精制劑再生系統工藝設計

趙國成,呂儀軍,肖敦峰,李振宇

(中國五環工程有限公司,武漢 430223)

為了保證原料的純度,在很多化工和石化裝置中需配置精制劑裝填的固定床來脫除原料中的CO、CO2、H2O和O2等小分子雜質,如氮氣的脫氧罐、氫氣的脫CO罐、丙烯和乙烯的脫水罐等。這些精制劑一般在使用一段時間后,會對雜質失去精制作用,即出現所謂的“穿透”床層,此時需要對床層進行再生處理。這些固定床精制劑基本上都設計了“一用一備”的雙床層或者帶有旁路的單床層,并配置了再生系統,當其中一個床層吸附飽和后進行再生,系統切換至另一床層操作或者直接走旁路,以保證不間斷生產。目前,精制劑再生系統設計有開路和閉路兩種形式。

1 再生的原理

2 再生的步驟

再生過程一般有切換、泄壓、置換、加熱、冷卻和升壓等步驟。切換步驟主要是改變閥門的開關狀態,使一個罐處于正常運行狀態,而另一罐處于再生狀態;泄壓和升壓步驟的速率控制很關鍵,一般泄壓和升壓速率都不大于0.3 MPa/min[1];而加熱和冷卻步驟是最主要的兩個步驟,需在再生系統設計時重點研究。

3 再生系統的設計

3.1 再生氣的選擇

再生氣一般要具有易獲得、廉價、惰性、環保等特點,原料氣、工藝廢氣、氮氣等都可以作為再生氣,不過目前裝置中普遍采用氮氣作為再生氣,以下論述的再生氣均按氮氣考慮。

3.2 再生溫度的選擇

根據再生過程的原理,理論上來說,再生溫度肯定是越高越好,因為溫度高有利于脫附。但是,溫度高意味著裝置的能耗高,設計時不宜任意提高再生氣的溫度。再生溫度常根據精制劑特性確定,一般是確定進入床層的再生氣入口溫度來控制再生溫度。對于有化學反應參與的第一種再生過程,再生氣的入口溫度取決于反應溫度,通常取反應溫度加上床層熱損失溫度。對于無化學反應參與的第二種再生過程,再生氣的入口溫度取決于脫雜質的深度,脫雜質程度越深,就要求入口溫度越高。對于用于脫水的分子篩,該溫度不能超過315 ℃[1],溫度過高會導致分子篩燒結,從而縮短其使用壽命。

3.3 再生系統壓力選擇

再生系統的壓力常根據再生氣來源的壓力、再生氣的去向、系統的阻力降等綜合確定,在滿足上述要求的前提下盡量選擇低壓,因為低壓有利于脫附。

3.4 再生氮氣流量的確定

因為再生過程的加熱步驟和冷卻步驟都需要氮氣,所以應分別計算再生加熱氣的流量和再生冷卻氣的流量。確定加熱氣的加熱目標溫度和冷卻器的冷卻目標溫度后,對整個床層(包括精制罐、精制劑、瓷球、附件等)進行熱量衡算,分別計算出加熱步驟需要的熱負荷和冷卻步驟需要的熱負荷Q,以及每千克再生氣給出或帶走的熱量q,并根據初步確定的加熱時間和冷卻時間t,從而得到再生氣的流量m=Q/t/q;初步確定時,加熱時間宜為總再生時間的1/2～5/8,冷卻時間少于加熱時間。通常加熱氮氣量和冷卻氮氣量不相等,但是考慮到氣量的波動不但會對裝置的平穩運行造成影響,且對再生系統設備選型造成不便,設計時都會通過調整加熱時間和冷卻時間的方式使加熱氮氣量和冷卻氮氣量相等。

如果裝置內有幾個床層都需要再生,一般是考慮在生產過程中讓這幾個床層的再生過程不同時進行,再生氮氣的量取這幾個床層再生量的最大值。反之,幾個床層同時再生時所需的氮氣量應疊加,導致再生氮氣量顯著增加,不但會使再生系統的設備投資大大增加,也會使上游供氮設施能力增大。

3.5 加熱方式的選擇

再生氮氣加熱器是再生系統中的核心設備,其主要有熱載體加熱、加熱爐加熱和電加熱三種加熱方式。對于大型連續加熱的流程,加熱爐加熱有明顯優勢,而對中小型或非連續的流程,電加熱和熱載體加熱有優勢[2],因而電加熱器目前被廣泛采用。電加熱器通常是由幾組熱電阻組合構成的加熱元件,這些加熱元件能做到可控硅調功,可以方便實現溫度的連續調節,而且能使溫度偏差控制在±1 ℃。由于再生過程中每一個步驟需要的溫度可能會不同,特別是當有幾個精制床層需要再生時,每一個床層再生溫度可能都不相同,所以溫度可以方便且精確地調節至關重要。

