乙烯焦油綜合利用項(xiàng)目中樹脂油填料塔的控制分析

□葛蘭蘭

一、引言

乙烯裂解重油是乙烯原料高溫縮合的產(chǎn)物，主要為芳烴化合物，富含茚及其同系物、萘、甲基萘以及碳?xì)浔认鄬^高的烷基芳烴類化合物，各餾分段均是有機(jī)合成的重要化工原料。目前，蘭州石化公司乙烯裂解重油年產(chǎn)量約為8.0萬噸，其中1.5萬噸用作石化廠開工鍋爐和丙烯腈焚燒爐燃料，其余6.5萬噸作為燃料油外銷。隨著燃料油附加稅征收的實(shí)施，不僅經(jīng)濟(jì)效益較差，而且會對環(huán)境造成污染。而通過進(jìn)一步深加工生產(chǎn)的石油萘、樹脂油、重組分油、古馬隆樹脂可用于有機(jī)化工的原料[1，2]。在提高產(chǎn)品附加值的同時(shí)，有利于環(huán)境的保護(hù)。項(xiàng)目中以乙烯裂解重油為原料，通過精密精餾分離，生產(chǎn)出具有良好市場前景的化工產(chǎn)品，如樹脂油、工業(yè)石油萘等。由于所用原料乙烯裂解重油組成復(fù)雜，粘度較大，同分異構(gòu)體及同系物較多，且具有熱敏性，高溫下容易結(jié)焦，所以分離工藝技術(shù)要求較高[3]。項(xiàng)目中設(shè)有樹脂油填料塔和粗萘填料塔作為核心分離設(shè)備，在選用高效填料和塔內(nèi)件的基礎(chǔ)上，為了以較高的分離效率來保證產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)省投資，本文以樹脂油填料塔為例，通過主要精餾參數(shù)的變化來探討精餾塔的控制系統(tǒng)，從而保證精餾過程能夠高效穩(wěn)定的操作。在化工單元操作中，精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作[4]，在石油化工工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，精餾是在能量驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)的過程。也是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)[5]，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。精餾塔的控制目標(biāo)是[1，6]，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，盡可能提高產(chǎn)品的產(chǎn)率并設(shè)法降低裝置的能耗，使塔的總收益最大或總成本最小。精餾塔的控制要求保持全塔的物料平衡(1)和能量平衡(2)。

F、D、B、V分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液流量，塔內(nèi)上升蒸汽量;Zf、XD、XB分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量;β為塔的特性因子

精餾塔的各種擾動(dòng)因素都是通過物料平衡和能量平衡的形式來影響塔的操作。在樹脂油塔的控制系統(tǒng)中，塔處于沸騰狀態(tài)，乙烯焦油作為固定進(jìn)料，塔頂?shù)玫捷p組分樹脂油，塔底得到重組分粗萘，在塔運(yùn)行時(shí)，可以被操縱的變量有以下幾個(gè)，塔壓、乙烯焦油進(jìn)料流量、進(jìn)料組分和進(jìn)料溫度、加入的熱量(再沸器)、塔底重組分粗萘流量、塔頂帶走的熱量(回流)、樹脂油流量。

圖1 樹脂油塔的操作變量

二、塔壓控制

由于樹脂油塔要分離的乙烯焦油沸點(diǎn)較高，粘度較大，高溫下容易結(jié)焦，在常壓下要進(jìn)行樹脂油和粗萘的分離所需要的溫度達(dá)到220℃以上，為了降低操作溫度，采用減壓精餾[8]。減壓狀態(tài)下的操作溫度控制在120/170℃(塔頂/塔底)。另一方面考慮到經(jīng)濟(jì)性，采用冷卻水作為塔頂冷凝劑，蒸汽作為塔底加熱介質(zhì)，所以樹脂油塔頂、塔釜操作壓力為0.015/0.025Mpa(A)。采用的壓力控制方案如下，利用真空泵抽真空，在真空抽出線上接氮?dú)饩€，通過調(diào)節(jié)氮?dú)饬縼砜刂普婵斩?如圖2所示)。在樹脂油塔的控制中，壓力是最重要的控制指標(biāo)，一旦塔壓波動(dòng)過大，就會破壞全塔的熱量平衡和汽液相平衡，影響樹脂油產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)出料保持平衡，回流比不變的情況下，塔壓差基本上是不變的。如果塔壓發(fā)生了變化，要找出具體原因進(jìn)行調(diào)節(jié)，以下因素會引起塔壓的波動(dòng):塔頂溫度、塔釜溫度、進(jìn)料組成、進(jìn)料量、回流量、冷劑量及冷劑壓力。另外，儀表故障、設(shè)備和管道的凍堵，也可能引起塔壓的變化。常用的調(diào)節(jié)方法有三種:一是在乙烯焦油進(jìn)料不變的情況下，可改變塔頂樹脂油的采出量來改變壓差。采出多壓差小;采出少，塔壓差會愈來愈大。二是在樹脂油取出不變時(shí)，用進(jìn)料來調(diào)節(jié)壓差;進(jìn)料量大，塔壓差上升，反之下降。三是可通過釜溫的變化來調(diào)節(jié)壓差;提高釜溫，壓差上升;降低釜溫，壓差下降，但是由于物料的熱敏性，只能在較小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)塔釜溫度，這種方法通常不會用到。

