攻關精餾塔超壓問題“加減法”助力節(jié)能增效

劉正明 段海濤 劉益材 張林濤 殷新

（四川石化有限責任公司）

四川石化乙烯裝置采用S&W公司的前脫丙烷前加氫工藝技術[1]，乙烯年設計生產(chǎn)能力為80×104t。脫丁烷塔主要生產(chǎn)混合碳四和粗裂解汽油產(chǎn)品，丙烯精餾塔主要將混合碳三進行分離和提純，為下游裝置提供原料，其運行是否平穩(wěn)直接影響乙烯裝置運行周期。乙烯裝置運行周期在很大程度上反映了一個企業(yè)的綜合管理水平，對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動和效益具有重大影響。

2021年初開始乙烯裝置的分離熱區(qū)脫丁烷塔和丙烯精餾塔塔壓升高，一直處于高壓狀態(tài)運行，嚴重時發(fā)生精餾塔的超壓問題。造成精餾分離效果變差，脫丁烷塔釜汽油中碳四含量增加，存在儲存安全隱患；丙烯精餾塔塔釜循環(huán)丙烷中的丙烯損失增大，造成塔釜丙烯浪費嚴重；裂解爐的乙丙烷爐爐管結焦嚴重，進而影響正常運行；還有精餾塔塔釜加熱負荷增大，輔助加熱低壓蒸汽消耗量增大，能耗增加；丙烯產(chǎn)品收率降低，影響裝置的經(jīng)濟效益。

1 簡介

乙烯裝置分離熱區(qū)將裂解氣中的碳三、碳四及汽油等組分進行分離。脫乙烷塔釜和低壓脫丙烷塔頂來的碳三組分在MAPD加氫反應器液相加氫后進入丙烯精餾塔，丙烯精餾塔進行分離和提純，塔頂分離出聚合級的丙烯產(chǎn)品，塔釜循環(huán)丙烷做為裂解爐乙丙烷爐的裂解原料；低壓脫丙烷塔釜來的碳四及汽油組分進入脫丁烷塔，塔頂分離出丁二烯含量40%(wt)的混合碳四送到丁二烯裝置或儲罐，塔釜裂解汽油送到汽油加氫裝置。作為下游工藝裝置的原料。

1.1 脫丁烷塔工藝流程簡介

脫丁烷塔的作用是將來自低壓脫丙烷塔的碳四和裂解汽油進行分離，塔頂分出混合碳四，塔釜分出裂解汽油。有42塊篩板塔盤組成[2]，塔釜再沸器用低壓蒸汽加熱，塔頂冷凝器用循環(huán)水冷凝。

1.2 丙烯精餾塔的工藝流程簡介

丙烯精餾塔的作用是將碳三加氫后的的混合碳三通過精餾，塔頂?shù)玫骄酆霞壉┊a(chǎn)品、塔釜得到丙烷作為循環(huán)裂解原料。本流程采用雙塔汽提塔精餾塔串聯(lián)設計操作，雙塔各有135塊塔板。塔頂冷凝器用冷卻水冷凝，塔釜由急冷水加熱的再沸器、中沸器和開車用輔助低壓蒸汽加熱的再沸器，合格丙烯產(chǎn)品從精餾塔的第九塊塔板巴氏精餾段采出[3]。

2 “加減法”攻關思路及方案實施

2.1 塔頂冷凝換熱器的循環(huán)水側反沖洗做“減法”

脫丁烷塔工藝流程如圖1所示，丙烯雙塔精餾工藝流程圖2所示。在脫丁烷塔冷凝器、丙烯塔頂冷凝器、丙烯塔回流罐頂?shù)牟荒龤饫淠餮h(huán)水側反沖洗。下面以丙烯精餾塔頂冷凝器的循環(huán)水側反沖洗為例主要介紹。

