苯乙烯裝置低水比擴能改造方案

吳邊華 王玉楓

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

苯乙烯是一種重要的化工原料，主要用來生產聚苯乙烯(PS)、丁苯橡膠(SBR)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂(ABS)、苯乙烯-丙烯腈樹脂(SAN)和不飽和樹脂等，其產量僅次于聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PCV)、環氧乙烷(EO)，為第四大乙烯衍生產品[1]。

當苯乙烯市場需求量增大時，裝置往往需要進行擴能。在現有裝置的基礎上，盡可能少地改動設備，利用原有設備的設計余量，通過提高裝置運行效率增加苯乙烯產量，是一個非常有意義的研究方向。文章以某廠120 kt/a苯乙烯裝置擴能項目為例，探索優化工藝流程，更換或改造部分設備，達到產能提升的方案。本次擴能的目標是達到原產量的120%。

該裝置采用的是由中國石化自主研發的具有中間換熱器的兩級負壓絕熱脫氫制苯乙烯的工藝技術，裝置分為脫氫反應及后處理和精餾分離兩部分。其中，精餾分離部分已由該廠苯乙烯車間完成了分離系統高負荷試驗，通過積攢脫氫液，測試了分離系統在超負荷條件下的實際運行情況。結果表明，精餾分離系統的各塔利用自身的設計余量，能夠滿足120%生產負荷的需要，得到純度符合要求的產品和副產品。而脫氫反應及后處理部分的反應器、蒸汽過熱爐、主冷凝器和尾氣壓縮機等關鍵設備的運行能力是本次擴能改造的瓶頸所在。

1 苯乙烯裝置反應部分的流程

苯乙烯裝置反應部分的典型流程見圖1[2]。

圖1 苯乙烯裝置反應部分典型流程

乙苯脫氫反應中需要加入大量過熱蒸汽作為脫氫介質，擴能后過熱蒸汽的消耗量也相應增加，不僅增加了各設備的處理量，還大幅增加能耗。因此減少過熱蒸汽的耗量是擴能改造的第一個突破口，而減少蒸汽耗量的關鍵又在于降低脫氫反應的水比。近年來，中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院一直在進行低水比催化劑的研發[3]，取得了一系列的成果，并實現工業應用。

目前，該廠苯乙烯裝置實際運行的水比為1.38，如果繼續按此水比進行擴能，反應器及后續熱量回收、冷凝冷卻設備的設計余量都不能滿足擴能需求。為減少反應器和各相關設備的處理量，本次改造考慮使用最新型的低水比催化劑，將反應水比降低至1.0。水比降低，擴能后的主蒸汽耗量僅為擴能前的87%，進入反應器的乙苯和蒸汽總量也僅為擴能前的1.008倍，因此，蒸汽過熱爐、反應器、大部分的換熱器及其他設備都可以利用自身的設計余量，滿足擴能的需求。

按此方案對擴能后的每臺設備進行核算發現，現有的乙苯蒸發器、主冷凝器和尾氣壓縮機無法滿足擴能后的生產要求，需要進行更換或改造。

2 主要改造設備

2.1 乙苯蒸發器改造

乙苯蒸發器通過蒸汽加熱蒸發出的乙苯和水的混和物，作為乙苯/苯乙烯塔塔頂冷凝器的補充，與經蒸汽過熱爐加熱后的過熱蒸汽混合后進入脫氫反應器。現有裝置乙苯蒸發器為共沸型蒸發器，乙苯和水按約2∶1的恒定比例蒸出。若苯乙烯產量擴能20%，則乙苯的供給量相應增加。如果繼續采用這種共沸形式的蒸發器，則水蒸氣的量也會等比例增加。乙苯蒸發器共沸側的操作壓力為98 kPa(絕對壓力)，操作溫度為90.7 ℃，蒸出水蒸氣的溫位較低。而乙苯脫氫反應溫度為620 ℃左右，如果要滿足反應溫度的要求，就需要補充大量的過熱蒸汽，不能實現在低水比的條件下反應。

為解決這一問題，考慮將乙苯蒸發器的形式改為蒸汽配汽的釜式蒸發器。在釜式蒸發器中，可以按照需要來配比乙苯和蒸汽的量，降低蒸發乙苯中的含水量，不足的蒸汽量由蒸汽過熱爐出來的過熱蒸汽補充。這樣，不僅可以讓脫氫反應器在較低水比的條件下運行，減少擴能后反應器投料量的增加，還可以降低能耗。

