丙烯精馏系统运行工况分析

工业求乙烯工业2012,24(1)19~23ETHYLENE INDUSTRY丙烯精馏系统运行工况分析贡宝仁(中国石化扬子石油化工有限公司,江苏南京210048)摘要:分析了扬子1号乙烯装置丙烯精馏系统存在的主要问题,应用统计分析和计算模拟手段,找出产生问题的主要原因,制定相应的对策、措施,通过优化调整,实现系统高负荷平稳运行。关键词:丙烯精馏运行工况分析在乙烯装置中,丙烯精馏塔将完成丙烯、丙烷EA425A/B/C二元混合物的分离任务,塔顶采出聚合级丙烯产丙烯精留塔DA406/1回流品(丙烯纯度(φ,下同)高于99.6%),塔底采出丙烷产品,是乙烯装置的关键塔系。丙烯精馏塔是进料乙烯装置较为特殊的一个塔系,在45℃下,丙烯丙烯产品丙烷精馏塔的饱和蒸汽压为1.81MPa,丙烷的饱和蒸汽压为DA4101.5IMPa,丙烯和丙烷的相对挥发度为1.198,分离难度大,因此分离所需的塔板数多(通常在155EA424A/B厂裂解炉层到230层之间),回流比大(回流比通常达到14EA601以上),能量消耗高。YQW目前,各乙烯装置丙烯精馏塔系统均存在较GA426A/BCLPG去BL多问题,主要表现为:塔顶丙烯产品时有不合格,图1丙烯精馏系统工艺流程示意塔底的丙烷产品中丙烯含量高等。分析中国石化DA406塔原设计塔径4500mm,塔高69m,扬子石油化工有限公司烯烃厂(以下简称扬子)1内装153块浮阀塔盘,当进料碳三馏分中丙烯含号乙烯装置内烯精馏系统存在的主要问题,并通量(φ,下同)不小于965%时,进料板在第70块过优化调整,实现系统高负荷平稳运行。板;当进料碳三馏分中丙烯含量不大于95.0%时,进料板在第80块板,塔釜丙烯设计含量小于乙烯装置丙烯精馏塔系统工艺说明13.6%。由于大量丙烯进人碳三液化气中,丙烯扬子1号乙烯装置(300kya)丙烯精馏塔系损失严重。为此,19年增设DA410,由DA406统原设计为单塔(DA406)实现对丙烯与丙烷的分DA410两塔串联实现对丙烯与丙烷的分离。离,1990年增设丙烷精馏塔(DA410),由2座塔串DA406塔釜产出作为DA410塔的进料,DA406塔联实现对丙烯与丙烷的分离。在DA406塔顶得到釜再沸器EA424作为DA406/410的中间再沸器,纯度大于99.6%的聚合级丙烯产品,在DA410塔靠近塔釜的侧线气相采出循环丙烷,塔釜采出重收稿日期:2012-02-09。组分含量较大的液相丙烷产品。1995年对1号乙作者简介1Q84年比业干汀苏化工学院有机系有烯装置进行扩容改造,装置能力提高至400kt/a,机化工专中国煤化工希的生产、技术管理该系统未进行改造。扬子1号乙烯装置丙烯精馏工作覆⊥ CNMHGE副总工程师,高系统工艺流程见图1。级工程师乙烯工业第24卷提供约92.6%分离丙烯丙烷所需的热负荷。日期间,DA406/410塔的运行参数、DA410侧线气DA410设计塔径2200mm,塔高32.87m,内装50相丙烷的人工分析样和DA406塔塔顶丙烯产品的块浮阀塔盘,设计塔釜丙烯含量小于5.0%,大幅人工分析样。期间回流量波动区间为272-349υh降低了丙烯损失。进料负荷波动区间为18.7~28.7th,回流比波动区间为14.24~20.77(见图4),再沸器加热总负丙烯精馏系统存在问题荷波动区间为88.66~109.57MJh。对数据的研自2011年5月以来,DA410塔侧线气相采出究对比表明:DA410侧线气相丙烷中丙烯浓度、丙烷中丙烯浓度显著升高,从6月1日到8月28DA406塔顶丙烯产品中丙烷浓度超标并不一定出日,丙烷中丙烯含量大于5%的共53d,最高达现在塔内汽液负荷过高的工况中。即塔内汽液负2197%,平均达到8.53%,见图2。同时DA406塔荷仍处于塔所能处理的弹性区间内;但回流比的顶丙烯产品中出现丙烷浓度超标现象12次,见图3。大幅度波动,导致DA406/410塔运行极不稳定,当回流比小于144(设计为13.6)时,时常发生丙烯89如产品中丙烷浓度超标现象。因此,丙烯产品中丙烷浓度超标主要是塔顶回流比波动引起的。