醇酮装置运行故障分析及进料罐结构改造

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(辽阳石化分公司 a.研究院； b.炼油厂，辽宁 辽阳 111003)

环己醇和环己酮[1]的混合物简称醇酮。某厂以环己烷为原料生产醇酮，工艺过程分2步进行：①环己烷的氧化。通过贫氧将环己烷氧化成环己基过氧化氢。②环己基过氧化氢的分解。环己基过氧化氢在铬酸叔丁酯催化剂存在条件下，分解成混合物[1]。该醇酮装置采用的工艺技术落后，存在环己烷循环量高、环己醇和环己酮[2-6]转化率低的问题，其能源和物料的消耗均高于目前国内同类装置相关指标，已不能满足低碳、环保的时代新要求，迫切需要采取措施节能降耗[7]。

1 醇酮装置设计和生产概况

1.1 设计参数

(新)醇酮装置(U283)是2003年某厂14万t精己二酸[8]技改工程的主体生产装置，是在老醇酮装置工艺的基础上，结合多年来生产实践，并加以改进，采用自己独立的工艺包，由天辰设计院进行工程设计的，设计年产量为52 500 t，环己烷单耗1 055 kg/t，每吨能耗560 kg标油。环己烷在没有催化剂存在的情况下，用贫氧空气氧化得到环己基过氧化氢。环己基过氧化氢在铬酸叔丁酯催化剂的作用下，分解成环己醇和环己酮，然后经精馏除去轻、重组分而最终得到醇酮产品。装置总共有5个工段，分别为氧化工段、脱过氧化工段、精馏工段、尾气处理工段和公用工程工段。醇酮作为原料指供给己二酸装置。

1.2 运行情况

(新)醇酮装置运行周期短，一季度进行一次停车碱洗[9]，停车检修、碱洗是造成当月环己烷单耗、能耗居高不下的主要原因。停车期间没有醇酮产品产出，但环己烷原料，电、蒸汽等能源一直在消耗，这些损失全部计算到当月的环己烷单耗、能耗指标。停车期间由于环己烷退料不彻底、因碱洗需要异常排放等原因，造成大量环己烷损失，因此增加了每吨醇酮产品环己烷的耗量。

停车期间，压缩机、部分机泵因工艺需要而不间断运转，耗电量时3 400 kW·h。因尾气处理工段一直在使用蒸汽、碱洗需要蒸汽加热等原因，蒸汽耗量约为10 t/h。以上能耗也要计算到当月的醇酮产品的能耗中，因此停车次数越多，停车时间越长，当月能耗越大。

在实际生产过程中，氧化反应效率持续走低，从正常运行状况下的5%降至3%；反应温度过低，由正常的184℃降至162 ℃；醇酮的产量低，在100%负荷下由166 t/d降至132 t/d。

2 醇酮装置运行故障分析

醇酮装置原则工艺流程见图1。图1的工艺流程中，进料罐(R2104)内介质主要是环己烷和酸水。环己烷自R2104由进料泵(P2105)送往氧化反应器(K2100～K2104)。环己烷进料中少部分约60 ℃的冷环己烷送往氧化反应器(K2100～K2104)，调节氧化反应温度，其余大部分经氧化反应器尾气中回收的环己烷液、蒸汽冷凝液、氧化反应器顶部排出的气体和中压蒸汽的一组热交换器(E2108～E2115)进行预热，升温到184 ℃，然后进入第一台氧化反应器(K2100)。

进料时，进料罐(R2104)中的环己烷从罐底出，经进料泵(P2105)进入热交换器。若环己烷夹带过量酸水，因环己烷和酸水比热[10]差别很大，会严重影响热交换器的换热效果，进而影响反应器的反应，甚至造成严重的生产事故。

图1 醇酮装置原则工艺流程示图

对醇酮装置运行的工艺条件和设备数据进行排查，发现装置工艺操作未见异常，热交换器工作状态正常，但热交换器换热效果不理想，达不到184 ℃的设计换热温度。而热交换器的监测数据稳定，表明热交换器本身未出问题，由此推测换热介质环己烷夹带过量酸水，导致热交换器的换热效率降低，影响生产效率。

3 环己烷进料罐结构优化改进

3.1 改造前进料罐结构

改造前的环己烷进料罐[11]整体外形见图1中的R2104。进料罐是立式容器，内径为4 500 mm，厚度为5 mm，罐体高度为9 740 mm，出料口距离该罐底的高度约300 mm。罐底内部有一个简单的换热结构，用于给物料加热。

此原料罐内部结构简单，对环己烷和酸水的分离作用有限，分离后的环己烷含水量依然超出热交换器进口的要求，直接影响热交换器的换热效果，并造成反应温度低、脱过氧化反应转化率下降及装置产量下降等问题。

工艺专业和设备专业讨论后认为，重新设计制造1台进料罐不仅需要的周期长、费用高，还会影响装置的长周期正常生产，优选在现有设备基础上进行结构改进。

3.2 改造后进料罐结构

3.2.1整体结构

在环己烷进料罐内靠近出料口区域增加出口分离结构。出口分离结构由1块弧形挡板、1块矩形底板和3块角钢构成。改造后环己烷进料罐的立体结构、俯视结构、剖面结构示图分别见图2、图3和图4。

图2 改造后环己烷进料罐立体结构示图

图3 改造后环己烷进料罐俯视示图

1.底板 2.加固结构 3.罐底 4.出料口 5.罐壁 6.弧形挡板图4 改造后环己烷进料罐剖面示图

3.2.2矩形底板

底板材质为不锈钢，尺寸(长度×宽度×厚度)为600 mm×400 mm×4 mm。矩形底板以出料口为水平中心悬空点焊在罐底上方，其矩形长边的2个角也同样焊接固定在该罐壁上，以使该底板与罐体的结合更加稳固，出料口下方距离罐底100 mm高度位置。底板与罐底之间的距离相比罐内液位(液位高度约400 mm)很小，其对液位的影响可以忽略不计。

3.2.3弧形挡板

弧形挡板材质为不锈钢，弧度为2π/3～5π/6(绝对长度为800～1 000 mm)，高度为350～500 mm，厚度为4 mm。弧形挡板垂直焊接在底板板面上。挡板的圆弧开口方向与出料口的出水方向一致，挡板的圆心为出料口在罐底的投影中心，弧形挡板的同一平面截面各点与出料口同距。

3.2.4加固元件

底板与弧形挡板的连接处用角钢进行了加固处理。角钢的数量不少于3个，每个角钢有2个直角边，长直角边长度不小于60 mm，短直角边长度不小于40 mm。角钢比其他结构稳定性更好，其支撑作用可以使底板与弧形挡板的垂直连接关系更加牢固可靠[12-13]。

4 结语

大检修期间对醇酮装置进料罐进行了改造，增加了出口分离结构。改造后的环己烷进料罐有如下特点：①出料时，可对环己烷与酸水在出口的流动形成缓冲，延长了二者的分离时间，加强了二者的出口静止效果。②保证液体流动的平稳性，减少了出料口环己烷的带水量，因而使得环己烷能够达到较好的换热效果。③能够输入含水量较少的环己烷，因而能够解决进料罐内环己烷输出时带酸水过量影响换热引起的生产波动问题，稳定了后续的化学反应，提高了反应效率，优化了生产，避免了非计划停车，达到了节能降耗的目的[14-15]。