乙烷逐步替代石脑油对分离系统的影响分析.pdf

综综综综综综综综综综综综 述述述述述述述述述述述述乙 烯 工 业()乙烷逐步替代石脑油对分离系统的影响分析赵百仁 王振维 盛在行 李广华(中国石化工程建设有限公司 北京)摘 要:在全石脑油原料的乙烯装置上保持乙烯产量不变逐步用乙烷替代石脑油 通过分离系统的全流程模拟研究发现急冷区、压缩区和热区负荷都是降低的冷箱的氢气和循环乙烷流道、乙烯精馏塔的提馏段首先出现瓶颈压缩机出现瓶颈的次序是低压甲烷压缩机、甲烷制冷机和乙烯制冷机 替代石脑油不超过 可通过调整操作实现不超过 可通过局部改造实现关键词:乙烷 替代石脑油 分离 瓶颈 受油气资源的限制我国的乙烯装置仍是以石脑油()等液体原料为主 石脑油通常与成品油关联价格随着国际油价的上涨而上涨而炼厂或油气开采中的乙烷如果不能作为裂解原料往往兑入天然气中作燃料使用 石脑油作裂解原料双烯收率一般约在 而乙烷裂解乙烯收率可达到 年以来国际油价持续高涨采用石脑油等液体原料的乙烯装置利润被严重挤压 为降低乙烯装置原料成本提高乙烯收率降低装置能耗增加企业经济效益用上游廉价乙烷替代价格高企的石脑油使裂解原料轻质化显得尤为重要本文以 套 /乙烯(年操作时间按 计)的石脑油裂解装置为例逐步增加替代石脑油原料的乙烷量通过流程模拟研究对比分析原料调整与分离各单元负荷变化趋势的对应关系找出操作瓶颈和可替代限度探讨对乙烯装置的影响规律以期优化设计、指导生产 流程、原料及工况的选取.流程说明乙烯装置所采用的工艺技术路线有多种但管式蒸汽裂解和深冷分离的工作原理基本是一致的 选择 套国内应用较多的、早期的传统顺序分离流程进行研究对比其它流程的情况基本相同该流程分离部分包括急冷、压缩、碳一分离、碳二分离、热区和制冷系统等区段(见图)进入急冷区的裂解气经油洗和水洗分离出裂解燃料油()、裂解柴油()和重质裂解汽油且进一步冷却到 左右再送入裂解气压缩系统裂解气压缩机采用五段碱洗在三、四段之间 段间凝液依次前返前 段烃液及急冷区重汽油作为汽油汽提塔进料后 段烃液送凝液汽提塔处理水相全部返急冷水塔回收 压缩后的裂解气经干燥送入激冷系统碳一分离区包括三级激冷、一级甲烷/氢分离和单塔低压脱甲烷所需要的冷量由丙烯制冷、乙烯制冷和甲烷制冷提供并回收乙烯产品、循环乙烷、乙烯精馏塔中沸、脱甲烷塔釜液、脱甲烷塔再沸器与中沸器等冷量 所得粗氢纯度(摩尔分数)送甲烷化系统所得甲烷分高、低压两种低压甲烷由燃料气压缩机送出脱甲烷塔釜液分 股进脱乙烷塔 该塔分离出的气相经碳二加氢、绿油洗涤和乙烯干燥后进行高压乙烯精馏 乙烯精馏塔含巴式精馏段侧线采出聚合级乙烯塔釜液为乙烷循环返回收稿日期:修改稿收到日期:作者简介:赵百仁男 年毕业于清华大学化学工程专业工学硕士长期从事乙烯、和 等化工装置的设计工作获国家科技进步奖 项省部级奖 项正高级工程师 乙 烯 工 业第 卷解炉裂解热区包括高/低压双塔脱丙烷、碳三干燥与液相加氢、甲烷汽提、丙烯精馏和脱丁烷等系统 上游凝液汽提塔和脱乙烷塔釜液作为进料分离出聚合级丙烯、混合 和粗裂解汽油等产品丙烷返炉区循环裂解制冷系统是传统的丙烯和乙烯复迭制冷其中丙烯 个冷级乙烯 个冷级汽油分馏塔减黏塔急冷水塔裂解气压缩机一 三段后冷器排出罐碱洗塔吸入罐裂解气压缩机四 五段干燥器凝液汽提塔前冷冷箱分离罐脱甲烷塔膨胀机换热器脱乙烷塔碳二加氢乙烯精馏塔高压脱丙烷塔低压脱丙烷塔碳三加氢甲烷汽提塔 号、号丙烯精馏塔脱丁烷塔丙烯制冷压缩机乙烯制冷压缩机图 乙烯装置分离工艺流程示意.