甲醇制丙烯装置中丙烯质量控制的影响因素
2015-01-12雍晓静罗春桃
苏 慧, 庄 壮, 王 峰,雍晓静, 罗春桃
(神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司研发中心,宁夏 银川 750411)
甲醇制丙烯装置中丙烯质量控制的影响因素
苏 慧, 庄 壮, 王 峰,雍晓静, 罗春桃
(神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司研发中心,宁夏 银川 750411)
针对神华宁煤甲醇制丙烯(MTP)装置分离系统的实际运行情况,重点分析了影响丙烯质量控制的关键因素:C3分离塔塔顶压力波动、进料状态、回流比、塔顶冷凝器冷后温度变化及塔釜温度波动等,其中塔顶压力波动是造成丙烯质量不合格的主要原因,并对C3分离塔提出优化与改进措施。生产实践表明,优化后的C3分离塔能够更好地提高丙烯产量,同时确保塔压的易调控。
MTP;C3分离塔;质量;改进;优化
2011年4月神华 宁夏煤业集团煤基聚丙烯项目产出合格聚丙烯产品并进入生产阶段,装置主产50万t·a-1丙烯,副产18.4万t·a-1汽油、4.1万t·a-1液化石油气和2万t·a-1乙烯。该项目主要包括煤气化、甲醇合成、甲醇制丙烯(MTP)和丙烯聚合等生产单元。其中,C3分离塔作为MTP装置的重要精馏系统,直接分离出丙烯和丙烷产品,控制着丙烯产品的质量和产量。C3分离塔的原料以丙烷和丙烯气相混合物为主,由于二者的相对挥发度小,分离难度大。为了满足后续聚合单元的生产要求(聚合级丙烯纯度≥99.6%),C3分离塔需要较多的塔板和较大的回流比,同时消耗较多的能量。既使C3分离塔达到甲醇制丙烯工艺设计的要求,在实际运行过程中丙烯于塔釜馏出物中依然占有较高的比例;且与塔釜产品丙烷相比,塔顶产品丙烯能够作为基础原料用于生产下游高附加值的衍生产品,更具经济价值,而塔釜丙烷一部分作为原料回到原料炉进行回炼,另一部分作为副产液化石油气(LPG)的组分。因此,如何降低C3分离塔塔釜中丙烯的含量,同时提高分离塔塔顶丙烯的含量,对神华宁夏煤业集团煤基甲醇制丙烯项目具有重要的现实意义[1]。本文针对C3分离塔现状及存在的问题,探讨了丙烯质量控制的影响因素,通过分离塔塔顶冷凝系统的技术改造实现分离塔塔压的调控,有效提高了C3分离塔塔顶丙烯的产量,同时控制了分离塔的塔压。
1 丙烯/丙烷分离系统现状及存在的问题
C3分离塔在MTP装置运行初期正常。但是,随着装置运行时间的累积,且循环水水质出现问题,导致分离塔塔顶冷凝器内部管束出现严重的结垢,从而造成冷凝器换热效率下降,使得分离塔塔顶丙烯产品冷后温度高达50℃,塔顶压力最高可达2.21MPa,严重超出了C3分离塔塔顶的正常操作值(2.10~2.14MPa)。尤其,当夏季循环水水温稍涨后,C3分离塔塔压随之升高,严重影响C3分离塔的稳定操作,影响塔顶丙烯的含量,同时造成塔釜丙烯含量超标,造成丙烯的严重损失。为了尽量降低分离塔塔顶回流罐的操作温度,在装置的运行期间,需要及时清洗循环上水过滤网,清洗完毕后,换热效果略有改善。随着MTP装置工况的调整以及C3分离塔负荷相应的增加,由清洗过滤网带来的效果变得不明显,如果频繁地更换和清洗过滤网,不仅增加分离工段的劳动强度,而且延误丙烯当月的产量任务。因此,寻找和分析装置操作过程中影响C3分离塔的主要因素,能够最大限度地解决分离塔存在的问题。
2 MTP装置丙烯生产工艺流程
图1是C3分离塔的工艺流程示意图。从脱乙烷塔底来的C3混合物先后进入保护床和过滤器,依次脱除气相混合物中的二甲醚(DME)和杂质后,从第90层或第122层塔板进入C3分离塔。由急冷水泵来的急冷水将C3分离塔塔釜的料液部分汽化,作为塔釜的气相回流。C3分离塔底部的丙烷产品经塔底冷却器冷却后,直接送至LPG罐区。而C3分离塔顶丙烯产品经过塔顶冷凝器冷却后,再进入回流罐,其中一路作为回流进入C3分离塔内,另一路作为丙烯产品,经过丙烯冷却器冷却后,直接送往界区外丙烯储罐。
图1 C3分离塔工艺流程示意图
3 丙烯质量控制的关键影响因素
3.1 C3分离塔塔顶压力的波动
