氣體分餾裝置丙烯精餾塔的工藝優化探究

榮 榮，李治明

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

丙烯是石油化工產業的基礎原料之一，具有豐富的下游產業鏈。近年來丙烯供需呈現持續增長的趨勢，在國民經濟中占有十分重要的地位[1,2]。煉化產業中氣體分餾裝置是通過精餾的方式將液化氣各組分分離出來，得到高純度的丙烯產品，為下游化工裝置提供重要原材料。但是目前氣體分餾裝置丙烯精餾塔普遍存在丙烯分離效果差、丙烯損失嚴重和純度不合格等問題，丙烯精餾塔的合理操作和控制是裝置生產平穩、產品合格的重點和難點[3]。本文依托某煉化公司氣體分餾裝置，分析進料組成、回流比、壓力和溫度對該裝置中丙烯精餾雙塔的影響，確定了更為合理的工藝調整方法，可應用于指導類似丙烯精餾塔的操作優化。

1 工藝流程簡述

某煉化公司氣體分餾裝置公稱規模為60萬噸/年，以經脫硫脫硫醇后的催化裂化裝置吸收穩定系統產出的液化氣為原料，將液化氣通過精餾的方法按四個塔(脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔、脫戊烷塔)的流程設計分離成C2、丙烯、丙烷、C4、C5餾分。其中，由于丙烯塔塔板數較多，分為兩個塔串聯操作，總塔板數為200層，如圖1所示，自脫乙烷塔底來的混合C3組分進入丙烯塔(1)進行傳質傳熱，丙烯塔(1)頂部的組分進入丙烯塔(2)底部作為上升氣相繼續完成精餾操作，塔(2)斧液通過中間泵送入塔(1)頂部作為液相內回流。塔(1)底的丙烷餾分經冷卻器冷卻后送至罐區。塔(2)頂部蒸出的丙烯經塔頂冷卻器后進入回流罐，回流罐中的冷凝液一部分通過回流泵送回塔(2)頂作為回流，另一部分作為丙烯產品經冷卻器冷卻后送至下游裝置。工藝上要求塔頂丙烯產品體積分數(φ)≥99.50%，塔底丙烷產品體積分數(φ)>95.00%。

2 丙烯精餾塔優化調整分析

2.1 進料組成對丙烯質量的影響

一般生產過程中，丙烯塔的進料流量和進料溫度相對穩定，進料組成會在不同時間發生一定變化，這種變化直接對丙烯塔工藝操作過程產生影響，不及時調整會出現產品質量問題[4]。在進料量、操作壓力、回流量、塔底熱源等工況不作調整的情況下,當進料中丙烷含量增加時，丙烯塔精餾段的負荷增加，對于固定了精餾段板數的塔而言，會導致塔頂采出產品中丙烷含量偏高，造成丙烯質量不合格；若進料中丙烯含量增加，丙烯塔提餾段的負荷增加，導致塔底釜液中丙烯含量偏高，既造成丙烯的損失，又使丙烷質量出現不合格的問題。

隨著進料組成中丙烯含暈變化，塔頂理論采出量也相對變化。該煉廠丙烯塔平均進料量按 32 t/h 計算，進料中丙烯體積分數(φ)一般在78%～83%，塔頂丙烯體積分數按≥99.50%(φ)，塔釜丙烯損失按≤5.00%(φ)計算，根據物料平衡公式1和公式2[5]，可得丙烯塔頂的理論采出量為24.46～26.21 t/h，生產中高于這個范圍就會造成丙烯純度降低甚至丙烯質量不合格。

F=D+W

(1)

Fxf=Dxd+Wxw

(2)

F—進料量；D—塔頂餾出物的量；W—塔釜餾出物的量；xf—進料中目標物含量；xd—塔頂餾出物中目標物含量；xw—塔釜餾出物中目標物含量。

本研究選取了2022年1月份3個丙烯純度不合格的時間點，經過 8 h 的操作調整后，均得到合格產品。由表1可以看出，丙烯純度不合格時，塔頂的實際采出量均高于理論采出量，表明塔頂丙烯產品中攜帶了過量的丙烷，導致丙烯純度降低，出現了不合格的問題。通過調整手段使塔頂的實際采出量低于理論采出量后，丙烯純度合格。因此，操作丙烯塔時有必要根據進料組成及時核算產品產量，將塔頂采出量控制在合理的范圍內，保證丙烯產品質量合格。