耳￥哥6-0106-1506-2907-1307-2708-1008-24时间(2011年)图2DA410塔塔侧线气相采出丙烷中丙烯浓度统计0106-1506-290-1307-2708-1008-24090709-21时间(2011年)细040图4DA406塔回流比波动曲线0.3532影响DA410侧线气相丙烷中丙烯浓度的因025素分析0.2006-0106-1506-2907-1307-2708-1008-24DA410侧线气相丙烷中丙烯浓度基本上与气时间(2011年)相中重组分的总含量正相关(具体数据见图5。其图3DA406塔顶丙烯产品中丙烷含量统计中重组分包括:丙炔丙二烯、1,3-丁二烯、丁烷丁烯、异戊烷等)。3丙烯精馏系统存在问题的原因分析根据精馏原理,混合物的分离是依靠塔顶回流和塔釜加热在精馏塔内实现多级汽液分离,在分离级数足够多的情况下,进入塔内的二元混合物最终在塔顶得到几乎纯的轻组分,在塔釜得到几乎纯的重组分。对于实际生产中的精馏塔,塔顶塔釜产品未能达到预期的分离效果,其本质原06-0106-1106-2107-0107-1107-2107-3108-1008-20因是塔内汽液传质效果变差。而导致汽液传质效时间(2011年)果变差的原因则包括:由液沫夹带和液泛等操作状图5DA410侧线气相丙烷中丙烯及重组分浓度况恶化引起的塔板效率下降、塔顶回流不足或塔釜加热不足使得每层塔板上的汽液传质量下降。对于3.1丙烯产品中丙烷浓度波动的原因分析析如下H中国煤化工著升高的原因分CNMH仅有一个自由采集了自2011年6月1日至2011年8月28度,即恒温下压力与汽液组成一一对应,恒压下,第24卷贡宝仁.丙烯精馏系统运行工况分析则温度与汽液组成一一对应。精馏塔的操作,在品和DA410塔侧线气相丙烷等物料的组成见表正常情况下是一个恒压系统,因此,塔内的汽液组1。设计和实际运行工况模拟结果与设计和实际成与温度呈一一对应关系(除靠近塔釜处,因为重运行数据见表2、表3。组分的存在,使得这种一一对应关系不复存在)表1设计工况下塔顶塔釜采出物料组成φ,%由于受外界各种因素的干扰,塔压不可避免地会进料丙烯产品侧线气相丙烷出现一定程度的波动,但也可通过压力补偿技术况设计实际设计实际设计实际碳二0.01700.0100.019消除压力波动对温度与汽液组成一一对应关系的000影响。由此可根据灵敏板温度的变化对塔釜侧两10D09明50(50n做00010.5100.000线气相采出丙烷中的丙烯浓度进行实时监测。丙烯如果DA06进料中沸点比丙烷高的重组分含丙烷4.8725.28004038丁二烯0.010.020000.410.16量过大,会给精馏过程带来负面影响,其中包括丁烯丁烷0.200.00|5.11塔釜温度升高,釜液与再沸剂间的传热温差下降异戊烷0.0050.050000.830.0换热效果变差;如果重组分中含有部分易聚合的表2设计工况模拟结果与设计数据对比物质,还会因聚合物在再沸器壁面沉积,导致传热项目设计数据模拟结果系数下降。DA410塔釜换热效果下降导致气相丙DA406塔顶温度/℃47.848.2烷采出中丙烯浓度发生变化的原因在于:DA06/DA406塔釜温度/℃54.555.0DA410塔釜温度/℃61.562.3410塔物料汽化主要在DA406塔釜完成,DA406回流罐流量/(tb-2)329.7324.7塔釜汽化量大约占到整个塔内气相流量的92%。DA0丙烯产品采出流量/(th-)2DA410侧线与塔釜丙烷采出总流量/(th1)1.4061.401在急冷水总流量一定时,为保证DA406塔塔釜物DA406塔釜再沸热负荷/(Mh-)87.95料一定的汽化量,其所需的急冷水加热量也要保D406塔釜再沸热负荷(M0:b持相对稳定(因DA406釜温比DA410釜温低,易表3实际工况模拟结果与实际运行数据对比聚合物质含量低,不会聚合),当DA410塔塔釜因实际数据模拟结果DA406温度/℃46.746.1受到急冷水总流量的限制,塔釜汽化不足,导致大DA406塔釜温度2它聚合换热效果变差时则DA410塔塔釜的加热量DA400塔第16板50.350.853.453.3DA410塔顶温度/℃52.753.3量丙烯被塔内液相冲洗下来气相丙烷采出中丙DA410塔釜温度/℃67.464.5烯浓度增加。