降低苯胺生產(chǎn)中氫氣單耗的優(yōu)化操作

張益帥

（天脊集團(tuán)鉀鹽有限公司，山西 長(zhǎng)治 047507）

引言

天脊集團(tuán)苯胺生產(chǎn)工藝采用硝基苯液相加氫技術(shù)，其中氫氣單耗的設(shè)計(jì)值為741 m3/t 苯胺，生產(chǎn)保證值為767 m3/t 苯胺。2020 年氫氣單耗年平均值786.39 m3/t 苯胺，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，與保證值指標(biāo)存在較大的差距。降低氫氣的消耗，意味著節(jié)約苯胺生產(chǎn)成本，根據(jù)目前裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，本文提出了一些優(yōu)化操作，通過(guò)縮短開(kāi)車過(guò)程中的氫氣放空時(shí)間，減小運(yùn)行過(guò)程中的氫氣放空閥開(kāi)度等，2021 年氫氣單耗明顯降低，對(duì)裝置的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 氫氣單耗偏高原因分析

從日常操作和生產(chǎn)流程分析原因，存在以下幾點(diǎn)：

1）開(kāi)車過(guò)程的氫氣大量放空。開(kāi)車過(guò)程中需要引入氫氣先將反應(yīng)器內(nèi)部的氮?dú)庵脫Q出去，然后在氫氣過(guò)量的情況下投加硝基苯，放空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致大量的氫氣直接排空。

2）運(yùn)行期間氫氣放空閥開(kāi)度較大。硝基苯加氫反應(yīng)中氫氣是過(guò)量的[1]，氫氣放空處設(shè)有在線純度分析表，在氫氣純度的得以保證的情況下（不低于94%），開(kāi)大放空閥，會(huì)造成氫氣浪費(fèi)。

3）在線分析儀表存在誤差。放空氫氣純度表，如果顯示偏低或出現(xiàn)偏差，會(huì)影響操作人員判斷，人為開(kāi)大氫氣放空。此外原料氣中雜質(zhì)w（CO）和w（CO2）的要求為不大于10×10-6和1×10-6，實(shí)際表顯為7×10-6和3×10-6，需要校準(zhǔn)。

4）過(guò)反應(yīng)導(dǎo)致氫氣無(wú)效消耗。硝基苯加氫是放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度偏高可能導(dǎo)致過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生其他烴類副產(chǎn)物，進(jìn)而增加氫氣消耗。

5）溶解氫耗。反應(yīng)器頂部苯胺與氫氣分離器的溫度升高時(shí)，會(huì)增加氫氣在苯胺中的溶解度，造成浪費(fèi)。

6）原料質(zhì)量問(wèn)題或催化劑投加不當(dāng)。原料苯中如果含有較多雜質(zhì)，會(huì)隨著硝基苯帶入到加氫反應(yīng)中去，催化劑的投加量過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)影響到反應(yīng)的穩(wěn)定，造成生產(chǎn)波動(dòng)，進(jìn)而影響到氫氣的消耗。

7）污氫未得到有效回收。原始設(shè)計(jì)中雖然有污氫回收至合成燃料氣系統(tǒng)管線，但由于反應(yīng)后的污氫濕度較大，對(duì)燃料氣工段沖擊較大，導(dǎo)致污氫無(wú)法回收。

綜合分析看來(lái)，造成氫氣單耗偏高的主要原因是氫氣放空的時(shí)間和放空閥的開(kāi)度，以及反應(yīng)溫度，需要制定有效的操作手段。

2 降低氫氣單耗優(yōu)化操作

針對(duì)以上原因，制定了如下優(yōu)化操作。

1）縮短開(kāi)車過(guò)程中的引氫時(shí)間，在氫氣低流量時(shí)投加硝基苯。根據(jù)以往開(kāi)車經(jīng)驗(yàn)，引氫時(shí)間在1.5 h 左右，引氫流量達(dá)到600 m3/h 左右投加硝基苯。在此基礎(chǔ)上縮短引氫時(shí)間在1 h 以內(nèi)，根據(jù)開(kāi)車時(shí)的反應(yīng)程度，引氫流量達(dá)到500 m3/h 提前進(jìn)行硝基苯投料操作。