表1 丙烯塔頂產品采出量與體積分數

2.2 回流比對丙烯質量的影響

塔頂回流是保證丙烯精餾塔輕重組分連續分離的基本條件，是精餾過程的重要參數[6]。表2為進料中丙烯組成基本不變時不同回流量下丙烯產品純度變化，在進料中丙烯摩爾分率維持在81%的情況下，隨著回流量的增加，回流比增大，塔頂丙烯產品的純度也隨之變高。對于穩定操作的丙烯塔來說，當回流比減小時，理論塔板數增加，設備能耗減少，塔頂輕組分組成將變小；相反，當回流比增大時，理論塔板數減少，設備能耗增加，塔頂輕組分組成將變大。

表2 不同回流比下丙烯塔頂產品純度

在一個月時間內每天對丙烯塔頂回流量和丙烯產品質量進行固定監測，結果如圖2所示，隨著回流比的增大，丙烯純度呈現上升的總體趨勢，當回流比>19.00時，丙烯體積分數均>99.50%，達到合格標準；當回流比>20.50時，丙烯體積分數均>99.55%，丙烯質量進一步提升；當回流比>21.50時，丙烯體積分數均>99.60%，丙烯純度過高則會降低產量，影響經濟效益。因此，將丙烯塔頂回流比控制在19.50～20.50這個范圍內，既保證丙烯產品質量合格，又利于提高丙烯收率。

圖2 不同回流比下丙烯純度的變化曲線

2.3 塔壓和溫度對丙烯質量的影響

丙烯塔塔壓的控制是丙烯塔穩定操作的重要指標之一，在實際生產運行中，丙烯塔操作壓力的變化會對塔內部的氣液相平衡產生影響。當塔壓偏高時，丙烯和丙烷的相對揮發度減小，塔內整體的溫度升高，增大了分離難度，從而影響丙烯質量。在進料穩定的情況下，較低的操作壓力有利于保證產品質量[7]。而過低的塔壓也不利于丙烯塔的正常運行，因為塔頂溫度隨著塔壓的降低而逐步降低，塔頂溫度偏低時，塔頂冷凝器內的冷卻水就不能達到對塔頂組分的換熱效果，直接影響丙烯塔的平穩生產。因此有必要將塔壓控制在合適的范圍內，并使塔內的整體溫度和內部壓力構成對應關系，以達到輕重組分的分離要求[8]。

該丙烯塔在常規操作中要求塔頂壓力控制在1.75±0.20 MPa，塔底溫度控制在56.00±6.00 ℃，塔頂溫度控制在45.00±5.00 ℃，靈敏板位于30層塔板附近。在此工藝指標要求的范圍內操作仍存在丙烯質量不合格的可能，還需進一步精確控制相應壓力下塔內溫度來保證產品純度合格。從表3可看出，當塔頂壓力分別維持在1.72～1.73 MPa、1.75 MPa、1.78～1.79 MPa 時，較高的塔溫會導致丙烯體積分數<99.50%；而塔內各部分溫度下降后，丙烯體積分數均>99.50%，達到合格標準。塔壓和溫度發生變化，塔內氣液相間的平衡關系也發生改變，在塔壓穩定的情況下，較高的塔溫表明塔內氣相中重組分即丙烷的含量增加，這容易導致塔頂產品中丙烯含量低，致使丙烯質量不合格。本研究在相應壓力下通過調整塔底熱源降低塔內溫度的方式，特別是將靈敏板溫度的降低作為重要參考，來減少氣相中的丙烷組分，改善了丙烯產品質量。

表3 不同壓力和溫度下丙烯純度變化

3 結論

氣體分餾裝置丙烯精餾塔的進料組成、回流比、壓力和溫度是衡量塔頂丙烯產品質量的關鍵參數。本文通過對上述參數的調整，優化了丙烯精餾塔生產工藝，提高丙烯質量，并得出以下觀點：①丙烯精餾塔塔頂丙烯采出量需按照進料組成及時調整，控制塔頂的實際采出量低于理論采出量。②對于該裝置，將丙烯塔頂回流比控制在19.50～20.50可以保證丙烯產品體積分數≥99.50%(φ%)，達到合格標準。③塔壓一定時，需將塔溫控制在合理范圍內變化，過高的塔溫容易導致丙烯質量不合格，適當降低靈敏板溫度有利于提高丙烯純度。