丙烯塔塔壓過高的工藝優化調整探究

陳 睿

丙烯塔塔壓過高的工藝優化調整探究

陳 睿

（中安聯合煤化有限責任公司，安徽 淮南 23200 ）

丙烯精餾塔的工藝優化一直是烯烴分離中備受關注的問題，而塔壓過高是影響丙烯精餾塔的主要因素。通過引入熱泵技術，經過合理計算、優化操作，對丙烯塔冷卻系統進行了工藝調整，有效降低了丙烯塔塔壓，使塔壓下降至1.856 MPa，丙烯中丙烷的質量分數穩定在0.40%以下。實現了裝置滿負荷生產、節能降耗的目標。

丙烯精餾塔；塔壓；熱泵；優化操作；冷凝

中安聯合煤化工公司采用中國石化工程建設有限公司開發的輕烯烴回收工藝技術，通過精餾分離的方法來獲得聚合級丙烯和丙烷[1-5]。丙烯精餾系統包含2臺精餾塔：如圖1所示，丙烯精餾塔分為2個塔：1#丙烯精餾塔和2#丙烯精餾塔。1#丙烯精餾塔塔頂操作壓力為1.871 MPa，頂溫47.7 ℃，釜溫57.2 ℃。2#丙烯精餾塔塔頂操作壓力為1.81 MPa，頂溫46 ℃, 釜溫47.7 ℃。其流程為：來自脫丙烷塔回流罐的液體混合C3經丙烯塔進料泵（P-5006A/B）輸送至1#丙烯塔第25塊塔板，其再沸器（E-5005A/B）采用急冷水加熱，來自1#丙烯塔塔頂的氣體進料至2#丙烯塔底部。2#丙烯塔釜液經回流泵（P-5002A/B）加壓后送至1#丙烯塔回流。丙烷從1#丙烯塔塔釜采出，經循環水換熱器（E-5006）冷卻后送出界區。2#丙烯塔塔頂丙烯氣體經2臺并聯冷凝器（E-5004A/B）冷凝后進入回流罐（D-5002），罐中的丙烯一部分作為2#丙烯塔回流，另一部分作為丙烯產品經循環水換熱器（E-5011）冷卻至39 ℃后送至丙烯產品二甲醚吸附器。

圖1 丙烯精餾系統流程示意圖

1 背景

甲醇制烯烴是工業制備丙烯的重要方法之一，但卻伴隨著丙烷和丙烯的分離難題[6-7]。丙烯和丙烷具有相似的分子尺寸、分子量、極性和熔、沸點，成為很難分離的兩種物質。由于丙烯和丙烷相對揮發度甚低[8-10]，分離難度大，能耗高，操作因素需要精準控制，丙烯精餾過程操作穩定性成為關鍵控制因素，但是本裝置在實際工業生產運行過程中，由于精餾塔冷凝器的循環水量不足且換熱器堵塞導致冷凝器冷凝效果變差，導致丙烯精餾塔塔壓超出控制范圍（1.95 MPa），造成丙烯產品質量不合格，裝置被迫降低負荷運行。為此，通過對冷凝系統進行工藝技術改造，提出丙烯精餾塔與丙烯制冷壓縮機的聯合方案，以降低塔壓，實現穩定操作[11-15]。

2 塔頂冷凝器對塔壓的影響

精餾塔塔壓直接影響丙烯-丙烷的相對揮發度，塔頂通過塔頂固定管板式冷凝器（E-5004A/B）并聯使用，用循環水對塔頂丙烯氣體冷凝并冷卻，起到控制塔壓的作用。

現場測量E-5004A/B的循環水流量為3 000 m3·h-1，表1為現場調節冷凝器循環水量后監測精餾塔塔壓的變化情況，經過分析冷凝器循環水量從3 000 m3·h-1上升到3 800 m3·h-1時塔壓從1.998 MPa下降到1.982 MPa，下降0.016 MPa。又分別通過對2臺換熱器進口處加裝甩頭進行反沖洗，除去換熱器內壁水垢后，進一步提升冷凝器循環水流量，由3 800 m3·h-1提升至5 000 m3·h-1，此時塔壓從1.982 MPa下降至1.950 MPa，下降0.032 MPa。說明冷凝器循環水量對塔壓的影響十分明顯，在冷凝器最大流量負荷8 000 m3·h-1內，通過改變冷凝器的循環水流量是控制塔壓的有效方式。但由于塔頂冷凝器堵塞嚴重，循環水流量通過各種手段只能提高至5 000 m3·h-1，塔壓共降至1.95 MPa，雖然塔壓下降，但依然超壓運行。