裂解原料及工况选取乙烯 装 置 现 有 新 鲜 裂 解 原 料 为 石 脑 油()用量约 /新增原料为乙烷()装置自产的乙烷和丙烷循环裂解 原装置的设计裕量以 计按照新增乙烷原料流量从小到大的次序选取、/个点对应工况依次称为、和 保持乙烯产量 /不变替代原有的石脑油(见表)表 原料替代情况项目工况新鲜乙烷产乙烯/().对应的石脑油量变化.由于乙烷裂解生产乙烯的收率高 乙烷可替代约.石脑油 故用乙烷替代石脑油后原料消耗量会明显降低有利于减少原料成本及降低乙烯装置的能耗 分离部分研究结果在乙烯产量维持不变的情况下与全石脑油工况相比从总物料平衡的比较来看增加乙烷原料后裂解产物中仅循环乙烷、氢气和 量增加其它产物的产量以及裂解气总量均是减少的 所以只有与这些组分直接相关的系统才可能出现瓶颈而其它大部分单元负荷应均是降低的 下面对分离部分各单元的具体影响通过流程模拟计算逐一加以分析阐述 第 卷赵百仁等.乙烷逐步替代石脑油对分离系统的影响分析 .急冷区.急冷区主要物流流量变化急冷区主要物流流量随乙烷原料量的变化情况见表 裂解柴油与裂解燃料油产量变化与石脑油原料的降幅几乎相同 乙烷裂解时 和 产量很少对它们产量的贡献主要来自石脑油等其它原料这就是这两种产物产量几乎等比例下降的原因石脑油裂解稀释蒸汽配比约.()而乙烷裂解的稀释蒸汽配比仅.故裂解炉所需要的稀释蒸汽量和急冷区所处理的工艺水量均是降低的综合裂解原料量/裂解气量、/等重组分产量、稀释蒸汽配比等的减少裂解气带入急冷区热量降低所以循环急冷油、回流汽油和循环急冷水等内部取热物流的流量也随之减少表 急冷区各主要物流质量流量变化率项目工况裂解气(干基).稀释蒸汽.循环急冷油.回流汽油.循环急冷水.工艺水.急冷区各塔降负荷操作由于裂解气、稀释蒸汽、和 等急冷区主要输入/输出均是减少的相应的内部物流循环急冷油、回流汽油、循环急冷水和工艺水等流量也是减少的故用乙烷替代石脑油后急冷区的负荷总体是下降的(见表)表 急冷区各塔负荷达不到 操作下限的区域项目工况汽油分馏塔下部减黏塔 汽提塔急冷水塔下段工艺水汽提塔 乙烷原料增加到一定程度后对于负荷偏低的塔必要时可适当加大循环操作 如减黏塔和裂解柴油汽提塔可开启一部分 和 循环 随着裂解原料的轻质化裂解气中重组分减少汽油分馏塔釜温下降不利于循环急冷油的取热导致汽油分馏塔热量上移 操作中解决的方法依次有增加急冷油中段返回、加大盘油取热或加大汽油回流等在一定范围内仍可正常运行随着原料变轻急冷水塔下段负荷和釜温也有下降趋势 若汽油分馏塔塔顶温偏高回流汽油量偏大则易出现急冷水乳化的问题操作中应注意总之对于急冷区这些塔的操作而言建议乙烷最大的替代比不超过 乙 烯 工 业第 卷.稀释蒸汽发生情况由于急冷油()发生稀释蒸汽()的量下降较大导致补充发生稀释蒸汽的中压蒸汽量()增加、/发生器负荷增大 但该换热器设计时要考虑开车工况正常操作裕量较大所以维持正常操作一般不成问题.