淺析MTP改擴建工程空分裝置的設計

劉 娜 毛向禹 中國寰球工程公司 北京 100012

某集團已建設一套MTP裝置 (簡稱烯烴一套裝置)，其生產能力為甲醇1670 kt/a，聚丙烯500 kt/a。在此基礎上，將建設MTP二套裝置 (以下簡稱烯烴二套裝置)，其規模與烯烴一套裝置相同。

對烯烴二套的空分裝置設計，提出兩個方案，通過對其兩個方案的工藝流程、設備配置、公用工程消耗、投資等進行了方案比選，實現設計優化。

1 空分裝置

烯烴二套裝置主要包括MTP裝置以及PP、甲醇合成、火炬、罐區、空分裝置等配套裝置。各裝置高壓氮氣和低壓氮氣的用量及壓力要求分別見表1和表2，均無氧氣用量。

氮氣規格:溫度約37℃;純度≥99.99%;其中，氧氣含量≤5 ppm;二氧化碳≤1 ppm;一氧化碳≤1 ppm;水≤2 ppm。

由表1可知，各裝置高壓氮氣用量較小，且均為間歇使用。現有甲醇裝置的高壓氮氣余量為30000 Nm3/h，壓力5.6～6.0 MPa(G)，產量和壓力均能滿足需求，故可依托該甲醇裝置。

根據表2低壓氮氣用量表，連續用量疊加兩個最大間斷用量，確定本空分裝置的總生產能力為135000 Nm3/h的純氮裝置。空分裝置年操作時間為8000 h。

表1 高壓氮氣用量

表2 低壓氮氣用量

2 工藝方案

2.1 方案一

新建一套能力為135000 Nm3/h的純氮空分裝置，流程見圖1。

圖1 方案一的流程簡圖

采用原料空氣壓縮、分子篩吸附凈化及增壓透平膨脹機工藝流程。整套設備包括:空氣過濾系統、空氣壓縮系統、空氣預冷系統、分子篩純化系統、分餾塔系統、液體貯存系統、氮氣外壓縮系統、儀控系統、電控系統等。

原料空氣經吸入口吸入，進自潔式空氣過濾器，濾去塵埃和機械雜質，然后進主空壓機，壓縮后的氣體進空氣預冷系統中的空氣冷卻塔，在其中被水冷卻和洗滌。空氣冷卻塔采用循環冷卻水和水冷塔冷卻過的低溫冷卻水冷卻，以盡可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負荷。空氣冷卻塔頂部設有游離水分離裝置，以防止工藝空氣中游離水份帶至下游空氣純化系統。

出空氣預冷系統的工藝空氣進入用來吸附除去水份、二氧化碳、碳氫化合物的空氣純化系統，純化系統中的吸附器由兩臺容器組成;兩臺吸附容器采用雙層床結構，當一臺運行時，另一臺則由來自冷箱中的污氮通過蒸汽加熱器加熱后進行再生。再生氣的加熱在蒸汽加熱器中完成。出空氣純化系統的潔凈工藝空氣直接進冷箱內的低壓主換熱器，被返流氣體冷卻，接近露點的空氣進下塔的底部，進行第一次分餾。在精餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸，傳熱傳質后，在頂部得到純氮氣。一部分氮氣經主換熱器復熱后送出冷箱經氮壓機壓縮后作為產品氮氣，剩下的純氮進下塔頂部的主冷凝蒸發器被冷凝，在氣氮冷凝的同時，主冷凝蒸發器中的液體得到汽化。一部分液氮作為下塔的回流液，部分液氮作為產品液氮送去貯槽，其余液氮經過冷節流后送入上塔。在下塔中產生的液空經過冷器過冷，節流后進上塔參與精餾，在上塔內，經過再次精餾，得到低壓產品氮氣和富氧空氣。低壓產品氮氣由上塔頂部抽出，經主換熱器復熱出冷箱送氮氣壓縮機壓縮后供用戶。富氧空氣從上塔底部抽出，經主換熱器復熱后一部分去純化系統作為再生氣，多余部分送去預冷系統水冷塔制冷。裝置所需的大部分冷量由增壓透平膨脹機提供。

2.2 方案二

利用烯烴一套裝置空分放空的污氮氣，對其進一步提純，得到符合要求的產品氮氣，用于烯烴二套裝置，流程見圖2。

圖2 方案二的流程簡圖

烯烴一套空分裝置水冷塔放空的污氮氣和分子篩再生排放的污氮氣量約為532000 Nm3/h，正常工況僅需要168500 Nm3/h的污氮氣，經進一步提純，得到135000 Nm3/h的產品氮氣，滿足烯烴二套裝置氮氣用戶要求。烯烴一套空分裝置由于抽出污氮氣而導致的水冷塔冷量損失可通過增加一臺冷水機組彌補。

該工藝采用污氮氣壓縮機壓縮、透平膨脹機制冷、雙塔精餾、氮氣外壓縮的工藝流程。整套機組包括:原料污氮氣壓縮機系統、透平膨脹機系統、分餾塔系統、氮氣外壓縮系統、貯存汽化系統、儀電控系統等。

烯烴一套空分裝置的原料污氮氣經烯烴二套空分裝置污氮氣壓縮機壓縮后，由冷卻器冷卻到40℃，直接進冷箱內的主換熱器，被返流出來的氣體冷卻，接近露點的污氮氣進下塔的底部，進行第一次分餾。在精餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸，傳熱傳質后，在頂部得到純氮氣，由此可以抽出部分滿足產品要求的氮氣。純氮進下塔頂部的主冷凝蒸發器被冷凝，在氣氮冷凝的同時，主冷凝蒸發器中的富氧液空得到氣化。一部分液氮作為下塔的回流液回流，部分液氮作為產品液氮送去儲槽，其余液氮經過冷節流后送入上塔。在下塔中產生的液空及液氮經主換熱器過冷，節流后進上塔參與精餾，在上塔內，經過再次精餾，得到產品氮氣和富氧空氣。在上塔頂部可以得到純氮氣，經過主換熱器復熱后出冷箱，經氮壓機增壓送用戶管網。裝置所需的大部份冷量由透平膨脹機提供。由上塔底部抽出的富氧空氣，經主換熱器復熱，進膨脹機膨脹制冷，再次經過主換熱器復熱后放空。

2.3 方案比選

表3和表4分別列出兩種方案的設備選型、公用工程消耗。

表3 兩種方案設備選型

表4 兩種方案公用工程消耗

通過表3兩方案設備選型的對比，可見污氮提純方案無空氣過濾系統、空氣預冷系統、空氣純化系統，此外，其壓縮系統規模比新建方案的壓縮系統規模略小。由此易見，在一次性投資和占地面積上，污氮提純方案優于新建空分的方案。

通過表4兩方案公用工程消耗的對比，說明污氮提純方案在水、電、蒸汽等公用工程消耗上得到節約。因此，長期運行費用，污氮提純方案優于新建空分方案。

綜上所述，污氮氣提純方案有很多優點。但由于該方案依托于烯烴一套空分，烯烴二套裝置的空分運行受烯烴一套裝置空分運行的限制，無法獨立運行，因此該方案也存在一定的局限性。

3 結語

通過上述兩種方案的詳細對比，得出結論:污氮提純方案優于新建空分方案。利用原有空分裝置污氮氣提純，不僅僅對于MTP改擴建項目空分裝置的設計有著重要意義，而且這對于今后更多的改擴建項目的空分方案的設計，提供了更廣闊的思路。