表1 塔頂冷凝器循環水流量對精餾塔塔壓的影響

在裝置運行過程中記錄了在維持精餾塔進料量47 t·h-1時，塔壓和塔頂丙烯采出量與丙烯濃度的生產數據（見表2），根據表中數據分析，隨著塔壓的降低，丙烯的采出逐漸增多，且丙烯的濃度逐步提高，當精餾塔塔壓降至1.950 MPa時，精餾塔塔丙烯的濃度才能勉強維持在合格臨界值的附近。若塔壓高于1.950 MPa時，精餾塔則不能滿足工藝要求，所生產的產品為不合格。同時由于塔壓升高帶來塔內丙烯丙烷的沸點升高，嚴重增加了塔釜換熱器的負荷，單純地通過改變塔頂冷凝器流量已經不能滿足進一步降低塔壓的需要，因此必須對現有精餾塔塔頂冷凝器循環水流量不足的情況下對冷凝系統進行技術改造。

表2 塔壓對塔頂丙烯采出量與丙烯濃度的影響

3 調整措施及效果

3.1 熱泵精餾技術的應用

熱泵精餾利用工作介質吸收精餾塔頂蒸汽的相變熱，通過熱泵對工作介質進行壓縮，升壓升溫，使其能質得到提高，然后作為再沸器的加熱熱源，既降低了精餾塔塔頂冷凝器的冷凝換熱負荷，又節省了精餾塔再沸器 的加熱熱源，達到節能增效目的[16-20]。根據熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式2種類型。[21-22]其中蒸汽加壓方式應用較多，蒸汽壓縮機方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式流程[23]。熱泵構成循環的主要部件為蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥等[24]。

如圖2所示，經熱泵精餾理論應用到丙烯精餾冷凝系統技術改進中，改進后的丙烯精餾冷凝系統具有丙烯制冷壓縮機（K-6001）、冷凝器等單元設備，丙烯制冷壓縮機、丙烯四段吸入罐（D-6004）與丙烯精餾塔共用1根氣相丙烯開車線，當丙烯制冷壓縮機各段吸入罐液位高時，其額外液相丙烯通過P-6001泵送至丙烯精餾塔回流罐（D-5002）。丙烯精餾塔與丙烯制冷壓縮機具備構成開式熱泵的條件[25]。

圖2 冷凝系統改進后的丙烯精餾塔示意圖

對技術改進后的工藝進行調試，其由丙烯精餾塔塔頂通過開車線相向7 ℃丙烯四段吸入罐（D-6004）泄壓而來的丙烯通過液位調整以液相形式最終來到-40 ℃丙烯一段吸入罐（D-6001），由P-6001泵送往丙烯精餾塔回流罐（D-5002）對其降溫。由于丙烯精餾塔的泄壓加重了丙烯壓縮機（K-6001）的負荷，因此丙烯壓縮機的汽輪機主汽門全開來保證丙烯壓縮機向其他系統提供的冷量穩定。為了防止壓縮機喘振，分別調整各段防喘振閥來保證足夠流量。

在丙烯精餾塔未向壓縮機泄壓時，當丙烯壓縮機的汽輪機主汽門全開后，防喘振線向7 ℃丙烯四段吸入罐（D-6004）提供了15 t·h-1的丙烯以保持四段吸入罐（D-6004）的流量。

通過現場調試表明只要丙烯塔向壓縮機泄壓的流量小于15 t·h-1，通過調整防喘振線閥位開度，保持四段吸入罐流量穩定，即對丙烯壓縮機不會產生影響，達到改造的目的。

3.2 熱泵精餾理論計算

為驗證技術改進的可靠性，對C-5003氣相丙烯開車線至D-6004氣相丙烯開車線進行能量恒算：考慮到氣體密度很小，位能項可忽略，且現場兩端高度差可忽略，根據能量衡算式[26-27]:

