乙烯裝置急冷油黏度高的原因分析及優(yōu)化處理

安娟娟

（福建古雷石化有限公司，福建 漳州 363000）

0 引言

在乙烯裝置中，急冷系統(tǒng)位于整個(gè)裝置的咽喉部位，連接裂解爐、壓縮機(jī)兩個(gè)重要設(shè)備，起承上啟下的作用，急冷系統(tǒng)運(yùn)行的好壞對(duì)整個(gè)裝置的正常運(yùn)行具有重要作用。急冷系統(tǒng)的主要作用為：（1）節(jié)能作用，急冷油作為載體吸收裂解氣中的高位熱能，用于產(chǎn)生稀釋蒸汽，供裂解爐所用[1]；（2）分餾作用，裂解氣通過急冷油塔及急冷水塔冷卻后，分離出乙烯焦油、裂解柴油及汽油產(chǎn)品。目前，急冷系統(tǒng)的主要問題是急冷油黏度高，這也是急冷系統(tǒng)的一大難點(diǎn)，急冷油黏度高直接影響了其傳熱性能，使急冷油用戶傳熱效率降低，并且稀釋蒸汽發(fā)生量減少，為了滿足裂解爐所用的稀釋蒸汽需要增加直補(bǔ)的中壓蒸汽量，同時(shí)急冷油黏度過高還會(huì)使急冷油循環(huán)泵的功率增加，為了維持急冷油泵出口壓力，需要增加透平泵驅(qū)動(dòng)蒸汽量來升高轉(zhuǎn)速，最終造成急冷系統(tǒng)的能耗增加。

1 急冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)介

急冷系統(tǒng)主要是接收來自裂解爐約212℃的裂解氣經(jīng)急冷油塔冷卻至101℃后，再經(jīng)急冷水塔進(jìn)一步冷卻至40℃，為裂解氣壓縮機(jī)提供合格的裂解氣。回收的裂解氣余熱為裂解爐產(chǎn)生合格的稀釋蒸汽，同時(shí)從裂解氣中分離出裂解汽油、裂解柴油和裂解燃料油，急冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 急冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

2 急冷油黏度高的危害

急冷油主要是裂解氣經(jīng)過降溫、冷卻、分離后留在急冷油塔釜的重組分，主要成分是稠環(huán)芳烴及脂肪類的烯烴類化合物等，急冷油長時(shí)間在系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使大部分的稠環(huán)芳烴發(fā)生一系列的縮合反應(yīng)最終生成膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，使急冷油黏度不斷升高[2]。急冷油黏度升高對(duì)管線及設(shè)備會(huì)造成一定影響，使稀釋蒸汽發(fā)生器的傳熱效率下降[3]，導(dǎo)致急冷油回收高位熱能的效率降低，急冷油塔的分離效果降低，無形中增加裝置能耗。

急冷油黏度的增加，使急冷系統(tǒng)內(nèi)的高位熱能不能有效地傳遞給急冷油用戶，使急冷油塔釜溫升高，急冷油塔釜溫升高會(huì)使急冷油中的輕組分蒸發(fā)出去，從而使急冷油中的重組分增多，黏度越來越大，造成惡性循環(huán)，若不能及時(shí)減黏，急冷油黏度會(huì)呈指數(shù)型升高，造成系統(tǒng)的“飛溫”等后果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成非計(jì)劃停車事故[4]。

3 急冷油黏度增長機(jī)理

由于急冷油主要成分中有80%的組分是芳烴類物質(zhì)，導(dǎo)致急冷油在系統(tǒng)中長期循環(huán)的過程中，高溫條件下會(huì)發(fā)生芳烴脫氫生成烷基自由基反應(yīng)，烷基自由基又與系統(tǒng)中的氧發(fā)生鏈增長，生成烷氧自由基和過氧化物的自由基[5]，如圖2所示。每循環(huán)一次，烷基自由基的濃度就會(huì)增高，反應(yīng)速度也越快，使得兩個(gè)烷基自由基發(fā)生鏈終止生成大分子物質(zhì)，最終導(dǎo)致急冷油黏度升高。

圖2 高聚物反應(yīng)機(jī)理

4 原因分析

急冷油黏度高不僅發(fā)生在裝置開車階段，在后期運(yùn)行中也會(huì)出現(xiàn)。由于在裝置開車初期整個(gè)系統(tǒng)不太穩(wěn)定，加之裂解原料的變化及裂解負(fù)荷的不足，急冷油黏度不好控制。在裝置正常運(yùn)行時(shí)，造成急冷油黏度高的原因不僅有裂解原料的變化，還有工藝操作的原因。