圖1 脫丁烷塔工藝流程Fig.1 Debutanizer process flow

圖2 丙烯雙塔精餾工藝流程Fig.2 Propylene double tower distillation process

采取在線反沖洗，乙烯裝置在線運行時，確保塔的運行正常，塔的壓差、回流量及各溫度點、產(chǎn)品采出都正常。步驟如下：全開冷凝器循環(huán)水側的進出口閥；拆除丙烯精餾塔的塔頂冷凝器循環(huán)水的反沖洗大倒淋盲法蘭；確認丙烯精餾塔的安全閥旁路閥可動作；聯(lián)系公共工程降低循環(huán)水的供水溫度并維持在26℃及以下。冷凝器的循環(huán)水和物料流向見圖3。

圖3 冷凝器的循環(huán)水和物料流向Fig.3 Circulating water and material flow of condenser

進行丙烯精餾塔頂冷凝器的反沖洗操作，通過降低丙烯汽提塔的進料量，緩慢關小塔頂冷凝器的壓力調節(jié)閥，開大回流罐頂返裂解氣壓縮段間的不凝氣閥等操作，降低維持塔壓在1.75 MPa，主外操協(xié)力配合，逐個進行丙烯精餾塔冷凝器的反沖洗操作，關閉循環(huán)水進水閥，快速打開進水閥后的大倒淋，排2～5 min后關閉大倒淋（閥2），開進水閥，恢復投用狀態(tài)。沖洗出的生物淤泥和塑料片狀贓物。重復幾次效果更好。在上述操作過程中，如遇精餾塔壓升高時，開大不凝氣閥，繼續(xù)再升高時，則進行打開精餾塔安全閥旁路閥放火炬的緊急處置，并快速恢復至初態(tài)。

同樣的方法對脫丁烷塔的塔頂冷凝器、丙烯塔回流罐頂不凝氣冷凝器進行逐個反沖洗操作。

2.2 方案實施后的效果

脫丁烷塔頂冷凝器的循環(huán)水側反沖洗后，脫丁烷塔頂壓力由0.45 MPa降低到0.37 MPa，同樣塔頂冷凝器的換熱效率顯著提高了。塔底的再沸器加熱蒸汽降低了，節(jié)約低壓蒸汽0.5 t/h，更重要的是再沸加熱量降低，塔釜再沸器的負荷減少，減輕再沸器物料側的結焦，延長脫丁烷塔釜再沸器的運行周期，塔釜再沸器的檢修由每年3次降到每年2次，提高生產(chǎn)能力，節(jié)約檢修成本。

丙烯精餾塔塔頂冷凝器的循環(huán)水側反沖洗后，丙烯精餾塔的塔頂塔壓有明顯降低，塔頂冷凝器的換熱效率顯著提高了。塔釜開車再沸器低壓蒸汽的閥位由40%的開度關到5%的暖管狀態(tài)，幾乎不用低壓蒸汽，節(jié)約低壓蒸汽。

丙烯塔回流罐頂不凝氣冷凝器的循環(huán)水側反沖洗，提高換熱效率，減少丙烯的損失，同時也可減少裂解氣壓縮機的內循環(huán)，使裂解氣的四段氣相量減少，節(jié)約裂解氣壓縮機的功耗。裂解氣壓縮機段間量減少，可避免在裝置運行末期因裂解氣壓縮機段間氣相量增大，而造成壓縮機透平的軸振動增大，嚴重需要被迫降負荷生產(chǎn)的情況，可確保裝置的高負荷運行。丙烯精餾塔的運行狀態(tài)明顯好轉，丙烯精餾塔冷凝器循環(huán)水反沖洗前后的工藝參數(shù)見表1。

表1 丙烯精餾塔冷凝器循環(huán)水反沖洗前后的工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters before and after circulating water backwashing of propylene rectification condenser

可見丙烯精餾塔輔助加熱節(jié)約低壓蒸汽10 t/h，丙烯塔釜的丙烯損失減少0.8%(wt)，丙烯塔頂回流罐的不凝氣量減少600 kg/h，節(jié)能降耗，提質增效顯著。

2.3 精細優(yōu)化操作做“加法”

