异丙苯装置中苯塔压力波动的原因分析及对策

赵国新，夏俊芝，肖松斌

（中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

异丙苯装置中苯塔压力波动的原因分析及对策

赵国新，夏俊芝，肖松斌

（中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

中沙（天津）石化有限公司异丙苯装置在试运行期间，苯塔出现周期性压力波动甚至超压联锁停车。针对这一问题，采用Aspen Plus流程模拟软件对苯塔回流罐进行了模拟，考察了压力、丙烷含量及N2流量对丙烷在苯中溶解度的影响。分析造成苯塔操作不稳定的原因为丙烷在苯塔内的累积，当丙烷达一定含量且操作条件发生波动时，可使液相中的丙烷瞬间释放，导致苯塔压力升高甚至超压联锁停车。通过向回流罐连续引入N2和增加冷凝器的温度控制系统、回流罐的N2流量控制系统等措施解决了苯塔压力波动的问题。

异丙苯；苯塔；脱丙烷；流程模拟；精馏分离

中沙（天津）石化有限公司苯酚丙酮项目，是天津1 Mt/a乙烯装置的配套项目之一，由300 kt/a异丙苯装置和220 kt/a苯酚装置组成，其中异丙苯装置分为反应和分离两部分。在异丙苯装置的分离部分，采用了先进的三塔流程，即苯塔、异丙苯塔和多异丙苯塔，比同类装置减少了脱丙烷塔。因此，苯塔承担了脱丙烷、苯干燥及苯回收等多项分离功能［1］。在苯酚丙酮全装置试车过程中，苯塔出现了周期性的压力波动现象及超压联锁停车，造成异丙苯装置生产不能连续，并波及到苯酚装置的连续生产，影响了整个装置的安全、稳定、长周期、满负荷和优化运行。

本工作分析了苯塔压力波动的原因，采用Aspen Plus流程模拟软件对苯塔回流罐进行模拟；针对丙烷累积的问题，对工艺流程、控制系统及操作条件进行了优化，解决了苯塔周期性压力波动的问题，达到了预期的效果。

1 异丙苯装置的分离流程

1.1 分离流程简介

中沙（天津）石化有限公司异丙苯装置的分离流程见图1。从界区引入的经过预处理后的新鲜苯和烷基化反应器的反应液分别进入苯塔；苯塔侧线采出干苯，塔釜的粗异丙苯进入异丙苯塔；从异丙苯塔塔顶蒸出异丙苯，塔釜的重组分进入多异丙苯塔；多异丙苯塔塔顶采出含有甲基异丙苯等杂质的污二异丙苯，塔釜采出少量烃焦油重组分，侧线采出多异丙苯；多异丙苯与干苯混合后进入烷基转移反应器，反应液返回苯塔。

图1 异丙苯装置的三塔分离流程Fig.1 Isopropyl benzene unit with three columns.

1.2 苯塔存在的问题

在异丙苯装置试车过程中，发现苯塔压力存在一定幅度的波动，波动范围达到±15 kPa，并多次发生苯塔压力超高导致超压联锁停车。以一次事故为例（见图2），在20：25以前，异丙苯装置运行平稳，苯塔温度、压力等参数均正常；但是20：25之后，苯塔压力突然上升，即使将苯塔顶部的尾气排放阀全开，苯塔压力仍在20：39时达0.35 MPa，造成超压联锁停车。

图2 异丙苯装置苯塔超压联锁时苯塔压力变化趋势Fig.2 Pressure change of the benzene column when the overpressure interlock started.

1.3 问题发生的原因分析

从操作参数分析，当时苯塔的再沸器凝液量、侧线回流及塔顶回流均未进行大的调整；侧线干苯缓冲罐温度及塔顶回流罐温度未发生明显变化；进入苯塔的烷基化反应器和烷基转移反应器反应液的流量、温度均未做调整且未发生波动。从操作角度分析，没有造成苯塔压力突然超高的因素。

分析导致苯塔压力波动、甚至压力超高联锁停车的原因，可能是丙烷未及时排出，使丙烷在苯塔中累积，当丙烷达到一定含量后，苯塔塔顶冷凝器中物流的冷凝程度发生变化，即丙烷不能完全冷凝或部分丙烷从液相中释放出来，造成苯塔压力波动。

2 模拟计算

2.1 数学模型

采用Aspen Plus流程模拟软件对苯塔塔顶回流罐进行模拟，采用Flash2分离模块进行计算，物性数据采用NRTL-RK方程计算。分析了丙烷含量、操作压力和N2流量对冷凝程度的影响。

2.2 丙烷含量的影响

丙烷含量对丙烷气相质量分数的影响见图3。由图3可见，丙烷含量越高，使其完全冷凝需要的温度越低；当丙烷含量低于5%（w）时，即使温度高于55 ℃，丙烷也能完全冷凝。当丙烷含量增加到一个临界点后，部分丙烷将以气态进入回流罐，必然导致苯塔压力急剧上升。

图3 在247 kPa下丙烷含量对丙烷气相质量分数的影响Fig.3 The effects of propane content on propane mass fractions in the gas phase at 247 kPa.