3.6 開路形式和閉路形式的選擇

3.6.1開路形式

開路形式配置較簡單(見圖1)。在加熱步驟中,再生氣經過加熱器升溫到再生溫度后進入床層,出床層后直接排向大氣或火炬(有可燃氣體時);冷卻步驟中,加熱器停止工作,再生氣進入床層進行冷卻,出床層后直接排向大氣或火炬。所以采用開路系統時,需要連續不斷的新鮮再生氣供應,為了節省再生氣的消耗量,常在排大氣或火炬管線前增加限流孔板,限制排放氣的排放速率。當再生氣排向大氣時,常在管線末端增加消音器,以減少噪音污染。

圖1 開路形式

3.6.2閉路形式

閉路形式除需配置加熱器外,還需配置冷卻器、分離罐、鼓風機等(見圖2):加熱步驟中,再生氣經過加熱器升溫到再生溫度后進入床層,出床層后,其中小部分排向大氣或火炬以保持再生氮氣的純度,大部分依次經過冷卻器冷卻降溫、分離罐分離顆粒和冷卻后的游離水、鼓風機升壓以補充再生氣在系統中流動的壓損,從而進行循環利用,同時需再補充新鮮再生氣以彌補排向大氣或火炬的小部分再生氣的流量損失。這樣,每次再生循環都有大部分再生氣被回收利用,從而節省了再生氣的消耗。

圖2 閉路形式

3.6.3開路形式和閉路形式經濟性比較

本文以公稱能力為50萬t/a HDPE裝置為例,有乙烯、己烯、ICA、氮氣等6個精制罐床層需要再生,再生氮氣平均流量為3 000 Nm3/h,每個床層間隔2個月再生一次,全年再生次數為36次,每次再生時間48 h。以下對開路形式和閉路形式的經濟性進行比較。

(1)若采用開式系統,無需額外增加投資,每年氮氣消耗的成本為155.5萬元。

(2)若采用閉式系統,需要在開式系統的基礎上增加鼓風機、冷卻器、分離罐等設備,投資增加約90萬元。與開式系統比較,新增冷卻器的循環水消耗和鼓風機的電消耗,按照最低可以回收70%的再生氮氣量考慮,則再生氮氣平均流量為900 Nm3/h,其成本見表1。

表1 采用閉式系統增加的成本

再生時閉式系統總成本為309元/h,則年總成本為53.4萬元,比開式系統每年節省成本約100萬元,所以增加的90萬元投資不到一年即可收回成本。

所以,從投資和生產成本綜合比較,閉路形式的經濟性優于開式系統。

3.6.4形式選擇考慮因素

(1)再生氣的總消耗量。取決于再生氮氣消耗量和再生時間這兩個因素;如果再生消耗量小或再生時間短,選擇使用開路形式為宜。

(2)再生周期。如果精制劑的再生周期很長,再生系統使用的頻率比較低,一般會選擇開路形式。

(3)工廠的制氮能力。如果工廠的制氮能力很大,氮氣經常富余,且富余量大于再生期間氮氣消耗的峰值量,選擇開路形式為宜。一般情況下,煤化工企業由于配備了大型的空分裝置,氮氣富余量很大,都選擇采用開路形式。而石油化工企業氮氣量相對不富余,會選擇采用閉路形式。

(4)經濟性。由上述計算可知,采用開路系統需配置的設備和管道較少,所以工程建設費用低,但是再生過程會有連續不斷的新鮮再生氣排掉,從而使生產成本升高,而采用閉路系統正好相反。一般情況下,閉路形式的經濟性優于開路形式。

至于最終選擇什么樣的再生形式,需要在工程設計階段綜合考慮并進行比較,找到建設和投資的最佳平衡點。

4 結論

在精制劑再生系統的工藝設計時,需要進行再生氣的氣源、溫度、壓力、流量、設備選型、開路形式或閉路形式的選擇。而開路形式還是閉路形式的選擇又是最關鍵的,因為它關系到再生系統的配置、后期的生產運營成本甚至工廠的空分裝置的設備選型等,所以應在項目的設計前期階段就綜合考慮各方因素確定采用開路形式還是閉路形式。