通過反沖洗，提高了塔頂冷凝器的換熱效率。此時對丙烯精餾塔的關鍵工藝參數(shù)進行調整：

調整塔頂壓力；精餾塔的壓力確定，一方面要考慮對精餾塔分離效果的影響，另一方面又要考慮塔頂使用冷劑所能達到的冷卻溫度。丙烯精餾塔反沖洗前，塔頂冷凝器的換熱效率低，提高塔壓使丙烯的冷凝點升高，少用冷劑來彌補換熱效果的不足，但造成塔釜加熱負荷的增加，根據(jù)工藝工況調整塔壓困難，塔頂壓力太高會影響正常運行。反沖洗后，根據(jù)工藝工況方便調整塔壓。丙烯精餾塔降低壓力，可提高丙烯和丙烷的揮發(fā)度，增加塔頂冷凝器的冷負荷，可減少塔釜再沸器的熱負荷，丙烯精餾塔的輔助加熱低壓蒸汽從11 t/h降到1 t/h，節(jié)約低壓蒸汽用量。

調整回流量；丙烯系統(tǒng)雙塔汽提塔和精餾塔的塔板數(shù)多（各是135塊），都采用高效MD塔板，設計回流比為16.8，高效MD塔板，精餾效率高，設計回流量就可滿足。反沖洗前，塔釜再沸器熱負荷的增大，為了精餾傳質傳熱過程的充分進行，就需要大的回流量，使回流量超過設計值。反沖洗后，適當降低回流量到設計值以下。通過減少回流量，保證塔頂丙烯產(chǎn)品合格，同時也降低了塔釜丙烯損失，提高丙烯收率。

調整回流罐不凝氣返裂解氣壓縮機段間的量；回流罐頂不凝氣量的大小正常情況下是根據(jù)進料帶來的乙烷和碳三加氫反應器的氫氣多少來返，但當塔壓高時，就根據(jù)塔壓的高低來返，不凝氣大的返量會造成一部分丙烯的損失，還會使裂解壓縮機的循環(huán)量增大，功耗增加。反沖洗后，減少回流罐頂不凝氣返裂解氣壓縮機段間的量到設計值以下，進而使丙烯損失減低，提高丙烯收率。

優(yōu)化進料參數(shù)；進料量、進料溫度和進料組成是精餾塔進料的三個重要參數(shù)。進料量的變化會影響塔的物料平衡和塔的效率；進料溫度會影響整個塔溫度分布，從而改變氣液平衡組成；進料組成變化會引起全塔物料平衡和工藝條件的改變。通過優(yōu)化調整碳三加氫的凝液罐液面和丙烯汽提塔進料調節(jié)閥的串級控制使進料量穩(wěn)定；在裂解原料和操作條件一定的條件下，通過離線采樣分析碳三加氫反應器進出口MA、PD、丙烯、丙烷的濃度，優(yōu)化調整碳三加氫反應器的氫氣配氫量，反應器入口溫度，提高反應器的選擇性，使丙烯汽提塔的進料溫度和組成相對穩(wěn)定最佳化[4-9]。

2.4 投用APC先進控制技術做“加法”

APC控制原理是通過對被控對象運行過程中產(chǎn)生的大量實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘與分析，建立系統(tǒng)運行模型，利用系統(tǒng)模型進行多變量實時優(yōu)化控制。

2.4.1 APC在丙烯塔溫度控制上的投用

APC的投用相較于PID控制器具有預測功能。丙烯汽提塔液位與再沸器流入的急冷水流量組成串級控制回路。串級控制主回路的輸出是急冷水流量控制器的設定值，其值增大輸出變大，控制閥開度增加。通過控制塔底熱源急冷水流量，控制塔底溫度和塔釜液位。控制塔底丙烷抽出量和塔底丙烯損失含量。APC根據(jù)目前多個回路的工況進行分析，從而對控制器內每一個回路的未來進行預測，根據(jù)預測的結果對回路進行調節(jié)，進而可以讓控制效果最大可能的得到優(yōu)化[10]。能節(jié)約急冷水用量達到1.0%以上。丙烯塔塔頂產(chǎn)品MAPD含量小于5 ppm純度穩(wěn)定提高，塔頂溫度變化平穩(wěn)，塔頂壓力、塔底溫度、塔底液位保持穩(wěn)定。

