降低苯胺生產中氫氣單耗的優化操作

張益帥

（天脊集團鉀鹽有限公司，山西 長治 047507）

引言

天脊集團苯胺生產工藝采用硝基苯液相加氫技術，其中氫氣單耗的設計值為741 m3/t 苯胺，生產保證值為767 m3/t 苯胺。2020 年氫氣單耗年平均值786.39 m3/t 苯胺，遠高于設計指標，與保證值指標存在較大的差距。降低氫氣的消耗，意味著節約苯胺生產成本，根據目前裝置的實際運行情況，本文提出了一些優化操作，通過縮短開車過程中的氫氣放空時間，減小運行過程中的氫氣放空閥開度等，2021 年氫氣單耗明顯降低，對裝置的經濟性運行具有十分重要的意義。

1 氫氣單耗偏高原因分析

從日常操作和生產流程分析原因，存在以下幾點：

1）開車過程的氫氣大量放空。開車過程中需要引入氫氣先將反應器內部的氮氣置換出去，然后在氫氣過量的情況下投加硝基苯，放空時間過長會導致大量的氫氣直接排空。

2）運行期間氫氣放空閥開度較大。硝基苯加氫反應中氫氣是過量的[1]，氫氣放空處設有在線純度分析表，在氫氣純度的得以保證的情況下（不低于94%），開大放空閥，會造成氫氣浪費。

3）在線分析儀表存在誤差。放空氫氣純度表，如果顯示偏低或出現偏差，會影響操作人員判斷，人為開大氫氣放空。此外原料氣中雜質w（CO）和w（CO2）的要求為不大于10×10-6和1×10-6，實際表顯為7×10-6和3×10-6，需要校準。

4）過反應導致氫氣無效消耗。硝基苯加氫是放熱反應，反應溫度偏高可能導致過反應產生其他烴類副產物，進而增加氫氣消耗。

5）溶解氫耗。反應器頂部苯胺與氫氣分離器的溫度升高時，會增加氫氣在苯胺中的溶解度，造成浪費。

6）原料質量問題或催化劑投加不當。原料苯中如果含有較多雜質，會隨著硝基苯帶入到加氫反應中去，催化劑的投加量過多或過少，都會影響到反應的穩定，造成生產波動，進而影響到氫氣的消耗。

7）污氫未得到有效回收。原始設計中雖然有污氫回收至合成燃料氣系統管線，但由于反應后的污氫濕度較大，對燃料氣工段沖擊較大，導致污氫無法回收。

綜合分析看來，造成氫氣單耗偏高的主要原因是氫氣放空的時間和放空閥的開度，以及反應溫度，需要制定有效的操作手段。

2 降低氫氣單耗優化操作

針對以上原因，制定了如下優化操作。

1）縮短開車過程中的引氫時間，在氫氣低流量時投加硝基苯。根據以往開車經驗，引氫時間在1.5 h 左右，引氫流量達到600 m3/h 左右投加硝基苯。在此基礎上縮短引氫時間在1 h 以內，根據開車時的反應程度，引氫流量達到500 m3/h 提前進行硝基苯投料操作。

2）優化開車過程中的引氫操作。根據反應壓力精確掌握氫氣進料閥與放空閥的關系，配合得當能有效降低氫氣的消耗。開車過程中反應器的壓力是一個先升高再急劇降低、然后急劇升高、最后達到平穩的過程，控制的手段為：第一個壓力升高階段，關小進料閥，不操作放空閥；當壓力急劇降低時，關小放空閥，不操作進料閥；第二個壓力升高階段，關小進料閥，不操作放空閥；當反應器壓力趨于穩定后，兩個閥門配合調節。

3）正常生產階段，減小氫氣放空閥開度。同時摸索出氫氣純度和最小放空閥位的平衡點，尋找出最小開度，在運行平穩時，微調即可。

4）保障氫氣在線純度分析表的有效性。純度表校驗時使用氫氣由原料氣改為分析純級，同時增加校驗頻次，盡量減小表顯誤差，原料氣中CO 和CO2在線純度表采用類似校驗手段，以此消除因儀表誤差導致的人為誤操作。

5）在保證反應穩定和產品質量的前提下，盡量降低反應溫度，降低過反應概率和副產物含量。在其他條件允許的條件下，適當降低分離器入口溫度，以此降低氫氣的溶解度。雖然溫度降幅不明顯（可能使輕烴帶到氫氣循環壓縮機中）。

