浅析MTP改扩建工程空分装置的设计

刘 娜 毛向禹 中国寰球工程公司 北京 100012

某集团已建设一套MTP装置 (简称烯烃一套装置)，其生产能力为甲醇1670 kt/a，聚丙烯500 kt/a。在此基础上，将建设MTP二套装置 (以下简称烯烃二套装置)，其规模与烯烃一套装置相同。

对烯烃二套的空分装置设计，提出两个方案，通过对其两个方案的工艺流程、设备配置、公用工程消耗、投资等进行了方案比选，实现设计优化。

1 空分装置

烯烃二套装置主要包括MTP装置以及PP、甲醇合成、火炬、罐区、空分装置等配套装置。各装置高压氮气和低压氮气的用量及压力要求分别见表1和表2，均无氧气用量。

氮气规格:温度约37℃;纯度≥99.99%;其中，氧气含量≤5 ppm;二氧化碳≤1 ppm;一氧化碳≤1 ppm;水≤2 ppm。

由表1可知，各装置高压氮气用量较小，且均为间歇使用。现有甲醇装置的高压氮气余量为30000 Nm3/h，压力5.6～6.0 MPa(G)，产量和压力均能满足需求，故可依托该甲醇装置。

根据表2低压氮气用量表，连续用量叠加两个最大间断用量，确定本空分装置的总生产能力为135000 Nm3/h的纯氮装置。空分装置年操作时间为8000 h。

表1 高压氮气用量

表2 低压氮气用量

2 工艺方案

2.1 方案一

新建一套能力为135000 Nm3/h的纯氮空分装置，流程见图1。

图1 方案一的流程简图

采用原料空气压缩、分子筛吸附净化及增压透平膨胀机工艺流程。整套设备包括:空气过滤系统、空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、液体贮存系统、氮气外压缩系统、仪控系统、电控系统等。

原料空气经吸入口吸入，进自洁式空气过滤器，滤去尘埃和机械杂质，然后进主空压机，压缩后的气体进空气预冷系统中的空气冷却塔，在其中被水冷却和洗涤。空气冷却塔采用循环冷却水和水冷塔冷却过的低温冷却水冷却，以尽可能降低空气温度减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷。空气冷却塔顶部设有游离水分离装置，以防止工艺空气中游离水份带至下游空气纯化系统。

出空气预冷系统的工艺空气进入用来吸附除去水份、二氧化碳、碳氢化合物的空气纯化系统，纯化系统中的吸附器由两台容器组成;两台吸附容器采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱中的污氮通过蒸汽加热器加热后进行再生。再生气的加热在蒸汽加热器中完成。出空气纯化系统的洁净工艺空气直接进冷箱内的低压主换热器，被返流气体冷却，接近露点的空气进下塔的底部，进行第一次分馏。在精馏塔中，上升气体与下流液体充分接触，传热传质后，在顶部得到纯氮气。一部分氮气经主换热器复热后送出冷箱经氮压机压缩后作为产品氮气，剩下的纯氮进下塔顶部的主冷凝蒸发器被冷凝，在气氮冷凝的同时，主冷凝蒸发器中的液体得到汽化。一部分液氮作为下塔的回流液，部分液氮作为产品液氮送去贮槽，其余液氮经过冷节流后送入上塔。在下塔中产生的液空经过冷器过冷，节流后进上塔参与精馏，在上塔内，经过再次精馏，得到低压产品氮气和富氧空气。低压产品氮气由上塔顶部抽出，经主换热器复热出冷箱送氮气压缩机压缩后供用户。富氧空气从上塔底部抽出，经主换热器复热后一部分去纯化系统作为再生气，多余部分送去预冷系统水冷塔制冷。装置所需的大部分冷量由增压透平膨胀机提供。

2.2 方案二

利用烯烃一套装置空分放空的污氮气，对其进一步提纯，得到符合要求的产品氮气，用于烯烃二套装置，流程见图2。

图2 方案二的流程简图

烯烃一套空分装置水冷塔放空的污氮气和分子筛再生排放的污氮气量约为532000 Nm3/h，正常工况仅需要168500 Nm3/h的污氮气，经进一步提纯，得到135000 Nm3/h的产品氮气，满足烯烃二套装置氮气用户要求。烯烃一套空分装置由于抽出污氮气而导致的水冷塔冷量损失可通过增加一台冷水机组弥补。

该工艺采用污氮气压缩机压缩、透平膨胀机制冷、双塔精馏、氮气外压缩的工艺流程。整套机组包括:原料污氮气压缩机系统、透平膨胀机系统、分馏塔系统、氮气外压缩系统、贮存汽化系统、仪电控系统等。

烯烃一套空分装置的原料污氮气经烯烃二套空分装置污氮气压缩机压缩后，由冷却器冷却到40℃，直接进冷箱内的主换热器，被返流出来的气体冷却，接近露点的污氮气进下塔的底部，进行第一次分馏。在精馏塔中，上升气体与下流液体充分接触，传热传质后，在顶部得到纯氮气，由此可以抽出部分满足产品要求的氮气。纯氮进下塔顶部的主冷凝蒸发器被冷凝，在气氮冷凝的同时，主冷凝蒸发器中的富氧液空得到气化。一部分液氮作为下塔的回流液回流，部分液氮作为产品液氮送去储槽，其余液氮经过冷节流后送入上塔。在下塔中产生的液空及液氮经主换热器过冷，节流后进上塔参与精馏，在上塔内，经过再次精馏，得到产品氮气和富氧空气。在上塔顶部可以得到纯氮气，经过主换热器复热后出冷箱，经氮压机增压送用户管网。装置所需的大部份冷量由透平膨胀机提供。由上塔底部抽出的富氧空气，经主换热器复热，进膨胀机膨胀制冷，再次经过主换热器复热后放空。

2.3 方案比选

表3和表4分别列出两种方案的设备选型、公用工程消耗。

表3 两种方案设备选型

表4 两种方案公用工程消耗

通过表3两方案设备选型的对比，可见污氮提纯方案无空气过滤系统、空气预冷系统、空气纯化系统，此外，其压缩系统规模比新建方案的压缩系统规模略小。由此易见，在一次性投资和占地面积上，污氮提纯方案优于新建空分的方案。

通过表4两方案公用工程消耗的对比，说明污氮提纯方案在水、电、蒸汽等公用工程消耗上得到节约。因此，长期运行费用，污氮提纯方案优于新建空分方案。

综上所述，污氮气提纯方案有很多优点。但由于该方案依托于烯烃一套空分，烯烃二套装置的空分运行受烯烃一套装置空分运行的限制，无法独立运行，因此该方案也存在一定的局限性。

3 结语

通过上述两种方案的详细对比，得出结论:污氮提纯方案优于新建空分方案。利用原有空分装置污氮气提纯，不仅仅对于MTP改扩建项目空分装置的设计有着重要意义，而且这对于今后更多的改扩建项目的空分方案的设计，提供了更广阔的思路。