2.4.2 APC在脫丁烷塔溫度控制上的投用

脫頂烷塔以進料量和靈敏板溫度為前饋，通過調整控制低壓蒸汽流量，穩(wěn)定回流罐液位、塔釜液位。在保證液位穩(wěn)定的基礎上，穩(wěn)定采出量，為下游裝置提供穩(wěn)定的進料。在投入APC后，根據(jù)回流量、塔頂?shù)奶嘉逄妓暮俊⑺臏囟取⑺好娴榷鄠€參數(shù)進行分析，對控制器內每一個回路進行預測分析，根據(jù)預測的結果對回路進行多變量實時優(yōu)化調節(jié)，進而讓控制效果得到最大優(yōu)化，精餾過程關鍵參數(shù)靈敏板溫度的波動明顯降低。控制質量得到了改善，控制系統(tǒng)自動運行大大減少了人為干預因素。根據(jù)目前的運行結果，保守估算節(jié)約低壓蒸汽用量達到500 kg/h以上。

3 “加減法”攻關助力節(jié)能增效

乙烯裝置脫丁烷塔和丙烯塔頂冷凝器反沖洗，精細優(yōu)化操作，節(jié)約丙烯精餾塔輔助加熱低壓蒸汽約10.5 t/h。（低壓蒸汽標油折算72 kg/t，1 000 kg的價格是1 948元，裝置年運行8 000 h計）運行一年節(jié)約費用約1 178萬元。

脫丁烷塔再沸器的檢修由每年3次降到每年2次，檢修一次的費用（物料倒空損失、操作費用、檢修費用）約10萬元左右。

丙烯塔釜的丙烯損失由1.6%左右降到0.8%左右，循環(huán)丙烷的量為8 t/h左右，丙烯增產(chǎn)為0.064 t/h。

丙烯塔頂回流罐的不凝氣量由2.4 t/h降到1.8 t/h（不凝氣的85%為丙烯），丙烯增產(chǎn)0.051 t/h。不凝氣由丙烯塔回流罐頂冷卻水冷凝器冷凝回收，回收成本所用循環(huán)水增量40 t/h，（公用工程循環(huán)冷卻水價格[11]是0.25元/t，丙烯市場動態(tài)價格按6 500元/t，石腦油及輕烴裂解產(chǎn)丙烯的生產(chǎn)成本約5 500元/t，裝置運行年8 000 h計）不凝氣回收成本8萬，丙烯增產(chǎn)效益84萬元，每年節(jié)能增效合計1 272萬元。

4 總結

乙烯裝置在滿負荷的情況下，通過采用在線反沖洗操作，投用APC控制技術，精細優(yōu)化操作等方法，徹底解決了丙烯精餾塔超壓問題，有效提高了設備換熱效率，降低了裝置能源消耗，實現(xiàn)了節(jié)能增效，提高了產(chǎn)品收率和裝置生產(chǎn)能力，為企業(yè)的達標、爭效、創(chuàng)優(yōu)作出了重要貢獻，在同類行業(yè)具有很高的借鑒價值。

但也存在以下幾方面問題和建議：乙烯裝置或其他裝置的分離塔，汽提塔、精餾塔有用循環(huán)水冷凝冷卻的地方都可以應用，實施前要進行工作安全分析（JSA），做好風險和隱患的預防，影響上下游崗位正常平穩(wěn)運行的因素要考慮周全。實施時應向公司生產(chǎn)運行處提請申請報告，待通過后方可實施。APC先進控制技術應該在裝置趨于穩(wěn)定狀態(tài)情況下投用。當裝置工藝參數(shù)出現(xiàn)大幅度波動時，應及時切換至手動操作，避免因系統(tǒng)調節(jié)滯后，從而導致裝置的不正常運行。