2.3 压力的影响

丙烷在苯中的溶解度与压力的关系见图4。从图4可看出，在250 kPa时，在苯中丙烷的溶解度为4.2%（w）。

2.4 N2流量的影响

丙烷含量与N2流量的关系见图5。从图5可看出，随N2流量的增大，丙烷的含量降低；当N2流量为100 kg/h时丙烷的含量降至4%（w）左右。当苯塔回流罐通入N2时，能降低回流罐气相中丙烷的平衡分压，有助于丙烷从液相挥发并随尾气排出，从而降低丙烷在系统中的累积。

图4 在45 ℃下丙烷在苯中的溶解度与压力的关系Fig.4 The relationship between pressure and solubility of propane in benzene at 45 ℃.

图5 丙烷含量与N2流量的关系Fig.5 The relationship between N2 flowrate and propane content.

3 结果与讨论

3.1 苯塔操作波动的影响因素

造成苯塔操作不稳定的原因为：丙烷在系统内不断累积，当液相中丙烷含量接近临界点7%（w）时，压力或温度稍有波动，瞬间就会生成大量气相，使得压力急速升高，气相排放量随之加大；同时因压力升高使气相生成量减小，很快压力又开始大幅回落；当压力低于正常值后，又有大量气相生成，再次发生新一轮的波动。从而导致苯塔压力波动，甚至压力超高联锁。

苯塔的压力、回流罐温度、N2补偿位置和N2量都将影响系统中丙烷的含量，影响冷凝器中物料的冷凝程度。

3.2 解决措施

综合考虑苯塔的出料、苯的挥发度和装置能耗等问题，苯塔操作压力控制为250 kPa，回流罐温度控制为45℃，维持与设计值一致。

3.2.1 回流罐连续通入N2

原设计将N2补偿管线的接入口放在尾气排放线上。现将N2进气接入口改至回流罐顶部，并将N2流量持续维持在100 kg/h。

3.2.2 增加控制系统

为了将苯塔系统进一步优化，提高苯塔的稳定性和安全性，提出以下方案：苯塔冷凝器后增加温度控制，保证丙烷冷凝效果；回流罐顶部增加联锁阀，苯塔压力突然上升时，保证苯塔不超压；控制N2补充量及排放量，使丙烷含量达到最佳。苯塔增加的控制系统见图6。

图6 苯塔增加的控制系统Fig.6 The alteration of benzene column control system.

3.3 改造后的效果

根据实际运行情况，目前苯塔已经稳定运行4个多月，消除了苯塔压力突然上升的现象，彻底解决了苯塔压力波动的问题。

4 结论

（1）300 kt/a异丙苯装置的苯塔在运行时出现压力波动甚至超压联锁停车的原因是丙烷在系统内累积，当液相中丙烷含量接近7%（w）时，压力或温度稍有波动便会使液相中的丙烷大量释放，造成压力波动。

（2）将N2进气接入口改至回流罐顶部，并将N2流量持续维持在100 kg/h时， 能将液相中丙烷的含量降至4%（w）左右。

（3）对苯塔冷凝器增加温度控制系统，回流罐增加N2流量控制和联锁阀。经过控制系统的改造，提高了苯塔的稳定性和安全性。

［1］ 曹钢. 异丙苯法生产苯酚丙酮［M］. 北京：化学工业出版社，1983：15- 20.

Simulation and Optimization of Benzene Column in Isopropyl Benzene Unit

Zhao Guoxin，Xia Junzhi，Xiao Songbin
（SINOPEC/SABIC Tianjin Petrochemical Co. Ltd.，Tianjin 300270，China）

In the test run of the isopropyl benzene unit of SINOPEC/SABIC Tianjin Petrochemical Co. Ltd，there was pressure fluctuation of the benzene column，which led to overpressure interlock stopping. In order to solve this problem，the overhead drum of the benzene column was simulated by using Aspen Plus software，and the effects of pressure，propane content and nitrogen flowrate on the propane solubility in benzene were investigated. The results indicated that the upset of the benzene column resulted from the increasing propane accumulation in benzene. When the propane concentration rose to a certain extent and the operation conditions fluctuated，the propane gas was released in a short time，which could lead to the pressure rise and then the overpressure interlock stopping. The pressure fluctuation could be solved through continuous addition of nitrogen to the overhead drum and improvement of the control system.

isopropyl benzene；benzene column；depropanization；process simulation；distillation separation

1000-8144（2012）04 - 0435 - 03

TQ 063

A

2011 - 10 - 19；［修改稿日期］2012 - 01 - 13。

赵国新（1969—），男，吉林省伊通县人，大学，工程师，电话 022-63806480。联系人：夏俊芝，电话 022-63806542，电邮 junzhi.xia@ss-tpc.com。

（编辑 李治泉）