4.1 裂解原料組成的影響

裂解原料和工況的變化是影響急冷油黏度的重要原因之一。近年來，由于裂解裝置原料的輕質(zhì)化，裂解柴油組分下降，使急冷油塔中的急冷油黏度普遍較高[6]。若裂解原料組分較輕且終餾點(diǎn)較低時(shí)，產(chǎn)生新的急冷油量就越少，原來的急冷油在系統(tǒng)內(nèi)一直循環(huán)，急冷油中的不飽和烴就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)使黏度越來越高，同時(shí)油塔液位也會(huì)越來越低，必要時(shí)需要補(bǔ)充調(diào)制油維持液位。

4.2 汽油回流量小及裂解燃料油采出偏小

汽油回流量小會(huì)使油塔頂溫升高，油塔中更多的輕組分以氣體散出，使急冷油黏度升高，而增加塔頂汽油回流量會(huì)使更多的輕組分停留在急冷油塔中，有助于降低急冷油黏度。

裂解燃料油的采出直接影響急冷油塔的液位，關(guān)系到整個(gè)急冷油系統(tǒng)的物料平衡，從圖1可以看出為了維持油塔液位，裂解燃料油采出量變小，裂解燃料油返油塔的量增大，使急冷油塔液位升高，急冷油在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí)間延長，急冷油接觸裂解氣的次數(shù)隨之增加，導(dǎo)致急冷油黏度升高[7]。

4.3 急冷油循環(huán)及盤油循環(huán)量少

急冷油循環(huán)量和盤油循環(huán)量直接影響急冷油塔釜溫。急冷油循環(huán)量少，工藝水通過急冷油加熱產(chǎn)生的稀釋蒸汽量就會(huì)減少，帶走的急冷油熱量減少，使急冷油塔釜溫度升高，急冷油黏度升高。盤油循環(huán)量少，會(huì)使急冷油塔頂和塔釜溫度增加，急冷油黏度升高。

5 急冷油黏度高的處理措施

急冷油塔正常運(yùn)行期間，若塔中的重組分不能及時(shí)采出且輕組分又被氣提出去，急冷油的黏度就會(huì)越來越高，從而造成惡性循環(huán)，塔的正常運(yùn)行難以控制。可以從裂解原料組分、工藝調(diào)整及增設(shè)減黏塔優(yōu)化方面解決急冷油黏度高的問題。

5.1 裂解原料及裂解深度的調(diào)整

裂解原料的組成及裂解深度的高低均會(huì)影響裂解產(chǎn)物中裂解燃料油的收率，從而影響急冷油的黏度。對(duì)于裂解反應(yīng)，除了在原料組成上選擇更優(yōu)質(zhì)的原料外，還可以通過降低裂解深度，減少原料在輻射段的停留時(shí)間來控制。某石化公司裂解裝置在開車初期由于裂解原料輕且終餾點(diǎn)較低導(dǎo)致急冷油黏度較高，裂解原料組成如表1所示，餾程如表2所示，由表1石腦油的組成可以看出該組成主要是烷烴、環(huán)烷烴及少量的芳烴，表2中餾程設(shè)計(jì)值為171 ℃。

表1 石腦油的組成

表2 石腦油餾程

在開車初期實(shí)際運(yùn)行時(shí)，裂解原料終餾點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)值，僅為110 ℃，導(dǎo)致急冷油黏度達(dá)到2 000 mm2/s以上，多次引入調(diào)質(zhì)油后仍居高不下，在調(diào)整裂解原料后，急冷油黏度隨裂解原料終餾點(diǎn)降低而下降，急冷油黏度隨裂解原料終餾點(diǎn)的下降趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 急冷油黏度隨原料終餾點(diǎn)的變化

由圖3可以看出，裂解原料的終餾點(diǎn)低于110 ℃時(shí)（設(shè)計(jì)值171 ℃），急冷油黏度維持在1 500 mm2/s左右（正常控制在1 000 mm2/s以下，設(shè)計(jì)值200～500 mm2/s），當(dāng)終餾點(diǎn)上升至159 ℃以上時(shí)，急冷油黏度逐漸下降，最終降至200 mm2/s左右。