2ln（1/2）+0.5（/）2

=0.5（2-1）（1+2）/（） （1）

m=A（2）

式中：—質量流速，kg/（m2·s）；

—壓強，Pa；

—管徑，m；

—管長，m；

—管道進口處比體積，m3·kg-1；

—摩擦系數；

—管道橫截面積，m2；

m—質量流量。

查閱設計數據：D-6004吸入壓力0.61 MPa；管長100 m；管徑0.05 m；管道絕對粗糙度0.1 mm；ε/=0.002查閱莫迪圖得=0.024；經過循環水調整后，C-5003極值塔壓為1.95 MPa，帶入計算得=1 129.4 kg/（m2·s）。m約為8 t·h-1。

由此可知，只有8 t·h-1的丙烯泄壓至壓縮機四段吸入罐，大幅度低于由壓縮機防喘振線流向四段吸入罐的流量，因此由丙烯塔向壓縮機泄壓并不會對壓縮機產生影響[27-28]。

3.3 改進后的效果

在實際試車過程中，開啟P-6001泵后，塔壓由1.95 MPa迅速下降至1.86 MPa，且在適當關閉壓縮機防喘振線后，壓縮機并未受到影響。通過工藝調整，丙烯塔的塔壓逐漸降低至1.86 MPa，在穩定進料47 t·h-1，塔壓與工藝參數關系見表3，從表3中可以看出隨著塔壓的逐步降低，丙烯產量和純度逐步提高。

表3 塔壓與工藝參數關系

由表3回流量進一步分析回流比可以看出，回流比也逐漸由13.7降至12.8，更低的回流比也表明需要更少的塔釜再沸器的熱量供給，減少了能量的消耗[29-30]。與此同時如圖3所示，塔釜丙烷中丙烯的含量也隨著塔壓的降低而減小，說明塔釜中輕組分丙烯的分離效果較好[31]。

圖3 塔壓與塔釜丙烯損失趨勢

4 結 論

丙烯精餾塔的優化操作作為甲醇制烯烴(S-MTO)工藝中輕烯烴回收部分的核心操作被廣泛關注，塔釜丙烯損失率更是衡量丙烯裝置的重要參數之一。本文通過分析塔頂冷凝器循環水流量對丙烯精餾塔塔壓的影響，證實塔頂冷凝水流量是影響塔壓穩定的重要因素，增大頂冷凝水流量可以有效降低塔壓；針對生產中遇到的問題，通過嘗試引入熱泵技術，有效解決原有冷凝系統效果不佳的瓶頸問題。通過研究精餾塔塔壓與塔頂和塔底組分的關系，證實在一定范圍內通過降低塔壓可以提高丙烯的收率，有效解決丙烯損失率大的問題。

［1］孫衛國, 伏妍, 丁冠政, 等. 丙烯精餾塔的操作優化[J]. 石化技術與應用, 2008 (1): 5.

［2］高琦, 趙育榕. 先進控制技術在乙烯裝置分離單元的應用[J]. 能源化工, 2010, 31 (002): 50-53.

［3］高琦, 趙育榕. 先進控制技術在乙烯裝置分離單元的應用[J]. 化學工業與工程技術, 2010，31（02）：50-53.

［4］趙漢琦. 制取丙烯的化學工藝綜述[J]. 2021(2017-13):190-190.

［5］閻觀亮. 大型常規丙烯精餾塔塔板數的優化[J]. 煉油設計, 2000，（07）：20-22.

［6］趙漢琦. 制取丙烯的化學工藝綜述[J]. 化工管理, 2017 (013): 190-190.

［7］公磊, 南海明, 關豐忠. 新型丙烯生產技術綜述[J]. 云南化工, 2016, 43 (4):6.

［8］李大鵬. 丙烯生產技術進展[J]. 應用化工, 2012, 41 (6): 5.

［9］董群, 張鋼強, 李金玲, 等. 丙烯生產技術的研究進展[J]. 化學工業與工程技術, 2011，（23）：155-156.

［10］韓偉, 譚亞南, 何霖. 丙烯生產技術研發進展[J]. 甲醇生產與應用技術, 2011, 000(001):10-14.

［11］魏飛, 湯效平, 周華群, 等. 增產丙烯技術研究進展[J]. 石油化工, 2008, 37 (10):8.