由于MTP装置C3分离塔塔顶冷凝器的冷凝效果差,导致冷后温度偏高,塔顶压力持续较高,使分离效果下降,严重影响了C3分离塔的操作,造成塔顶底产品质量不合格。当塔顶温度、塔底温度、回流温度以及塔釜热负荷和塔顶冷负荷都在控制指标范围内时,取操作稳定的一个周期,分析塔压的持续升高对C3分离塔整个系统的影响,从而找出影响塔顶产品质量不合格的因素,平稳操作时期C3分离塔压力与丙烯质量的关系图见图2。
图2 C3分离塔塔顶压力与丙烯质量的关系图
从图2中可以看出,在其他操作条件基本保持不变时,随着C3分离塔塔顶压力升高,分离塔塔底丙烯含量呈上升趋势,最高可达到19%左右,在正常操作时塔底丙烯百分比含量应小于3.6%,若大于3.6%则会造成塔底产品中丙烯的严重超标;塔顶丙烯含量随着C3分离塔塔顶压力的升高而增加,最高值可达到99.86%,图中出现塔顶丙烯含量的波动主要是由MTP装置操作工艺调整所致。由此可知,C3分离塔塔压变化是直接影响塔顶丙烯含量的关键因素之一,当塔顶压力控制在2.11~2.16MPa范围内,C3分离塔塔顶丙烯含量(装置要求大于99.40%)符合后续聚合工艺的生产。
3.2 C3分离塔进料状态
对于C3分离塔而言,丙烯/丙烷进料状态的变化能够直接影响丙烯质量和丙烯损失量。由上述工艺流程可知,C3分离塔的进料属于气相进料,从脱乙烷塔底来的丙烯和丙烷的混合物,经过防护床和过滤器后,除去DME等杂质后再进入C3分离塔内。以下分别从进料量和进料温度来分析进料状态对C3分离塔塔顶丙烯质量的影响。
3.2.1 进料量的大小
当C3分离塔进料量不超过塔顶冷凝器负荷和塔底再沸器负荷时,分离塔塔顶温度和塔釜温度均不会产生显著变化,也不会造成分离塔内上升蒸汽速度的变化;当分离塔进料量超过塔顶冷凝器负荷和再沸器负荷后,C3分离塔塔内上升蒸汽的速度会受到影响,同时影响分离塔塔顶温度和塔釜温度,致使塔板上的气液平衡发生变化,从而直接影响丙烯质量和丙烯损失量。因此,进料量的变化能够破坏整个C3分离塔内物料的平衡,在未达到新的物料平衡前,造成C3分离系统的波动。
3.2.2 进料温度
较低的进料温度能够升高塔釜的热负荷,降低塔顶冷凝器的冷负荷,反之,较高的进料温度导致塔釜热负荷降低、塔顶冷负荷升高。当C3分离塔进料温度发生较大的波动时,整个C3分离塔的温度随之发生变化,导致分离塔内气液平衡的变化。此外,分离塔进料温度的变化,必将引起进料状态、精馏段冷负荷、提馏段热负荷的变化,致使整个分离塔内物料平衡随之而变。
3.3 回流量大小的影响
在C3分离塔操作过程中,回流量是影响整个分离塔塔顶丙烯含量的另一个关键因素。生产中经常采用回流比来调节和控制塔顶丙烯含量。当精馏段中重组分含量增加时,常采用加大回流比的方法,降低塔顶重组分含量,增加塔顶轻组分的含量,以便保证丙烯产品质量合格。当提馏段中轻组分含量增加时,塔底下部温度降低,通过适当减小回流比提高塔釜温度。对从塔顶得到产品的精馏塔而言,回流比的增加能够提高塔顶产品含量,降低精馏塔的生产能力,且增加公用工程的消耗。当回流比增加过大时,将会造成塔内物料的循环量过大,甚至导致液泛,破坏塔的正常操作[2]。
图3是平稳操作周期内C3分离塔回流量与丙烯含量的关系图。从图3中可以看出,C3分离塔塔顶丙烯含量随着回流量的增大而不断上升,为了满足装置生产合格丙烯的要求(丙烯含量应大于99.4%),在实际生产中一般控制塔顶回流量在845~855 t/h。当回流比增大时,塔顶丙烯含量增加,这是由于加大回流量时,塔顶轻重组分更易冷凝到塔釜,而重组分比轻组分冷凝量多,因此提高塔顶丙烯含量的同时增加塔釜丙烯的含量,影响丙烯产品的采出量。反之,当回流比减小时,塔内物料平衡遭到破坏,造成重组分上移至精馏段,导致塔顶丙烯产品质量不合格,此时只能增加回流量或降低外送量,待塔内物料重新达到平衡后,酌情增加丙烯外甩量,如果不减少丙烯外送量,将会导致回流罐液位下降,同时由于外送量较大,塔顶丙烯质量难以达到合格的要求。
图3 回流量对丙烯产品质量的影响
3.4 塔釜热负荷和塔顶冷负荷的影响
在精馏操作过程中,为了保持塔釜热源温度的稳定,需要根据塔的热负荷大小,调整热载体流量,从而将塔釜温度控制在一定范围内[3]。同时,塔顶冷凝量的大小也会引起回流量和回流温度的变化。塔顶冷凝量增加,回流量随之增加,导致塔顶温度下降;塔顶冷凝量降低,回流量随之减小,导致塔顶温度升高。因此,适当的塔釜热负荷和塔顶冷负荷是确保精馏塔正常操作的前提条件。C3分离塔塔釜温度为62~65℃,一定工况下,塔釜温度对塔顶丙烯含量和塔釜丙烯含量的影响如表1所示。