5.2 工藝調(diào)整

工藝上急冷油減黏方法主要是通過增大汽油回流、增大盤油回流及急冷油回流，增加裂解燃料的采出，讓更多的輕組分摻混在急冷油中，同時(shí)讓更多的重組分從急冷油中分離出去，使急冷油黏度降低。但是汽油回流量過大時(shí)，油塔頂?shù)牧呀鈿庵休^輕的組分進(jìn)入到汽油中，分離出的汽油產(chǎn)品干點(diǎn)降低，塔釜溫度也會(huì)下降，系統(tǒng)的能耗增加。對(duì)于80萬噸/年的乙烯裝置來說，在滿負(fù)荷情況下，在維持急冷油黏度和裂解汽油干點(diǎn)的情況下，汽油回流量控制在210 t/h左右時(shí)能滿足要求。急冷油循環(huán)量也不宜過大，循環(huán)量過大會(huì)使急冷油泵出口壓力降低，對(duì)裂解爐操作造成影響，同時(shí)還會(huì)使操作費(fèi)用增加，正常情況下急冷油循環(huán)量及盤油循環(huán)量約1 600 t/h，急冷油泵出口壓力為1.12 MPa左右。另外，裂解柴油采出減少時(shí)，柴油槽中的輕組分增多，汽油產(chǎn)品干點(diǎn)降低，塔釜溫度降低，熱能的回收率也會(huì)降低，因此在急冷油減黏的同時(shí)，要通過保證汽油干點(diǎn)來調(diào)整汽油循環(huán)及柴油的采出量。某石化公司運(yùn)行初期負(fù)荷為80%，在改變裂解原料的條件下又經(jīng)多次調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，最終將急冷油黏度控制在200 mm2/s左右，80%負(fù)荷下的設(shè)計(jì)值及優(yōu)化后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 急冷油塔參數(shù)優(yōu)化值

5.3 減黏塔優(yōu)化

除了在工藝調(diào)整上對(duì)急冷油減黏之外，在設(shè)計(jì)上增加減黏塔的應(yīng)用也越來越廣泛。增設(shè)減黏塔是將急冷油中的輕組分通過超高壓蒸汽或裂解氣汽提出來返回至急冷油塔中，重組分作為重燃料油采出，從而達(dá)到減黏目的。減黏塔工藝流程如圖4所示。

圖4 減黏塔工藝流程簡(jiǎn)圖

減黏塔是利用旋液分離的原理，即急冷油用乙烷爐經(jīng)線性急冷換熱器后的裂解氣進(jìn)行汽提，進(jìn)入減黏塔后將急冷油中的焦粒通過旋液分離實(shí)現(xiàn)焦粒的脫除。塔頂氣相物質(zhì)返回至急冷油塔，重組分的液相物質(zhì)一部分作為重燃料油采出，一部分用來控制減黏塔液位而返回至急冷油塔。因此減黏塔的調(diào)整對(duì)急冷油黏度的影響尤為重要：一是重燃料油的采出量；二是減黏塔頂氣化率。塔釜重組分的采出直接影響重組分移出系統(tǒng)的量，重組分采出的越多，急冷油黏度就越低，但重組分采出過多會(huì)使急冷油塔液位下降，導(dǎo)致急冷油泵抽空。由于減黏塔壓力受裂解氣壓縮機(jī)控制、裂解氣量受乙烷爐控制，均相對(duì)穩(wěn)定，因此減黏塔頂溫度是唯一的變量，決定了減黏塔急冷油的氣化率，影響減黏效果。溫度控制較低，急冷油量增加，氣化率上升，減黏效果越好。但溫度過低又會(huì)影響急冷油塔釜溫度，某石化公司經(jīng)過多次調(diào)整分析得出減黏塔的最佳工藝條件控制如表4所示。

表4 減黏塔工藝條件

6 結(jié)語

急冷油黏度高直接影響乙烯裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，是需要嚴(yán)格控制的重要參數(shù)，導(dǎo)致急冷油黏度增加的主要原因有裂解原料的組成、工藝參數(shù)不符合實(shí)際運(yùn)行工況等。

（1）通過調(diào)整裂解原料組分，選擇最佳的裂解深度，有效調(diào)整急冷油塔中輕重組分的比例。

（2）通過急冷油循環(huán)量、汽油回流量及裂解燃料油采出參數(shù)的多次優(yōu)化調(diào)整，合理控制急冷油塔頂溫和釜溫，不僅能夠降低急冷油黏度，還能降低裝置能耗。

（3）對(duì)減黏塔頂溫低控，可以提高裂解氣對(duì)急冷油的氣化率，將急冷油中的重組分送出急冷系統(tǒng)，將更多輕組分留在系統(tǒng)內(nèi)，可有效降低急冷油黏度。