苯乙烯裝置恒沸精餾節能技術的應用與優化

徐彬（中海石油寧波大榭石化有限公司生產運行九部，浙江 寧波315812）

苯乙烯是重要的有機化工原料，主要用于生產聚苯乙烯及ABS 等改性樹脂。工業上苯乙烯的生產主要采用乙苯負壓絕熱脫氫工藝技術路線[1]，為得到高純度的苯乙烯產品需在反應及分離過程中消耗大量的燃料、水蒸氣及冷卻水，使得該工藝耗能較大[2]，以一套年產20 萬噸苯乙烯裝置為例，每生產1 噸苯乙烯產品需要消耗13800MJ熱量，折合330kg標油[3]。

近年來，苯乙烯裝置正向大型化、特大型化方向發展，能耗問題日益突出，世界很多苯乙烯生產專利商都在優化并開發新的精餾換熱流程，以降低能耗，增強競爭力。

1 裝置概況

中海石油寧波大榭石化有限公司28萬噸/年苯乙烯裝置采用中石化上海工程公司自主開發的ST乙苯絕熱脫氫恒沸精餾節能技術，該技術使用級間換熱的負壓絕熱脫氫反應工藝，并使用GS系列高轉化率、高選擇性催化劑，脫氫液分餾精制采用恒沸精餾熱回收節能流程，并對工藝凝液和尾氣進行充分處理，使“三廢”排放符合有關國家標準[4，5]。

2 工藝流程

2.1 恒沸精餾節能工藝流程簡介

恒沸精餾節能工藝主要包括兩個系統：乙苯脫氫單元乙苯蒸發系統、苯乙烯精餾單元乙苯/苯乙烯分離系統。其中乙苯脫氫單元乙苯蒸發系統主要由乙苯蒸發器、乙苯/蒸汽共沸器、乙苯/蒸汽分液罐及乙苯/凝液循環泵組成，該系統使原料乙苯完成蒸發，然后同來自蒸汽過熱爐的高溫過熱水蒸氣混合，獲取熱量，升到反應溫度，進入反應器床層，在負壓和絕熱條件下發生脫氫反應。乙苯/苯乙烯分離塔主要由精餾塔、恒沸換熱器、循環水冷卻器（后冷器）、深冷器、真空系統、塔釜再沸器、塔釜泵、回流罐、回流泵等組成，該系統使乙苯、苯乙烯混合物在塔內進行分離，塔頂得到循環乙苯，循環乙苯返回乙苯脫氫單元進行反應，塔釜得到粗苯乙烯，粗苯乙烯去精苯乙烯塔進行分離得到苯乙烯產品。

圖1 乙苯負壓絕熱脫氫恒沸精餾技術工藝流程簡圖

苯乙烯精餾單元乙苯/苯乙烯分離塔塔頂溫度設計較低（101℃），屬于較難回收的低溫熱，正常設計需用循環水進行冷卻，塔頂循環水用量占整個裝置的35%，能耗較高。同時乙苯脫氫單元乙苯蒸發需要消耗蒸汽，為降低苯乙烯裝置能耗，通過提高乙苯/苯乙烯分離塔操作壓力，提高塔頂溫度，利用塔頂氣相物料的熱量，與乙苯脫氫單元來的乙苯/凝液在塔頂恒沸換熱器中換熱，將乙苯/凝液氣化后作為脫氫反應單元的進料，降低了乙苯脫氫單元乙苯/凝液蒸發的蒸汽用量，同時降低了精餾塔頂循環水的用量。

本裝置采用乙苯負壓絕熱脫氫恒沸精餾技術，該工藝技術流程簡圖如圖1所示。

3 恒沸精餾節能技術的優化

乙苯負壓絕熱脫氫恒沸精餾節能技術，優點在于將精餾系統塔頂熱源與乙苯反應單元進行熱聯合，利用精餾塔塔頂熱源給乙苯蒸發系統加熱，一方面減少了乙苯脫氫單元乙苯蒸發加熱蒸汽用量，另一方面減少了苯乙烯精餾單元循環水用量，裝置節能效果顯著。但應用該節能技術后，苯乙烯精餾單元與乙苯脫氫單元關聯性增強，抗干擾能力下降，裝置平穩性相對降低。

為提高裝置的可操作性、平穩性，在設計階段，不斷對原有設計流程、控制方案、設備選型等方面進行優化調整，具體優化措施如下：

3.1 后冷器E408設計負荷優化

T402 塔頂氣相物料正常工況條件下先通過恒沸換熱器E407A/B進行換熱降溫，再由后冷器E408冷卻。當脫氫反應單元SIS3001、3002、3003 聯鎖觸發后，T402 塔頂氣相自動切至E407A/B 旁路，大量熱量需通過E408 進行冷卻。按照原先設計，如果換熱不通過E407A/B，E408 只能滿足T402 塔70%負荷。內操需要迅速降低T402進料負荷，降低塔頂氣相熱源，防止T402塔超溫超壓及苯乙烯聚合，極易導致T402塔生產波動，產品不合格，影響較大。

針對以上原設計中存在的問題，通過流程模擬計算，將E408 換熱面積擴大29%，同時循環水回水管線增加旁路電磁閥，在出現聯鎖時，該旁路電磁閥迅速打開，增大E408 循環水量，加大E408冷卻量，維持T402塔正常負荷操作。正常生產時為減少循環水用量，可以手動關閉循環水旁路電磁閥，提高經濟性。