压缩区.压缩操作参数变化)功率变化裂解气压缩机轴功率随乙烷原料量的变化情况如图 所示图 裂解气压缩机轴功率随乙烷原料量的变化用乙烷替代石脑油后裂解气压缩机的负荷下降但幅度较小对应各工况分别为 .和 .降幅仅石脑油原料降幅的.倍分析其原因以裂解气压缩机()一段为例进入压缩区的裂解气质量流量是减少的降幅约为石脑油降幅的.倍但由于分子量的减小体积流量的减少幅度较小仅为石脑油降幅的.倍)压缩区换热器负荷变化压缩区的裂解气干燥器 号进料激冷器用脱乙烷塔下进料做冷却介质因循环乙烷量的增加其负荷是增大的除此之外压缩机各段后冷器、碱洗塔进料加热器、干燥器 号进料激冷器(用丙烯冷剂)等换热器的负荷都是降低的随着乙烷原料的增加裂解气分子量降低在压缩比等机械参数不变的情况下虽然裂解气压缩机各段出口温度(以一段为例见图)有所提高但这只是加大了后冷器的换热温差有利于提高后冷器的换热效果图 裂解气压缩机出口温度随乙烷原料量的变化.压缩区其它单元)碱洗与干燥随着乙烷原料的增加碱洗塔入口裂解气流量降低虽然 浓度略有增加但酸性气的总浓度仍是降低的故碱洗系统的操作无影响该流程压缩系统仅一组裂解气气相干燥器其入口裂解气体积流量虽略有增加但绝对含水量是减少的干燥需求未超过原设计裕量所以裂解气干燥器操作也无瓶颈)汽油和凝液汽提塔由于碳三及以上的重组分产量的减少汽油汽提塔和凝液汽提塔的负荷都是降低的(见表)当负荷低于 的操作下限时建议加大再沸提高循环量操作但此时能量利用率会有所下降 鉴于这两座塔负荷操作情况建议乙烷的最大替代比不超过 表 汽油和凝液汽提塔负荷达不到 操作下限的区域项目工况汽油汽提塔凝液汽提塔上部气气气/液下部气/液气/液上段气/液下段气/液 第 卷赵百仁等.乙烷逐步替代石脑油对分离系统的影响分析 .碳一分离.深冷系统由于裂解气中氢气量增加、乙烯量不变、循环乙烷量增加、其它重组分量减少激冷所需要的冷量有所后移导致乙烯和甲烷冷剂用量增加 同时由于甲烷量减少氢/甲烷分离所需要的冷量不足为使氢气纯度(摩尔分数)仍达到 需通过 阀将更多的氢气补入到低压甲烷中 故冷箱系统中有关低压甲烷和循环乙烷的流道流量均有明显增加(见表)从而引发 种结果:一是负荷增大二是阻力降上升冷箱中的大部分尾气换热器虽然低压甲烷和循环乙烷流道的负荷增加明显但总负荷变化较小 但进行/分离的最冷端板翅式换热器负荷增长较快(见表)若换热效果达不到氢气纯度会有所降低表 冷箱负荷变化(以最热端的板翅式换热器为例)项目工况循环乙烷流道基准.换热器基准.表 冷箱最冷端板翅式换热器负荷变化项目工况低压甲烷流道基准.换热器基准.从最冷端换热器的负荷增长幅度来看在氢气纯度不变的情况下乙烷增加不应超过 /即替代比为 循环乙烷汽化器设计裕量一般较大(如)在不进行扩能改造的前提下乙烷原料的最大增量应在 /即替代比约.脱甲烷塔由于甲烷量减少进入脱甲烷塔的甲烷量减少脱甲烷塔气相负荷减少上段降幅较大但下段变化甚微:液相负荷增加以顶段和中上段为最大部分区域已超过 的设计裕量 脱甲烷塔气、液负荷超标区域标示见表 表 脱甲烷塔负荷超标情况塔段工况 号液 液 气液 气液 号气 号液 号液 液 液 液 号液 液 号液 号 注:负荷低于 负荷高于.