圖2 樹脂油塔塔頂壓力控制

三、進(jìn)料控制

樹脂油塔的進(jìn)料控制包括對進(jìn)料流量、組分和溫度三個(gè)變量的調(diào)節(jié)。進(jìn)料流量通常是在進(jìn)料管線上安裝一個(gè)調(diào)節(jié)閥來達(dá)到控制的目的。樹脂油塔的進(jìn)料來自原料蒸發(fā)器的氣相，它的流量調(diào)節(jié)是通過將調(diào)節(jié)閥安裝到原料蒸發(fā)器的加熱蒸汽管線上來實(shí)現(xiàn)的。若進(jìn)料量波動(dòng)范圍不超過樹脂油塔頂冷凝器和塔底再沸器的負(fù)荷范圍時(shí)，只要調(diào)節(jié)得當(dāng)，對頂溫和釜溫不會有顯著變化，而只影響塔內(nèi)上升蒸汽速度的變化。若進(jìn)料量變動(dòng)的范圍超過了樹脂油塔頂冷凝器和塔底再沸器負(fù)荷范圍時(shí)，不僅影響塔內(nèi)上升樹脂油蒸汽速度的變化，而且會改變塔頂、塔釜溫度，致使氣液平衡組成改變，直接影響塔頂樹脂油產(chǎn)品的質(zhì)量。總之，進(jìn)料量過大的波動(dòng)，將會破壞塔內(nèi)正常的物料平衡和工藝條件，造成一系列的波動(dòng)。獲得穩(wěn)定操作的最好方法之一是要求進(jìn)料流量恒定。樹脂油塔中的乙烯焦油進(jìn)料，來自蘭州石化乙烯裝置，其組成受到前面工序的綜合制約，進(jìn)料組成直接影響精餾操作，如當(dāng)進(jìn)料中重組分增加時(shí)，精餾段負(fù)荷增加，易造成粗萘等重組分帶到塔頂，使塔頂采出的樹脂油不合格，若進(jìn)料中輕組分增加，提餾段負(fù)菏就會加重，容易造成釜液中樹脂油損失加大。進(jìn)料組成的變化，還會引起物料平衡和工藝條件的變化。但是進(jìn)料組成在精餾塔中不容易得到校正，在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過調(diào)節(jié)回流比的辦法來補(bǔ)償組分變化。例如，當(dāng)進(jìn)料中輕組分下降時(shí)，若保持回流比和樹脂油的采出率(塔頂)不變，塔內(nèi)樹脂油的上升量將減少，則塔頂樹脂油組成和塔釜粗萘組成也隨之下降。要維持塔頂樹脂油的純度。可采取增大回流比或減少塔頂采出率的方案。另外，進(jìn)料溫度也是影響精餾操作的重要因素之一。如果進(jìn)料溫度低，使上升蒸汽的一部分冷凝成液體，向下流增加了提餾段的負(fù)擔(dān)，使再沸器蒸汽負(fù)荷增加，引起釜采粗萘質(zhì)量下降，甚至不合格。若進(jìn)料溫度高，進(jìn)料氣體直接上升，進(jìn)入精餾段，造成頂采樹脂油質(zhì)量下降，甚至不合格。當(dāng)進(jìn)料熱狀態(tài)變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)冷凝器和再沸器的負(fù)荷能力調(diào)節(jié)回流量和塔釜的汽化量。

四、再沸器的控制

塔壓一定時(shí)，只有保持一定的釜溫，才能保證一定的塔底殘液組成，樹脂油塔釜溫波動(dòng)通常會受到以下幾個(gè)因素的影響:一是乙烯焦油進(jìn)料組成變化。二是回流比變化也會引起釜溫變化，如回流比加大，則輕組分壓入塔釜，釜溫下降。三是塔的真空波動(dòng)也會引起釜溫變化。樹脂油塔采用了以下方式進(jìn)行釜溫的控制(見圖3):將流量調(diào)節(jié)器裝在輸送加熱蒸汽的管線上與塔釜溫度形成連鎖控制，若調(diào)節(jié)使得大量的蒸汽進(jìn)入再沸器，則再沸器中液體沸騰速率增大，釜溫上升;減少蒸汽量，釜溫下降。

圖3 樹脂油塔塔釜溫度控制

圖4 通過控制回流實(shí)現(xiàn)對塔頂溫度的調(diào)節(jié)

五、回流量的控制

由物料平衡和能量平衡的理論可知，頂壓一定時(shí)，塔頂溫度高低就反映了塔頂樹脂油產(chǎn)品組成，只有保持一定的塔頂溫度才能保證一定的產(chǎn)品質(zhì)量。然而頂溫主要是通過回流管線上的調(diào)節(jié)閥和塔頂溫度連鎖調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的(見圖4)。頂溫低時(shí)，應(yīng)減少回流量，具體操作應(yīng)提高塔頂樹脂油采出量。頂溫高時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大回流量，減少塔頂樹脂油采出量。所以采出量調(diào)節(jié)閥與回流罐的液位形成一個(gè)連鎖，達(dá)到通過采出控制回流的目的控制(見圖4)。在整個(gè)樹脂油塔的操作中，通過改變回流比的大小，以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求是經(jīng)常遇到的問題。當(dāng)塔頂萘含量增加時(shí)，常采用加大回流的方法將萘壓下去，以使產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)精餾段的樹脂油輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時(shí)，可以用適當(dāng)減少回流比的方法以使釜溫度提起來。但是回流比的增加是有代價(jià)的，在提高樹脂油產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、氣的消耗。因此，對回流比的調(diào)節(jié)是有限度的。

[1]王冀程，祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版杜，1990

[2]曹群，陳海麗，李艷芳，李太襯.綜合利用乙烯焦油的分析[J].科技傳播，2010，7:20 ～21

[3]莫賢娣.影響精餾操作的主要因素及精餾節(jié)能技術(shù)淺析.化學(xué)工程與裝備，2011，1:71～72

[4]譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理(下冊)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998

[5]陸振東.化工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996，第2版

[6]周春暉.化工過程控制原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998

[7]匡國柱，史啟才.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002

[8]夏清，陳常貴.化工原理(下冊)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2005