回流罐流量/(t·h-1324.4DA406丙烯产品采出流量/(th-1)22.综上所述,要实现对DA410侧线气相丙烷采DA40侧线气相丙烷采出流量/(tb)119120出中丙烯浓度的控制,必须改善DA406进料状况,DA10塔釜液相采出流量/(th-)0.33避免进料中夹带过多的碳四等重组分。此外,设计工况和实际工况的模拟结果表明,所建DA406进料的人工分析样结果表明,丙二烯和甲立的模型能良好反映装置的实际运行过程。因基乙炔含量波动较大,需要加强对碳三加氢反应而,该模型能够应用于研究实际装置的运行状况,器出口组成的监测,防止因加氢不足,导致将进入对相关的操作变量进行灵敏度分析与优化研究。DA406塔的丙二烯和甲基乙炔在DA410塔釜形成4.1DA406塔进料中丙烷浓度影响因素分析聚合物,影响塔釜换热。由于实际生产裂解原料灵活多变,因而裂解气组成也会呈现相应的变化。为使丙烯精馏过程4DA406/410塔的操作模拟优化运行在相中国煤化了裂解气组成变为实现对DA406/410塔的操作优化,对其设化较大时CNMHG原料的进料板计工况和实际运行工况进行流程模拟。在设计工位置进行相应的调整,以满足精馏过程对塔顶丙况和实际运行工况下,DA406塔进料塔顶丙烯产烯产品中丙烷等杂质和对循环丙烷中丙烯损失的乙烯工业第24卷控制要求。根据模型,研究最佳进料板位置随丙14.60烯精馏塔进料组成变化的曲线见图6。14401101400鲥烂聪谜举实000回13.80405060708090100110120进料板(实际板数)位置图7DA406塔进料中丙烷浓度为3.4%时,丙烯精馏塔进料中丙烷浓度(φ),%所需回流比与进料板位置的关系图6最佳进料板位置随进料中丙烷浓度的变化曲线根据对实际装置裂解气组成中丙烷和丙烯相1580对组成的统计平均,丙烷浓度的波动区间为1560彐15434%~6.9%,平均值为4.9%。为此,特对进料中丙烷浓度变化与最佳进料板进行研究,规定丙回區14.80烯产品中丙烷浓度控制在0.35%,DA410塔侧线1460气相丙烷中丙烯浓度控制在4%,进行流程模拟565758595105115125得到如图7、8、9所示。进料板(实际板数)位置由图7、89可知,随着进料中丙烷浓度的增图8DA406塔进料中丙烷浓度为4.9%时加,最佳进料板位置下移。在丙烷组成一定的情所需回流比与进料板位置的关系况下,在最佳进料板位置上下4块板左右进料对精馏过程的影响较小。随着偏离最佳进料板位置变大,达到相同的产品分离纯度所需的回流比将会迅速增加。即最佳进料位置是一个范围相对较宽的进料带,这是因为丙烯和丙烷的相对挥发度按1620很接近,相邻板上汽液组分的差异较小,即在最佳进料板附近,塔板上液相组成与进料组成也很接60708090100110120130近,这也是丙烯精馏过程与一般精馏过程的一个进料板(实际板数)位置显著的不同之处。由图7可知,当进料中丙烷浓图9DA406塔进料中丙烷浓度为6.9%时,度为3.4%时,最佳的进料板位置在72块板附近。所需回流比与进料板位置的关系图8的曲线则表明,当进料中丙烷浓度为4.9%度),它将影响塔内汽、液相负荷,影响塔板传质效时,最佳进料板位置在85块板附近。根据线性插率,影响塔顶、塔釜产品质量,同时影响产品分离值可以估算,当进料中丙烷浓度为375%时,最佳能耗。图10为DA406塔回流比与丙烯产品中丙进料板位置在第75块附近。目前丙烯精馏塔分烷浓度的关系曲线别在第70块板和第80块板开有进料口。由此可由图10可知,随着回流比的提高,DA406塔知,当进料组成丙烷低于3.75%时,选择在第70顶丙烯产品中丙烷浓度降低。由图7、8、9可知,块板进料,高于此值时,选择在第80块板进料。为保证DA塔丙品由丙烷浓度低于4.2DA406塔回流比的影响分析中国煤化工0.4%,在塔进料中丙烷CNMHG回流比是精馏塔的一个重要控制指标。在其浓度分别344.7、,岁70叫,回流比分别为它条件不变的情况下(进料条件、塔压、回流温13.6、15.4、16.1。