甲烷压缩机由于低压脱甲烷塔所需要的回流量增加甲烷制冷压缩机的负荷逐渐增大 对于 套 /乙烯的石脑油原料装置若甲烷制冷压缩机设计裕量仍为正常情况下的 则乙烷原料引入量不超过 /以替代石脑油即替代比 乙 烯 工 业第 卷以内时甲烷制冷压缩机可以承受由于低压甲烷量的增加和分子量的减少低压甲烷压缩机负荷增加明显 用乙烷替代石脑油的原料轻质化影响最大的是低压甲烷压缩机若原设计裕量为 则引入乙烷量应不超过/即替代比 否则就需要进行相应的扩能改造 甲烷压缩机负荷超设计裕量的区域见表 表 甲烷压缩机负荷超设计裕量的区域项目工况甲烷制冷压缩机基准低压甲烷压缩机基准 注:超原设计裕量.甲烷化系统乙烷原料增加后裂解气中的氢气含量增加明显但由于有部分氢气补入到低压甲烷中使摩尔分数为 的粗氢产量增幅放缓氢气回收率有所下降 甲烷化系统的负荷增长基本与粗氢产量变化相一致当然若能采取变压吸附()提纯氢气适当降低粗氢纯度要求就可多回收氢气.碳二分离.脱乙烷塔系统随着乙烷原料量的增加在乙烯产量保持不变的情况下循环乙烷量加大脱乙烷塔上段负荷逐渐增大 脱乙烷塔自上而下各塔段的气/液相负荷超标情况见表 故当乙烷原料量增加到/后应对脱乙烷塔中上段进行详细核算必要时更换塔内件予以扩能表 脱乙烷塔气/液相负荷超标情况塔段工况顶段气气 液气 液上段液气 液气 液中段气 液气 液下段气 脱乙烷塔冷凝器当乙烷原料增加到 /后负荷才超过设计裕量 再沸器负荷增加较低但由于釜温的提高导致换热温差下降急冷水()加热满足不了要求不足部分需要开启备用的低压蒸汽()再沸器补充.碳二加氢、绿油洗涤与干燥系统随着碳二加氢反应器进料量增加乙炔浓度是降低的且降低得更快导致乙炔总量减少(见表)故除阻力降有所增加外反应器能力尚能满足 绿油产生量也不会增加因此绿油洗涤系统可不动当乙烷原料增加到 /后碳二加氢进/出料换热器负荷超过设计裕量故设备需要改造此时乙烯干燥器进料量也已超过 的设计值但因其操作周期一般设计的较长所以适当缩短周期操作即可表 碳二加氢进料变化项目工况进料量/()基准.乙炔浓度()基准.第 卷赵百仁等.乙烷逐步替代石脑油对分离系统的影响分析 脱乙烷塔与乙烯精馏塔之间系统增加的阻力降可以综合考虑若有需要可在改造脱乙烷塔顶气相流出物压控阀和碳二加氢进/出料换热器时酌情减压补偿.乙烯精馏塔系统随着乙烷原料量的增加乙烯精馏塔下段负荷首先增大 当乙烷原料量增加在 /以内时乙烯精馏塔无须改造当增加到 /以上时乙烯精馏塔需进行水力学核算根据需要自下而上逐渐对内件进行扩能改造 因乙烯产量不变增加的只是乙烷故乙烯精馏塔塔壳径无需加大(见表)表 乙烯精馏塔气/液相负荷超过 设计裕量范围塔段工况巴氏精馏段气 液气 液精馏一段液气 液气 液精馏二段液气 液气 液提馏一段液气 液气 液中沸段液液气 液气 液提馏二段气 液气 液气 液气 液 乙烷原料量在 /以内冷凝器能力足够 中沸器受换热温差的影响负荷逐渐降低再沸器能力自乙烷原料量超过 /后就需要进行扩能 循环乙烷系统一般设计裕量(如)较大但乙烷原料增加到 /后进行相应地扩能改造也是必要的.