2）優(yōu)化開(kāi)車過(guò)程中的引氫操作。根據(jù)反應(yīng)壓力精確掌握氫氣進(jìn)料閥與放空閥的關(guān)系，配合得當(dāng)能有效降低氫氣的消耗。開(kāi)車過(guò)程中反應(yīng)器的壓力是一個(gè)先升高再急劇降低、然后急劇升高、最后達(dá)到平穩(wěn)的過(guò)程，控制的手段為：第一個(gè)壓力升高階段，關(guān)小進(jìn)料閥，不操作放空閥；當(dāng)壓力急劇降低時(shí)，關(guān)小放空閥，不操作進(jìn)料閥；第二個(gè)壓力升高階段，關(guān)小進(jìn)料閥，不操作放空閥；當(dāng)反應(yīng)器壓力趨于穩(wěn)定后，兩個(gè)閥門配合調(diào)節(jié)。

3）正常生產(chǎn)階段，減小氫氣放空閥開(kāi)度。同時(shí)摸索出氫氣純度和最小放空閥位的平衡點(diǎn)，尋找出最小開(kāi)度，在運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，微調(diào)即可。

4）保障氫氣在線純度分析表的有效性。純度表校驗(yàn)時(shí)使用氫氣由原料氣改為分析純級(jí)，同時(shí)增加校驗(yàn)頻次，盡量減小表顯誤差，原料氣中CO 和CO2在線純度表采用類似校驗(yàn)手段，以此消除因儀表誤差導(dǎo)致的人為誤操作。

5）在保證反應(yīng)穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量降低反應(yīng)溫度，降低過(guò)反應(yīng)概率和副產(chǎn)物含量。在其他條件允許的條件下，適當(dāng)降低分離器入口溫度，以此降低氫氣的溶解度。雖然溫度降幅不明顯（可能使輕烴帶到氫氣循環(huán)壓縮機(jī)中）。

6）從源頭控制原料苯品質(zhì)，采購(gòu)石油苯的占比適當(dāng)增加。嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，控制催化劑添加量。

7）污氫回收較為困難，可以考慮增加PSA 裝置或膜分離對(duì)排放氫氣進(jìn)行回收[2]，經(jīng)濟(jì)性還有待論證。

3 優(yōu)化操作在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

對(duì)以上優(yōu)化操作進(jìn)行整理，逐月采取相應(yīng)措施，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。

二月，嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度由原先的230 ℃～235 ℃降至228 ℃～230 ℃之間運(yùn)行。在保證放空氫純度的前提下，放空閥開(kāi)度由原先的70%關(guān)小至65%。二月氫氣單耗降幅明顯，由805 m3/t 降至775.2 m3/t。

三月，增設(shè)校正氫氣純度表的氫氣瓶，每周對(duì)兩套裝置氫氣分析表進(jìn)行了校準(zhǔn)，不斷校正氫氣純度表的指示誤差，并根據(jù)氫氣純度表的指示調(diào)整氫氣放空量。三月單耗降至770.7 m3/t。

四月，兩套苯胺裝置各開(kāi)車一次，此次開(kāi)車引氫時(shí)間分別控制在63 min 和55 min、引氫量控制在450 m3/h～500 m3/h 進(jìn)行硝基苯投料。經(jīng)實(shí)踐，開(kāi)車效果穩(wěn)定良好，為今后低流量開(kāi)車積累了經(jīng)驗(yàn)。因四月滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)量較高，四月單耗降幅明顯，低至758.9 m3/t。

五月上旬，系統(tǒng)減負(fù)荷，反應(yīng)溫度降幅較大，進(jìn)一步降低反應(yīng)溫度至225 ℃～228 ℃之間，產(chǎn)品中副產(chǎn)物環(huán)己胺明顯減少[3]（質(zhì)量分?jǐn)?shù)從500×10-6降至30×10-6），適當(dāng)?shù)仃P(guān)小污氫放空閥至63%。五月單耗為767.9 m3/t。