6）從源頭控制原料苯品質，采購石油苯的占比適當增加。嚴格執行操作規程，控制催化劑添加量。

7）污氫回收較為困難，可以考慮增加PSA 裝置或膜分離對排放氫氣進行回收[2]，經濟性還有待論證。

3 優化操作在實際生產中的應用

對以上優化操作進行整理，逐月采取相應措施，應用到實際生產當中。

二月，嚴格控制反應溫度，反應溫度由原先的230 ℃～235 ℃降至228 ℃～230 ℃之間運行。在保證放空氫純度的前提下，放空閥開度由原先的70%關小至65%。二月氫氣單耗降幅明顯，由805 m3/t 降至775.2 m3/t。

三月，增設校正氫氣純度表的氫氣瓶，每周對兩套裝置氫氣分析表進行了校準，不斷校正氫氣純度表的指示誤差，并根據氫氣純度表的指示調整氫氣放空量。三月單耗降至770.7 m3/t。

四月，兩套苯胺裝置各開車一次，此次開車引氫時間分別控制在63 min 和55 min、引氫量控制在450 m3/h～500 m3/h 進行硝基苯投料。經實踐，開車效果穩定良好，為今后低流量開車積累了經驗。因四月滿負荷運行時間較長，產量較高，四月單耗降幅明顯，低至758.9 m3/t。

五月上旬，系統減負荷，反應溫度降幅較大，進一步降低反應溫度至225 ℃～228 ℃之間，產品中副產物環己胺明顯減少[3]（質量分數從500×10-6降至30×10-6），適當地關小污氫放空閥至63%。五月單耗為767.9 m3/t。

六月，進入系統大修。六月單耗為776.8 m3/t 苯胺。

七月至九月，因合成氨故障和設備跳車等不可抗力因素，造成苯胺裝置停車五次，生產連續性中斷無法保證氫氣單耗在較低水平，但五次的恢復開車，引氫過程全部采用優化后的操作，至九月氫氣單耗為770.5 m3/t。

十月以后，整體生產較為平穩。穩定運行期間將氫氣放空閥開度逐步關小，分別為十月62%、十一月60%、十二月58%。經過比對氫氣純度的變化（2 h 內的曲線）發現，當閥門開度恒定時，氫氣純度并不是恒定不變的，而且變化趨勢也是可以預判斷的。此外還發現，十二月放空氫氣純度雖然無明顯下降，但是反應器出現了較大的波動，后將放空閥調整至61%開度，反應情況逐漸好轉。最終，氫氣單耗年平均值為774.6 m3/t。2021 年氫氣單耗數據，如表1 所示。

表1 2021 年氫氣單耗數據 m3/t

4 結論

降低氫氣的消耗主要在于控制系統開車時氫氣放空時間和平穩運行時氫氣放空閥開度，同時要控制反應溫度。經過一年不斷對操作進行優化，氫氣單耗得到有效降低，根據實際的操作可以得出：

1）開車過程中的優化操作能夠節約大量的氫氣。引氫時間控制在1 h，可以阻止大量的氫氣放空；另外當流量達到450 m3/h 時，即可進行硝基苯投料，可以縮短開車時間；操作人員要熟練操作氫氣進料閥與放空閥開度，配合得當也可以減少氫氣放空。

2）正產生產過程中，氫氣放空閥的開度要盡量關小。同時要參考氫氣純度的變化，進行適當的微調，即閥門開度不變時，如果純度持續走高，可以關閉1%～2%的開度，反之亦然。此外在滿負荷下，氫氣放空閥位不能低于60%，否則壓力會出現上下0.1 MPa 的波動，導致運行不穩定。

3）反應溫度控制在225 ℃～228 ℃最佳。溫度過高會加劇過反應，導致副產物增多，變相的增加的氫氣的消耗；溫度過低會造成系統反應不充分，導致硝基苯超標。

降低苯胺生產過程中的氫氣消耗工作是一項長期堅持的工作，需要操作人員的熟練地掌握開車時氫氣進料閥和放空閥的配合，同時根據放空氫氣的純度適當操作放空閥的開度。此外，減少開停車次數，保證穩定和高負荷運行，提高苯胺產量對降低單耗也具有十分重要的意義。2021 年通過優化操作，氫氣單耗降低至774.6 m3/t，相比較2020 年786.39 m3/t,，氫氣單耗下降了11.8 m3/t。按財務數據1.5 元/m3氫氣計算，2021 年實際完成產量26.1 萬t，節約成本461.9 萬元，對提升苯胺制備的經濟性具有十分重要的意義。