更新后的釜式乙苯蒸發器使用0.35 MPa蒸汽加熱，核算結果見表1。

表1 乙苯蒸發器核算

2.2 主冷凝器改造

現有主冷凝器的形式為空冷器，其換熱效果在一定程度上會受到環境溫度的影響。根據生產裝置現場反饋，目前夏季時空冷器的換熱能力已經受限，出口溫度偏高。如果擴能，空冷器的處理量進一步增大，出口溫度也將進一步提高，影響后續設備的運行效果及產品質量。為解決這一問題，考慮了增設空冷器和并聯水冷器兩個方案。

(1)增設空冷器

根據裝置現場布置的實際情況，空間上仍有富余，可以在現有空冷器的末端增加4組并聯的翅片管，預計可增加10%的換熱面積，來滿足擴能需求。換熱量不足部分，考慮由新增尾氣壓縮機入口深冷器來承擔。

(2)并聯水冷器

在現有空冷器旁并聯一臺水冷器，分擔擴能后25%～30%的熱負荷，新增水冷器可以和原有后冷器串聯用水。因為目前后冷器使用循環水冷卻的實際出水溫度為36 ℃，低于循環水場入口的42 ℃，這6 K的溫差可以利用。水冷器與原后冷器串聯用水，循環水進水溫度為36 ℃，出水溫度為42 ℃，充分利用循環水溫差，基本不增加循環水消耗，降低能耗。

(3)方案比較

對以上兩個方案進行比較，結果見表2。

表2 主冷凝器擴能方案比較

顯然，并聯水冷器的方案更具有優勢。

按照并聯水冷器的方案，對與空冷器并聯的水冷器進行核算，結果見表3。

表3 水冷器核算

2.3 增設尾氣壓縮機入口深冷器

苯乙烯裝置的尾氣壓縮機為螺桿式壓縮機，能力受限于入口氣體的體積流量。擴能后，脫氫尾氣的量大幅增加，超出原有壓縮機的操作負荷范圍。為解決這一問題，擬增設一臺深冷器，降低壓縮機入口尾氣的溫度，減小進入壓縮機氣體的體積流量。

原工藝流程中，壓縮機入口尾氣的溫度為38 ℃，體積流量為22 586 m3/h。增設深冷器后，擬將壓縮機入口脫氫尾氣的溫度進一步降低至20 ℃，使得氣體體積流量降低至壓縮機運行能力范圍內，達到尾氣壓縮機維持不變的目的。尾氣壓縮機入口深冷器的核算結果見表4。

表4 深冷器核算

擴能后，尾氣壓縮機入口的體積流量為19 612 m3/h，約為擴能前的86%，原尾氣壓縮機可以繼續使用。

3 擴能改造效果分析

本次擴能改造后的工藝流程見圖2。改造主要涉及以下內容：(1)擴能后采用水比為1.0的高性能催化劑；(2)更換乙苯蒸發器的形式，減少蒸出乙苯中的含水量；(3)在空冷器處并聯一臺水冷器，降低空冷器的出口溫度；(4)在尾氣壓縮機入口處增設一臺深冷器，減少進入壓縮機氣體的體積流量。

圖2 擴能改造后的工藝流程

經過這些改造，再加上裝置原有設備的設計余量，能夠實現在原產能基礎上擴能120%的目標。另外，由于水比的降低，進入反應器的蒸汽耗量為擴能前的87%，能耗也大幅降低。

4 結語

低水比擴能改造方案可以通過優化工藝流程，改造或新增部分設備，實現裝置產能的提升。由于催化劑的限制，目前國內正在運行的苯乙烯裝置大多水比偏高，意味著蒸汽耗量大和能耗高。隨著低水比催化劑的研發不斷取得進展，高性能催化劑的工業應用越來越成熟，這為苯乙烯裝置能耗的降低提供了良好的契機。

此次擴能形成的低水比改造方案，可用于同類原設計水比較高的苯乙烯裝置，既可達到節能的目的，同時也可提高產能至120%左右，應用前景廣泛。