乙炔气提塔长周期运行改进措施

唐 超

（中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆 401254）

随着天然气部分氧化制乙炔工艺技术的进步[1]，装置规模也向大型化发展，乙炔提浓装置的生产规模也在逐渐扩大。目前，世界单套乙炔装置的生产能力已经增加到55kt/a。随着装置规模的扩大，装置每次的开停车损失也会急剧增加。鉴于天然气部分氧化制乙炔系统易堵塞的特点，在保证装置安全的前提下，怎样延长装置的生产运行周期是一个急需解决的问题。

1 工艺简介

1.1 乙炔提浓装置工艺简述

图1 乙炔提浓装置流程示意图

从上游单元来的含有乙炔约15%（体积分数）的裂化气首先进入在l.1MPa（绝压）压力下操作的预洗塔及主吸收塔，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂吸收乙炔气、水汽及高级炔烃，未溶解的一氧化碳、氢气、二氧化碳等作为合成气原料；载气溶剂在常压解吸塔中解吸出产品乙炔送至下游装置；在真空脱气塔中进一步解吸出高级炔烃气送至锅炉作为燃料。其工艺流程简图如图1所示[3,4]。

1.2 乙炔气提塔的关键作用

吸收了高级炔和水等的NMP溶剂从吸收塔的底部用泵抽到乙炔气提塔，这部分溶剂中，除了含有高级炔（主要组分为苯，丁二炔和萘）外，还含有饱和状态的乙炔，所以其中大量的乙炔应予以回收，以提高装置的乙炔收率，减少乙炔损失。

为了实现上述目的，被乙炔、高级炔等饱和了的NMP溶剂在乙炔气提塔中，被减压到约0.1MPa（绝压），并与底部来的合成气逆流接触。在这里，大部分乙炔被气提出来，经由塔上部的五层泡罩塔盘用冷凝液洗涤，除去了溶剂蒸汽后，返回裂化气中作为再循环气体，混合冷凝液送至独立储罐再逐步补充到系统中；而高级炔的大部分仍留在溶剂内，依靠自身压力流到处于真空状态的高级炔气提塔。乙炔气提塔系统示意图如图2所示。

从上述流程分析可知，乙炔气提塔的操作环境是非常恶劣的，尤其是在其下段，与溶剂逆流接触的合成气温度比较低，溶剂NMP的温度也比较低，溶解在溶剂NMP中的萘、蒽等高级炔在低温下极易析出结晶，并附着在填料表面。随着系统操作时间的延长，填料表面形成的致密性结晶将逐渐增加，从而降低气液接触面积，影响乙炔的气提，甚至堵塞流道而被迫停车。实际生产过程中，曾经多次发生因该塔填料板结而不得不停车消缺的情况。

综上所述，乙炔气提塔运行的好坏，对乙炔提浓装置的运行好坏起着关键作用，并将直接制约装置的运行周期。

图2 乙炔气提塔系统示意图

2 影响因素分析

2.1 乙炔气提塔结构因素

乙炔气提塔塔高21.45m，塔径0.8m，分为上下两段。

塔上段为五层索尔曼条形泡罩塔盘，来自冷凝系统的冷凝液自上而下洗涤掉上升气体中的NMP溶剂蒸汽，混合冷凝液流入储槽，循环气从塔顶送出至压缩机吸入端。塔上段因为没有与含有高级炔的NMP溶剂接触，气相和液相中的工艺介质相对清洁，因此不易发生堵塞。

正想得出神，桌上的电话响了。高潮抓起听筒，就听到了田卓温婉可人的声音：九点半，到我办公室开会。高潮答应了一声，放下听筒，就开始收拾桌子上开会需要的资料。高潮知道这个会议的主要内容，应该是与“十大本土最具发展潜力房地产企业”的评选有关。这个项目是高潮策划的，一拿出来，就获得了田卓的高度认可。于是，项目很快就分解下去，由各部门分头实施。