热区随着乙烷原料量的增加由于碳三及以上组分的量均减少故热区各单元需降负荷操作(见图、图)对于各塔系(高压脱丙烷塔、低压脱丙烷塔、甲烷汽提塔、号和 号丙烯精馏塔、脱丁烷塔)若塔设计操作下限为 则可正常运行的最大乙烷原料量:丙烯精馏塔为 /高压脱丙烷塔和脱丁烷塔为 /甲烷汽提塔为 /低压脱丙烷塔为 /否则塔盘可能漏液效率下降因此需要加大回流操作 若加氢反应器允许操作下限为正常流量的则当乙烷进料量多于 /时碳三加氢应加大循环量操作以防止流量过低引起飞温.制冷系统乙烷原料增加时丙烯制冷压缩机前三段负荷增长第四段负荷下降总功率增长但增幅较小 从总功率来看仅当乙烷原料增加到 /以上时丙烯制冷压缩机才有必要考虑扩能改造图 热区塔气相负荷随乙烷原料量的变化图 热区塔液相负荷随乙烷原料量的变化 乙 烯 工 业第 卷而乙烷原料增加时分离所需要的低温位冷量增加乙烯制冷压缩机功率增大 当乙烷原料增加到 /以上时乙烯制冷压缩机即需要考虑扩能改造(见表)表 制冷机功率超过设计裕量()的范围段别工况丙烯制冷压缩机乙烯制冷压缩机一段二段三段四段合计 注:超原设计裕量 结语已有石脑油原料的乙烯装置在保持乙烯产量不变的情况下用乙烷原料逐渐替代石脑油原料裂解原料和裂解气总量均呈下降趋势因此有利于装置的节能降耗裂解产物中仅氢气和循环乙烷增加明显其它产物量基本都是减少的且越重的组分减少的量越多 由此对分离系统的研究发现急冷区、压缩区和热区负荷降低低于操作下限的塔系和单元可以加大回流或循环操作冷箱中氢气、低压甲烷和循环乙烷流道流量显著增大达到一定程度后相关设备需要扩能改造脱甲烷塔和脱乙烷塔自上而下、乙烯精馏塔自下而上逐渐超负荷必要时应进行改造碳二加氢、乙烯干燥及绿油洗涤无大瓶颈裂解气压缩机负荷略减可以正常运行 丙烯制冷压缩机、乙烯制冷压缩机、甲烷压缩机负荷增加温位越低增幅越大从总功率来看如无额外的裕量各制冷机无需扩能改造的最大乙烷原料量为:丙烯制冷压缩机 /乙烯制冷压缩机/甲烷制冷压缩机/而低压甲烷压缩机仅为 /参考文献:周强.乙烷替代石脑油制乙烯分析探讨.齐鲁石油化工():.赵文明.对我国乙烯原料路线多元化发展现状及趋势探讨.化学工业():.何盛宝王红秋王春娇.中国进口乙烷裂解制乙烯项目前景分析.化工进展():.赵百仁王振维盛在行.乙烷逐步替代石脑油对乙烯装置的影响.乙烯工业():.乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙烯烯烯烯烯烯烯烯烯烯在在在在在在在在在在线线线线线线线线线线中科炼化投用移动式 处理设施 月 日中科炼化投用 套移动式(挥发性有机物)处理设施用于处理不具备并入密闭吹扫系统的储罐检修蒸罐期间所产生的挥发性有机物 该设施投用后非甲烷总烃去除率达.以上优于国家 排放指标实现了蒸罐过程“零异味、零污染”此次为中科炼化汽油罐首次清罐不具备并入密闭吹扫系统的条件为实现储罐检修“气不上天油不落地”的目标该公司经过前期调研采纳同行业经验做法引入移动式 处理设施深化 污染防治做到精准、科学、依法治污该设施采用“冷凝 吸附”工艺先通过低温冷凝的方式将系统中的油水混合物进行分离再利用吸附的方式吸收不凝气体中残留的少量挥发性有机物实现达标排放消除异味 目前已处理回收油品约.有效消除现场异味为企业实现安全绿色高质量发展提供强有力的保障摘自中国石化新闻网 书书书?