氣體分餾裝置的工藝操作優化探討

楊叔杰(大慶宏偉慶化石油化工有限公司，氣分車間主任，黑龍江大慶163411)

氣體分餾裝置的工藝操作優化探討

楊叔杰(大慶宏偉慶化石油化工有限公司，氣分車間主任，黑龍江大慶163411)

氣體分餾裝置的回流比、操作壓力、操作溫度、原料組成等參數設置都影響整個裝置的投資費用和能耗及操作控制過程，需要調整到最佳的工藝條件，優化工藝操作的控制，才能使氣體分餾裝置更好的發揮出經濟效益，提高精餾產品的質量。

氣體分餾裝置；工藝優化；操作參數

石油化工行業技術發展推動煉油技術的進步，各種化工產品的提煉與生產技術也越來越先進。對于僅次于乙烯的有機化工產品丙烯，可以從中提煉生產出精丙烯、聚丙烯、異丙苯、戊烷餾分、丙烷餾分等重要化工原料。近幾年全球經濟的增長促使聚丙烯樹脂工業快速發展，聚合級丙烯（純度≥99.6%）的需求量突然增加，供不應求。而聚合級丙烯主要是通過分離催化裂化液化氣獲取的，丙烯資源則通過乙烯裝置和催化裂化裝置生產的，主要來源于石油餾分蒸汽裂解生產的丙烯和煉廠丙烯，氣體分餾裝置用來實現液化氣的催化裂化。對聚丙烯樹脂需求量的增加使石化產品競爭日益激烈，各個煉化企業都在不斷優化工藝操作，節能降耗，降低成本增強企業的經濟效益。

1 氣體分餾的原理

根據各組分揮發性能的差異將液體混合物中不同組份分離出來的操作被稱為蒸餾，工業方面蒸餾操作又分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、分子蒸餾和精餾等方法，其中精餾應用最廣泛，通常可以獲取高純度的產品。精餾過程在精餾塔、冷凝器、再沸器等裝置中進行，再沸器供熱后會將塔底存液加熱至汽化，蒸汽沿塔內板逐漸上升，塔內液體沸騰狀態下蒸汽在塔頂冷凝器中冷凝得到餾出液，部分作為回流液逐板向下流回塔內，塔中各板保持一定的液層。假設料液中僅兩種組分，在塔中部適當的位置處加入精餾塔，料液中液相部分逐板向下流入再沸器，氣相部分沿著各板上升到塔頂冷凝器。加料板用來將料液加入到精餾塔中，加料板以下部分屬于提餾段，以上的部分屬于精餾段。精餾的整個過程利用回流使不同組分混合液不斷汽化，又經過部分冷凝，在這個反復過程中，易揮發的組分和難揮發的組分形成摩爾反向擴展，實現料液分離，從而提煉出高純度的化工產品。作為精餾裝置的核心，精餾塔內完成氣液兩相接觸傳質，塔底再沸器使塔底回流液再次蒸發汽化，塔頂冷凝器則可以獲取回流液得到液體產品[1]。

2 氣體分餾裝置工藝優化

蒸餾技術研究的不斷發展進步創造出巨大的經濟效益，精餾逐漸成為石油化工領域應用程度最高的傳質分離操作，技術發展也越來越成熟。

2.1 用填料塔取代了進料板

填料塔是一種新型高效的填料方式，在減壓和常壓精餾中逐漸取代了進料板，隨著精餾塔中氣液相分布研究技術的深入，高性能液體分布器被開發出來有效的保證了大型填料塔的優良性能，使填料塔從小塔逐漸發展到大型化。已經開發出可以預測填料塔氣液相分布的模型，能夠幫助了解塔內傳質情況，這項技術可以幫助完成分布器設計、制作，優化填料塔工藝。

2.2 特殊精餾工藝的開發

有些物料普通的精餾難以將其分離，逐漸開發出恒沸精餾、萃取精餾實現更高的分離工藝，有時需要結合化學反應來精餾，使氣體分餾裝置中進行的精餾范圍逐漸擴寬，精細化工技術發展的更加廣泛。

2.3 分離方法組合工藝的發展

充分了解分餾過程所應用的分離技術，通過工業實踐使精餾技術研究更加完善。研究多種分離方法的同時，結合先進的精餾技術，開發出更多的分離流程。將精餾和其他分離方法有機結合是分餾工藝發展的一個新方向，比如精餾與膜技術結合后可用來分離酒精水溶液，此方法用來制取高純度酒精。精餾與吸附技術結合，經過分餾裝置連續精餾吸附試驗可以分離氮和氬。