塔下段原设计为两层金属鲍尔环填料。含溶解物的NMP溶剂与来自加压系统的合成气逆流接触，溶剂除被乙炔饱和外，含有萘、蒽等较多的高级炔烃及聚合物杂质。塔内压力相对预洗塔的系统压力要小很多，因此随着系统压力的降低，溶解在NMP溶剂的乙炔气体和部分高级炔气体从溶剂中解吸出来，塔下段成为系统堵塞的关键部位。塔的填料材质原设计选型为碳钢，在长时间运行后，气体的冲刷和腐蚀使得填料表面比较粗糙，并且产生的铁锈形成新的聚合核心，加剧了NMP溶剂中高级炔的结晶，运行一段时间后，填料容易出现变形，流通空隙减少，系统堵塞加剧。

2.2 乙炔气提塔工艺因素

进入乙炔气提塔的NMP溶剂在预洗塔中被乙炔饱和，并吸收了较多的高级炔烃组分，设计温度在60℃左右。溶剂中吸收的高级炔烃组成复杂，除丁二炔、乙烯基乙炔、1,3-丁二烯、丙炔外，还有在低温下极易发生结晶的芳香烃如萘、蒽等，以及随裂解气一同进入系统的炭黑等聚合物。

在乙炔气提塔的下段，与溶剂逆流接触的合成气温度一般在15℃，溶剂NMP的温度一般也低于60℃，使得该塔底部溶剂出口温度很低，致使溶解在溶剂NMP中的萘、蒽等高级炔析出结晶，附着在填料表面。随着系统操作时间的延长，溶剂中的聚合物和析出的结晶物将逐渐增加，堵塞流道，从而严重影响该塔的操作。

3 解决措施

根据对天然气部分氧化制乙炔的工艺特点分析，以及针对上述乙炔气提塔填料选型、设备结构和工艺运行实际研究，对制约乙炔提浓装置长周期安全稳定运行的乙炔气提塔系统进行了改进。

3.1 改变填料选型和材质

乙炔气提塔下段填料原设计为鲍尔环，材质为碳钢。近年来，在该塔先后采用碳钢和不锈钢IMPAC填料，实际运行效果显示：IMPAC填料抗堵塞性优于鲍尔环，而不锈钢IMPAC填料又优于碳钢[5,6]。

IMPAC填料最初是由美国Lantacskan Co提出，后经北京化工大学和北京派特罗尔公司多年研究改进而成。与其他填料不同，该填料的比表面积和填料尺寸是两个独立变量，因此可制作成具有较大或较小的比表面积和尺寸可大可小的填料，以满足填料塔的特殊技术需要。它是由肋形丝、棒体、条体和尖形物组成错综复杂的网状结构，可最大限度地增加滴点，由于填料结构上均匀分布和网状形式，可使气液分布均匀，增强了表面润湿，具有高效、低压降的优点，其传质效率比鲍尔环高出30%以上，对于精密分离、热敏物系和节能改造十分有利。由于该填料的比表面积大，气液比小，操作弹性大，因此，已被推广到大型气液操作系统中。

（1）鲍尔环与IMPAC填料特性比较

填料的特性主要有比表面积、空隙率、填料因子、堆积密度、堆积个数。通过金属鲍尔环（50mm×50mm×0.8mm） 与 IMPAC 填料 （50mm×50mm×0.8mm）性能参数对比表明：IMPAC填料比金属鲍尔环的比表面积高，填料因子低，具有高效低压降等优点，可以减轻塔的堵塞污染。

表1 鲍尔环与IMPAC特性表

（2）IMPAC填料的特点

①传质效果好。该填料具有较高的水滴分散性能，每m3有高达5万个的水滴。介质在整个填料上分布均匀，可有效分布流经它的液体，充分进行气液接触，传质、传热性能比尺寸相当的传统填料高40%～100%。

①抗堵塞能力强。该填料具有完美的几何形状对称性，具有一个由肋形丝、棒体、条形和尖形物等组成的错综复杂的独特网状结构，可极大的增加滴淋点，使气液分布均匀，不易堵塞。另外，液体量越大，冲刷力也越强，聚合物就越不易沉积堵塞。