［12］顧道斌. 增產丙烯的催化裂化工藝進展[J]. 精細石油化工進展, 2012 (03): 49-54.

［13］宋彩霞, 梁吉寶, 雍曉靜, 等. 煤化工生產丙烯工藝及其下游產品展望[J]. 煤化工, 2013 (5):3.

［14］尤廷正, You, Tingzheng, 等. 淺談丙烯生產技術[J]. 廣東化工, 2018, 45 (2):3.

［15］楊興海. 淺談丙烯生產技術現狀分析與前景[J]. 工業, 2016 (006): 00262-00262.

［16］顧道斌. 增產丙烯的催化裂化工藝進展[J]. 精細石油化工進展, 2012, 13(3):6.

［17］方偉, 李鋒, 張維, 等. 我國煤制聚丙烯工業發展現狀綜述[J]. 石化技術與應用, 2014, 32 (5):4.

［18］湯佳香, 劉圣剛, 鄒鋮. 丙烯精餾塔塔釜損失大的原因分析及對策[J]. 乙烯工業, 2013 (4):3.

［19］李春曉. 精丙烯塔常規流程和熱泵流程比較[J]. 煉油技術與工程 (7):1-4.

［20］郝向黎. 丙烯泄漏對循環冷卻水系統的影響及對策[J]. 工業用水與廢水, 2020, 51(2):5.

［21］李立新, 劉長旭, 徐國輝, 等. 烯烴催化裂解制丙烯分離技術進展[J]. 化工進展, 2009 (07):64-69.

［22］閆玉麟. ATP裝置干餾尾氣分離乙烯的可行性研究[J]. 遼寧化工, 2019, 048 (002): 184-187.

［23］葛小寧, 李奇安, 李悅, 等. 基于預測函數的丙烯精餾塔的先進控制系統設計[J]. 當代化工, 2012 (10):1150-1153.

［24］王冰, 成慶林, 孫巍. 熱泵技術在回收油田污水余熱資源中的應用[J]. 當代化工, 2015, 44 (8):3.

［25］李若晗, 姬愛民. 基于熱泵循環的水蒸發濃縮系統研究[J]. 遼寧化工, 2021, 50 (1):3.

［26］楊德明. 丙烷-丙烯萃取精餾過程的模擬研究[J]. 石油與天然氣化工, 2006, 035 (001):26-28.

［27］李井春, 門亞男, 孫新華, 等. 丙烯精餾塔塔釜損失高的原因分析及對策[J]. 遼寧化工, 2008, 37 (10):3.

［28］王六. 一種丙烯精餾塔塔壓控制方式探析[J]. 煤炭與化工, 2017, 40 (004): 138-140.

［29］蘇慧, 莊壯, 王峰, 等. 甲醇制丙烯裝置中丙烯質量控制的影響因素[J]. 化工技術與開發, 2015(3):4.

［30］劉會超. 丙烯塔現場分段熱處理應用技術[J]. 石油化工建設, 2019, 41 (4):5.

［31］張文潔. 百萬噸及以上乙烯裝置丙烯精餾塔回流系統配管設計[J]. 廣東化工, 2021, 48 (14):4.

Study on Process Optimization Adjustment Aiming at Excessive Operating Pressure in Acrylic Tower

（Zhongan United Coal Chemical Co., Ltd., Huanan Anhui 232001, China）

The process optimization of acrylic distillation tower has always been a concern in the separation of olefins, and the excessive pressure of the tower is the main factor affecting the acrylic distillation tower. In this paper, through the introduction of heat pump technology, after reasonable calculation and optimization operation, the process adjustment of the acrylic tower cooling system was carried out, effectively reducing the pressure of the acrylic tower, so that the pressure of the tower could drop to 1.856 MPa, the mass fraction of propane in propylene was stable at less than 0.40%, the goal of full load production, energy saving and consumption reduction of the unit was realized.

Propylene distillation tower ; Tower pressure; Heat Pump; Condensation; Optimized operation

TQ221

A

1004-0935（2022）02-0216-04

2021-11-08

陳睿（1999-），男，安徽淮南人，助理工程師，2019年畢業于湖南理工學院化學工程與工藝專業，研究方向：輕烯烴回收技術。