六月，進(jìn)入系統(tǒng)大修。六月單耗為776.8 m3/t 苯胺。

七月至九月，因合成氨故障和設(shè)備跳車等不可抗力因素，造成苯胺裝置停車五次，生產(chǎn)連續(xù)性中斷無(wú)法保證氫氣單耗在較低水平，但五次的恢復(fù)開(kāi)車，引氫過(guò)程全部采用優(yōu)化后的操作，至九月氫氣單耗為770.5 m3/t。

十月以后，整體生產(chǎn)較為平穩(wěn)。穩(wěn)定運(yùn)行期間將氫氣放空閥開(kāi)度逐步關(guān)小，分別為十月62%、十一月60%、十二月58%。經(jīng)過(guò)比對(duì)氫氣純度的變化（2 h 內(nèi)的曲線）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥門開(kāi)度恒定時(shí)，氫氣純度并不是恒定不變的，而且變化趨勢(shì)也是可以預(yù)判斷的。此外還發(fā)現(xiàn)，十二月放空氫氣純度雖然無(wú)明顯下降，但是反應(yīng)器出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，后將放空閥調(diào)整至61%開(kāi)度，反應(yīng)情況逐漸好轉(zhuǎn)。最終，氫氣單耗年平均值為774.6 m3/t。2021 年氫氣單耗數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 2021 年氫氣單耗數(shù)據(jù) m3/t

4 結(jié)論

降低氫氣的消耗主要在于控制系統(tǒng)開(kāi)車時(shí)氫氣放空時(shí)間和平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)氫氣放空閥開(kāi)度，同時(shí)要控制反應(yīng)溫度。經(jīng)過(guò)一年不斷對(duì)操作進(jìn)行優(yōu)化，氫氣單耗得到有效降低，根據(jù)實(shí)際的操作可以得出：

1）開(kāi)車過(guò)程中的優(yōu)化操作能夠節(jié)約大量的氫氣。引氫時(shí)間控制在1 h，可以阻止大量的氫氣放空；另外當(dāng)流量達(dá)到450 m3/h 時(shí)，即可進(jìn)行硝基苯投料，可以縮短開(kāi)車時(shí)間；操作人員要熟練操作氫氣進(jìn)料閥與放空閥開(kāi)度，配合得當(dāng)也可以減少氫氣放空。

2）正產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程中，氫氣放空閥的開(kāi)度要盡量關(guān)小。同時(shí)要參考?xì)錃饧兌鹊淖兓?，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，即閥門開(kāi)度不變時(shí)，如果純度持續(xù)走高，可以關(guān)閉1%～2%的開(kāi)度，反之亦然。此外在滿負(fù)荷下，氫氣放空閥位不能低于60%，否則壓力會(huì)出現(xiàn)上下0.1 MPa 的波動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。

3）反應(yīng)溫度控制在225 ℃～228 ℃最佳。溫度過(guò)高會(huì)加劇過(guò)反應(yīng)，導(dǎo)致副產(chǎn)物增多，變相的增加的氫氣的消耗；溫度過(guò)低會(huì)造成系統(tǒng)反應(yīng)不充分，導(dǎo)致硝基苯超標(biāo)。

降低苯胺生產(chǎn)過(guò)程中的氫氣消耗工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期堅(jiān)持的工作，需要操作人員的熟練地掌握開(kāi)車時(shí)氫氣進(jìn)料閥和放空閥的配合，同時(shí)根據(jù)放空氫氣的純度適當(dāng)操作放空閥的開(kāi)度。此外，減少開(kāi)停車次數(shù)，保證穩(wěn)定和高負(fù)荷運(yùn)行，提高苯胺產(chǎn)量對(duì)降低單耗也具有十分重要的意義。2021 年通過(guò)優(yōu)化操作，氫氣單耗降低至774.6 m3/t，相比較2020 年786.39 m3/t,，氫氣單耗下降了11.8 m3/t。按財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)1.5 元/m3氫氣計(jì)算，2021 年實(shí)際完成產(chǎn)量26.1 萬(wàn)t，節(jié)約成本461.9 萬(wàn)元，對(duì)提升苯胺制備的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。