可见DA406塔的回流比应跟随第贡宝仁.丙烯精馏系统运行工况分析23进料中丙烷浓度的变化而变化,当进料中丙烷浓低,DA410塔釜侧线气相丙烷中丙烯浓度将升高。度升高时,应适当加大回流比。当塔釜侧线气相丙烷中丙烯浓度在3%~5%时塔釜热负荷较低。26.0017.0过洲24.0014.0015202.53.03.54.04.5丙烯产品中丙烷浓度(φ),%DA410侧线气相丙烷浓度(φ),%图10DA406塔顶回流比与丙烯产品中图11DA406/410塔釜总加热负荷与DA410丙烷浓度的关系曲线侧线气相丙烷中丙烯浓度的关系曲线4.3DA406/410塔签热负荷的影响分析DA406/410塔釜热负荷的高低,将影响整个5DA406/410塔系统调整后运行情况系统的热量平衡。在塔的分离能力许可的情况扬子1号乙烯装置DA406/410塔系统于2011下,增大塔釜加热量,塔釜侧线气相丙烷中丙烯浓年9月进行了优化调整,进料板调整至第80块塔度将降低,但须增大塔顶回流;降低塔釜加热量,板。优化调整后的操作运行参数见表4。由表4DA410侧线气相丙烷中丙烯浓度将增大。因此,合可知,装置负荷比设计高10.5%,进料中丙烷含量理的塔釜热负荷和控制合适的侧线气相丙烷中的丙平均比设计高1.81%的情况下,系统运行稳定,烯浓度,可大幅降低精馏塔的能耗。图11.为塔釜热DA406塔顶丙烯产品合格,DA410塔釜侧线采岀负荷与侧线气相丙烷中丙烯浓度的关系曲线。丙烷中丙烯含量低于5%,达到设计要求,丙烯损由图11可知,随着DA406/410塔釜热负荷降失少表4DA406/410塔系统优化调整后的操作运行参数项目D-1实际作运行参数(201年9月10日-10月14日)09-1009-14091809-2209-2609-3010-0610-10平均进料中丙烷含量(g)4.876.487.744.797.246.526.907.146.666.68丙烯产品中丙烷含量(φ),%<0.400.340.330.300.390.320.370.0.390.35侧线丙烷中丙烯含量(q),%<5005.025.333.584.683.764.894.994.924.65DA406塔塔顶温度/℃45.245.746.146.846.546.346.0DA406塔釜温度/℃54.553.453.252953.553.654.153.954.DA410塔釜温度/℃61.562.362.862.062.463.063.263.762.862.8回流量/(h·t1329.73819399.8387.0382.8380.2386.1387.1398.4387.9丙烯产品量/(h·t1)22.2424.8524.5624.8824.5724.6124.3623.9124.8724.58回流比14.815.3716.2815.5515.5815.4515.8416.1916.0215.79DA410侧线丙烷采出量/(kg·h-b)140662615881558162516101622158816101603DA410塔釜液相采出量/(kg·h-1)33035635530935534035925A406塔釜再沸热负荷/(M·h)86.2780.4881.4980.6181.6781.2482.0582.7482.0581.54DA410塔釜再沸热负荷(M·h6.%018.018.0518.8118.4318.9718.5418.2718.6518.556结论随进料中丙烷浓度的变化而变化,当进料中丙烷(1)要实现对丙烷精馏塔塔釜侧线采出气相浓度升髙时,适当加大回流比。为防止丙烯精馏丙烷中丙烯浓度的控制,必须改善进料状况,避免塔顶丙烯产品中丙烷浓度超标,回流比的调幅不进料中夹带过多的碳四等重组分。应太大。2)当丙婚糖馏塔进料中丙烷含量低于(4)随着中苗煤花峰低,塔釜侧3.75%时,选择在第70块板进料,高于此值时选线气相丙烷CNMHG金侧线气相择在第80块板进料。丙烷中丙烯浓度控制在3%~5%时,塔釜热负荷(3)丙烯精馏塔的回流比应大于14.4,并跟较低,节能效果显著。