③可有效地降低填料压降。该填料在一定体积内，可根据不同大小、表面积及堆积个数以控制填料塔的压降，提高给定比表面积上的传质效率。

④选材范围广泛。可用碳钢、不锈钢以及合金钢等材质做材料。

根据IMPAC填料在国内的使用情况，我公司也在提浓装置对IMPAC填料进行了试用。试用后，推广到该塔使用，运行效果较好。

3.2 提高载气溶剂温度

为了保证吸收塔的洗涤效果，最大限度吸收裂化气中的高级炔烃，因此溶剂的温度控制较低，该股溶剂进入乙炔气提塔内，虽然溶解在NMP溶剂中的一部分气体通过压力的变化被解吸出来，但仍然还有部分高级炔烃难以被解吸，需要进一步提高进入乙炔气提塔系统的NMP溶剂温度，从而促进高级炔烃的解吸，使其尽快离开系统，减少高级炔烃在NMP溶剂中的停留时间，降低聚合物生成的机率。

根据上述分析结果，通过增设换热器，采用装置自身溶剂循环输出的高温溶剂，与预洗塔底部抽出的低温溶剂进行换热，既满足提高进入乙炔气提塔系统载气溶剂的温度，又能合理利用余热，并在一定程度上减少了冷却水消耗。

增设的换热器可以将进入乙炔气提塔的溶剂温度控制在60～65℃，在这个温度下苯、萘不易结晶，同时也不会由于温度过高导致高级炔不稳定而大量聚合。通过实际运行结果分析，提高乙炔气提塔进口溶剂温度，对于减少该系统堵塞有着非常良好的作用，大大延长了乙炔气提塔的运行周期。

4 应用效果

4.1 IMPAC填料运行效果分析

因为IMPAC填料的比表面积等性能比鲍尔环好，实际运行表明：其抗堵塞性和分离效果均优于鲍尔环。

根据对更换填料前后乙炔气提塔内聚合物的取样分析，发现其中大部分成分为铁，因此推断IMPAC填料的腐蚀是造成聚合物堵塞的一个因素；通过更换填料的材质进行了生产试验，发现在采用不锈钢的IMPAC填料后，系统的堵塞情况明显好转。

不锈钢材质的填料相对于碳钢材质来说，首先不易被腐蚀，不会产生铁锈等杂质促使聚合物的形成，其次不锈钢材质的表面比较光滑，形成的聚合物不易在表面附着，从而不会减少填料的孔隙率，使气液始终保持充分的接触面积，确保塔内工况稳定。

4.2 增设加热器的运行效果

在实际生产中，高级炔气体的采出和输送温度是高级炔中C3以上组分容易聚合的重要因素之一。

在乙炔气提塔系统中，采用合成气作为气提气，流量为500～1000m3/h，温度在15℃左右，由于合成气温度低，气提塔中NMP溶剂经合成气气提时造成操作温度下降，从而导致高级炔气中的苯、萘等在低温的情况下出现结晶同时伴随高级炔发生聚合并出现板结，堵塞该系统。

通过增设溶剂换热器，将预洗塔来的载气溶剂加热到60℃以上，既控制在高级炔的进一步聚合温度之下，又抑制了高级炔的低温析出。从新增换热器长期投运的效果看，乙炔气提塔填料的污染程度得以极大减轻，以前每次检修需采用风钻才能将填料取出，并因板结严重不能重复使用；增设加热器后，IMPAC填料很容易就能掏出；尤其采用不锈钢IMPAC填料后，经清洗可以多次装填、反复使用。

5 结论

通过对于乙炔提浓装置乙炔气提塔堵塞情况进行分析，找到了影响该系统长周期运行的主要因素为填料选型及其材质不适应工况的需求，并且进入乙炔气提塔系统的NMP溶剂温度和气提气温度过低，导致溶解在NMP中的高级炔烃不易完全解吸出来，使得其中的萘等结晶析出，造成系统发生聚合物堵塞的情况较为严重，影响了该系统的长周期运行。

针对上述两个问题的研究，我们采取了将填料由鲍尔环更换为IMPAC填料，并将材质由碳钢更换为不锈钢；同时，增设了换热器，提高载气溶剂温度。有效解决了乙炔气提塔系统堵塞的问题，从而消除了影响乙炔气提塔长周期运行的瓶颈，达到了延长整个乙炔提浓装置，甚至天然气部分氧化制乙炔生产工艺的生产运行周期的目的。