3.2 優化V304氣相出口應急蒸汽控制方案，有效控制脫氫反應器入口溫度

乙苯蒸發負荷70%由T402塔頂恒沸換熱器E407A/B提供，30%由E304 提供。出現緊急工況時，乙苯蒸發負荷要迅速由E407A/B 切換到E304。由于E304 蒸發調整較慢，乙苯蒸發負荷的降低極易造成R301 反應器入口溫度升高而觸發聯鎖停車。對V304 氣相出口緊急蒸汽控制方案進行優化調整，將調節閥和緊急切斷閥相組合使用。當乙苯蒸發量波動、反應器入口溫度迅速上升時，通過打開調節閥，及時通入應急蒸汽，降低反應器入口溫度，防止反應器入口超溫；緊急聯鎖時，切斷閥迅速打開，降低反應器入口溫度，有效防止設備超溫。

圖2 V304氣相出口應急蒸汽原控制方案

圖3 V304氣相出口應急蒸汽優化后的控制方案

3.3 乙苯/苯乙烯分離塔T402塔頂熱旁路增設調節控制，降低相互干擾性，簡化操作，提高操作靈活性

恒沸精餾節能工藝流程將脫氫單元與精餾單元進行了熱聯合，關聯程度高，造成裝置單元與單元間、單元內部間干擾性強、靈活性差、操作復雜。通過對T402塔頂氣相熱源旁路增設閥門定位器，增加調節控制功能，同時優化E408、E304 換熱負荷，對E407A/B 進料入口增設防偏流調節閥控制措施等優化，實現了脫氫單元乙苯蒸發負荷調整、苯乙烯精餾單元負荷調整的相對獨立，降低了脫氫單元與精餾單元相互干擾性，簡化了操作。在充分回收精餾塔頂余熱，減少循環水用量的同時，確保了裝置安全穩定運行。

4 恒沸精餾節能技術應用效果

4.1 運行工藝參數

表1 恒沸精餾工藝主要操作參數

由表1 操作參數可以看出，T402的塔頂操作壓力和操作溫度與設計值一致，塔釜溫度低于設計值（有利于減少苯乙烯聚合）；恒沸換熱器乙苯和水恒沸溫度低于設計值，原因是脫氫反應進料混合器、反應器、組合換熱器等設計優化后，沿程壓力降低于設計值；恒沸換熱器E407A/B 換熱溫差高于設計值，有利于充分回收T402塔頂低溫熱。

4.2 運行穩定性

裝置自2016年建成開工以來，脫氫單元與精餾單元實現獨立操作，升降負荷、切換負荷平穩，恒沸精餾熱回收節能工藝運行穩定，節能效果突出。裝置試車初期，由于3.5MPG 蒸汽波動，造成尾氣壓縮機聯鎖停車3次，但經過前期對恒沸熱回收節能工藝流程的優化，脫氫單元與精餾單元相互影響的程度大大降低，3次壓縮機停車均未造成反應器入口溫度高高聯鎖，同時T402塔運行穩定，抗波動能力強。

4.3 節能效果及經濟效益

裝置自運行以來，該節能技術運行平穩，標定期間E304加熱蒸汽量平均為1.2 噸/小時，如不采用該節能技術，E304 加熱蒸汽量需40.1 噸/小時（蒸發57.3 噸/小時乙苯和28.4 噸/小時配水），T402 塔釜加熱蒸汽平均為40.4 噸/小時，塔頂92%熱量得到回收，T402 塔頂冷凝器循環冷卻水用量僅需206 噸/小時(計算值，實際無循環水計量表)，如不采用該節能技術，T402 塔頂冷凝器循環冷卻水用量需1930噸/小時，可節省冷卻水1724噸/小時。

恒沸精餾熱回收節能工藝節能效果：相比不采用該技術的典型脫氫工藝流程，采用該技術可節省蒸氣38.9噸/小時，節省循環水1724噸/小時，綜合能耗降低3434MJ/tSM(82公斤標油/噸苯乙烯)，每年節約成本約5625萬元[6]。

5 結語

大榭石化28萬噸/年苯乙烯裝置采用的恒沸精餾熱回收節能工藝技術，最大優點在于回收精餾塔塔頂低溫余熱的同時降低了脫氫單元加熱蒸汽用量及苯乙烯精餾單元循環水用量，節能效果顯著，企業競爭力增強。

采用恒沸精餾技術，乙苯脫氫單元與苯乙烯精餾單元相對關聯性強，操作要求較高，同時T402塔頂壓力及塔釜溫度較高，增加了苯乙烯在加工過程中聚合的風險。

為此，采用恒沸精餾工藝流程技術裝置，在設備選型上需要選用低壓降精餾塔塔內件、低壓降的反應器入口混合器及油水混合效果好的共沸換熱器；在苯乙烯阻聚方面需要優化換熱流程，選用阻聚性能優的阻聚劑，降低苯乙烯聚合的風險，降低苯乙烯聚合物的損耗；在設計上需要優化恒沸精餾工藝流程及控制方案，通過增大后冷器E408的冷卻效果、優化V304氣相出口應急蒸汽控制方案、T402塔頂氣相熱旁路增設調節控制方案等措施，降低脫氫單元與精餾單元間的關聯度，在提高裝置運行經濟性的同時，提高裝置運行的安全穩定性，降低操作難度。