2.4 氣體分餾裝置的過程控制和操作優化

氣體分餾裝置的過程控制隨著計算機應用技術的發展逐漸更新，70年代早期以計算機直接數字控制和常規儀表監測為主，控制的算法則用PID、比值、串級、分程、前饋控制等為主。70～80年代初，大型生產裝置多采用集散型控制系統。集中顯示數據、監督等功能，將控制回路分散化，提高了硬件的可靠性，但是控制算法方面無大的進展。80年代后開始在集散型控制系統的基礎上進行優化，實現高級控制過程。各種預測控制、模型建立、變量約束、人工神經元網絡控制及應用技術都得到發展。乙烯分離裝置優化、煉廠氣分離裝置優化使計算機控制技術有了重大突破，展現出精餾過程控制的新景象，產品質量有了明顯提高，獲得了顯著的經濟效益。

3 氣體分餾裝置設計優化

煉油廠氣體分餾裝置主要是將催化裂化裝置經脫水、脫硫化氫、脫硫醇反應之后的液態烴根據精餾原理，經過脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔等裝置分離成不同的餾分。丙烯精餾塔塔頂可分離出99.6%以上的聚合級精丙烯，塔底可分餾得到高濃度丙烷。提高丙烯精餾塔內產品的回收率，降低能耗可以有效的提高氣體分餾裝置的經濟效益，所以對氣體分餾裝置的設計和參數選擇需要進行不斷優化。其中對關鍵組分回收率、回流比、操作壓力和進料時的熱狀態等參數進行優化可有效提高氣體分餾裝置的效能。

精餾塔最終產物的總價值和總費用之間的差值所對應的回收率即為關鍵組分回收率，差值最大時所對應的回收率為最佳回收率。回收率越大越好，但在實際生產過程中受到產品價格、水、電、設備等工程、原材料、相對揮發度等因素變化，需要優化精餾設計來獲得更好的分離程度。氣體分餾裝置的回流比關系到設備投資和花費，需要核算準確。回流比增大之后，冷凝器的冷卻劑消耗和再沸器的加熱劑消耗都會增加，操作的費用也相對增加[2]。因此需要平衡數據和效率，綜合考慮各項因素來選擇合適的回流比。氣體分餾裝置的操作壓力會影響塔頂蒸汽冷凝溫度和塔釜的加熱溫度，還會影響各組分之間的相對揮發度，對傳質的分離效率也有影響，同時也對塔的造價和操作費用產生一定的影響。塔頂蒸汽冷凝溫度和塔釜加熱溫度都會隨壓力的增大而逐漸上升，壓力減小時則出現下降。需要根據塔內壓力進行經濟核算，才能準確選擇合適的操作壓力。壓力升高相對揮發度會減小。氣體的密度與壓力成正比，氣體質量流率一定時，壓力高的條件下可以減小體積流量，這代表塔徑可以相對減小，這樣投資費用就可以減少，壓力不同時塔壁的厚度需要合理設計，因此造價會發生改變。板式塔中壓力對常壓塔和加壓塔的板效率影響不大，但在減壓精餾的過程中則會降低板效率。加壓精餾時塔的噴淋密度提高傳質效率卻出現降低，因此分餾裝置操作壓力的設置需要多方面考慮，根據實際需要來綜合計算。加料熱狀態會影響精餾段和提餾段的氣液相流率變化，進一步影響最小回流比，因此需要考慮加料板溫度對裝置反應的影響。

4 結語

對氣體分餾裝置的工藝操作優化，應綜合考慮安全、環保、產品質量和投資成本等多方面的因素，選用合適的工藝方法，優化相關參數設置，降低裝置的能耗，提高裝置經濟效益和產品精度，使工藝操作技術方案更加經濟合理，提高應用的范圍。

[1]黃富,張楊,彭國峰,朱連盷.氣體分餾裝置優化運行技術措施[J/OL].煉油,2015,45(10):21-24.(2015-10-12)[2017-08-04].

[2]王相峰.氣體分餾裝置的工藝操作優化[J/OL].科技與企業,2014,(05):303.(2014-03-25)[2017-08-04].