表1 C3分离塔塔釜温度对塔顶丙烯含量和塔釜丙烯含量的影响
从表1可以看出,当C3分离塔塔釜温度从62.26℃升至65.41℃时,塔顶丙烯含量由99.60wt%降至99.39 wt %,塔釜丙烯含量由4.03 wt %降至1.32 wt %,由此说明塔顶丙烯含量与塔釜内丙烯的损失量均减少;反之,当塔釜温度降低时,塔顶丙烯含量与塔釜丙烯的含量均增加。在C3分离塔工艺调整中,塔釜温度的增加使得塔内上升蒸汽的速度增加,有利于提高分离塔内的传质效率。但是,如果塔釜温度过高,则塔釜内的丙烷容易带入塔顶,影响塔顶丙烯的含量。因此,在实际操作过程中,必须综合考虑丙烯收率、塔釜损失、塔顶丙烯含量等影响因素,选择适宜的塔釜温度。通常C3分离塔塔釜温度尽量控制在63~64℃为宜。
4 C3分离塔的改造与优化措施
4.1 塔顶压力的调整与优化
精馏塔在正常操作是基于一定压力进行的,如果塔的操作压力发生波动,对塔的产品质量、物料平衡、操作温度都有重要影响[4]。当精馏塔塔压发生变化时,塔内气液平衡受到破坏, 与压力相对应的各种平衡关系随之受到破坏,整个塔的操作将随之改变。换言之,塔的压力升高,则塔顶馏分产量减少,轻组分浓度增加,塔釜产品产量增加,纯度降低。反之则塔顶馏分产量增加,轻组分浓度降低,塔釜产品浓度提高,液相量相对减少[5]。MTP装置C3分离塔处理的是带压的液化气混合物料,液化气沸点低,当分离过程中塔压发生微小变化后, 塔釜丙烷组分即以较快的速度挥发并产生携带现象, 或气相迅速凝结致使C3分离塔内气液相分布发生较大的变化,并对丙烯与丙烷的分离产生直接影响。因此,塔压是C3分离塔操作的重要参数之一,表2为C3分离塔塔压过低/高时出现的现象、原因及处理方法。
表2 C3分离塔塔压低/高时的现象、原因及优化措施
4.2 塔压调整后的效果
在神华宁夏煤业集团MTP装置的运行过程中,丙烯分离系统主要采取稳定C3分离塔进料量、稳定C3分离塔塔顶压力、稳定C3分离塔的产品采出量、调整塔釜温度、合理控制回流比、定期清洗和检修C3分离塔塔顶冷却器等措施,实现了C3分离塔“安稳长满优”的运行,并取得了显著地经济效益。并且在MTP装置检修过程中,分别对C3分离塔塔顶冷却器、塔底再沸器进行了清理和更换管束,从而保证装置的平稳运行。
图4 C3分离塔检修前后同一时期塔压对比图
图4为C3分离塔在检修前后(2013年4月至5月)塔压对比图。由图4可以看出,在生产中采取相应措施后,C3分离塔塔顶压力明显下降,实现C3分离塔负荷的降低,有利于塔顶丙烯的采出,确保MTP装置丙烯收率的提高。
5 结语
在精馏操作中,严格控制塔的各项参数是十分重要的,尤其对于神华宁夏煤业集团主产50万t/a丙烯的装置,塔压的易控与平稳是至关重要的。只有在正常范围内调控各项操作参数,才能保证C3分离塔塔顶丙烯质量合格和产量最大化。通过对C3分离塔塔顶冷凝系统的技术改造,改善了分离塔塔顶冷凝效果,提高了塔顶丙烯的产量,同时有效控制了分离塔的塔压,提高了丙烯分离系统产品质量。
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Influence Factors of Propylene Quality Control in Methanol-to-propylene Process
SU Hui, ZHUANG Zhuang, WANG Feng, YONG Xiao-jing, LUO Chun-tao
(Research and Development Division,S henhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd., Yinchuan 750411, China)
文献标识码:B
1671-9905(2015)03-00 -
苏慧(1987-),女,宁夏回族自治区中宁县人,毕业于宁夏大学应用化学专业,硕士,工程师,主要从事催化剂开发及应用研究,电话:13895176874,E-mail:nxsuhui001@126.com
2015-01-09