或再沸器內與空氣中的氧氣發生反應而變性結焦。

3 應用惰性氣體進行保護

通過以上研究分析可知，系統停機初期最有可能發生萃取劑的結焦變性，由于系統密封不嚴，空氣在壓力差的作用下進入系統。為延緩萃取劑的變性結焦，二氣廠根據生產實際情況選取了方便易得對系統影響較小的天然氣作為充壓保護性氣體，并對現場進行了充壓工藝改造，在停機期間在系統內充入天然氣，系統壓力保持在（5～10） kPa。系統充壓保護后，萃取劑變性結焦速度放慢，填料塔的清洗由每年4次降低至每年1次。

4 結論

通過研究找到萃取劑變性結焦的原因，并提出了在系統停機后充入天然氣的方法來延緩萃取劑的變性。實際應用后在一定程度上延緩了萃取進的變性結焦，系統運行較為穩定，產品質量合格。在實際應用過程中，該方法在一定程度上延緩了N甲基吡咯烷酮的變性結焦，填料塔的清洗頻率由一年4次降低至一年1次。但是這種辦法不能從根本上解決萃取劑變性結焦，在下一步的研究中應該與科研單位共同研究開發新的穩定性更好的萃取劑來替代N甲基吡咯烷酮或者在現有萃取劑中增加添加化合物來延緩甚至避免其變性。