芳烃抽提装置问题分析及优化措施
2020-08-23李元明李家乐于洋刘东杨培君
李元明 李家乐 于洋 刘东 杨培君
摘 要：芳烃抽提装置的抽提蒸馏塔作为整个装置的核心工艺，其运行状态直接影响抽余油和苯产品质量，其液-液抽提的特殊性和环丁砜溶剂的易劣化的特点给生产操作带来较大的难度。针对芳烃装置中抽提蒸馏塔出现的异常波动而导致的抽余油产品质量波动问题，进行了详细地分析，并提出了相对可行的解决方法。
关 键 词：芳烃抽提;抽余油;环丁砜;抽提蒸馏塔
中圖分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）07-1497-05
Analysis and Optimization of Aromatics Extraction Plant
LI Yuan-ming， LI Jia-le， YU Yang， LIU Dong， YANG Pei-jun
（Olefin Plant of PetroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun Liaoning 113001， China）
Abstract： As the core of the whole unit， the extraction distillation tower of the aromatics extraction unit has a direct influence on the quality of raffinate and benzene. Due to the particularity of liquid-liquid extraction and the easy degradation of sulfolane solvent， the production operation is great difficult. In this paper， the quality fluctuation of the raffinate oil product caused by the abnormal fluctuation of the distillation tower was analyzed， and relatively feasible solutions were put forward.
Key words： Aromatics extraction; Raffinate oil; Sulfolane; Extractive distillation tower
中国石油抚顺石化分公司烯烃厂芳烃抽提装置采用GT-BTX专利技术，设计处理量为40万t·a-1，是80万t·a-1乙烯装置的后续装置，采用际特公司专利环丁砜复配溶剂，具有装置投资小、能耗低、溶剂选择性好、性能稳定等特点。该装置以汽油加氢装置生产的加氢汽油为原料，在溶剂的萃取蒸馏作用下，分离成芳烃组分和抽余油，芳烃组分继续精馏分离为苯产品和混苯产品。
1 工艺概况
乙烯装置来的加氢汽油馏分进料用贫溶剂预热，热进料被送到抽提蒸馏塔（EDC）的中部，同时贫溶剂送到靠近EDC塔顶部的位置。在气液两相的操作中，溶剂将芳烃萃取到EDC塔釜，同时未溶解的非芳烃去塔顶成为抽余油。抽余油蒸气在塔顶冷凝器中冷凝，然后收集在塔顶凝液罐中。一定比例的抽余油送回EDC塔顶作为回流液去除抽余油中的微量溶剂，余下的被冷却到贮存温度作为抽余油产品送到界区外。
由溶剂和芳烃组成的富溶剂从EDC塔底抽出来后进料到溶剂回收塔（SRC）。芳烃在溶剂回收塔顶部与溶剂分离，塔顶产品为富含芳烃的抽提液，脱除芳烃的贫溶剂在塔底形成。溶剂回收塔在负压下操作可以降低塔釜芳烃在溶剂中的沸点，并保证溶剂不会在高温下分解。
本装置工艺简单，抽提蒸馏部分仅仅两塔操作，一个抽提蒸馏塔回收高纯度芳烃，一个溶剂回收塔，汽提出芳烃抽提液，回收溶剂循环使用，没有其他附属设施来洗涤抽余油或者从富溶剂中汽提非芳组分。专有的复合溶剂Techtiv-100，具有较高的热稳定性，并在高选择性和溶剂能力之间提供了一个最佳平衡，最终获得更好的性能和更低的投资成本。
2 存在的问题
2.1 进料线振动
抽提精馏塔加氢汽油进料线在经过进料换热器后会无征兆出现管线振动情况。当管线振动时，抽提蒸馏塔进料量剧烈波动，进料量波动范围为25%～75%，造成整塔由于波动剧烈，无法有效调整，导致产品不合格。
同时由于管线上有多处焊口、法兰和调节阀，长期的振动会导致焊口开裂、法兰泄漏和调节阀损坏等事故的发生，给装置的长周期安全稳定运行带来较大的隐患。
2.2 抽提塔压差异常波动
抽提蒸馏塔共有塔盘76层，塔盘形式为浮阀塔盘，自2017年大检修后抽提塔经常出现塔压差异常波动的现象，具体表现为在负荷维持在74%（37 t·h-1）的状态下，在各项工艺参数均没有调整的情况下，塔压差从42 kPa迅速上升至60～80 kPa，塔内第15层塔盘温度由110 ℃快速上升至122 ℃，塔顶回流罐液位下降，塔顶抽余油产品质量超标，苯含量从3%升高到10%左右。
3 原因分析
3.1 抽提塔进料管线振动原因分析
物料管线振动方式是一种典型的机械振动，造成管线振动的原因有很多，一般分为以下6种类型：
1）管线内部液体流动状态忽然发生变化，液体内部压力不均匀，局部出现液压冲击，导致管线发生振动;
2）管线内液体经过节流阀，液流中某点压力低于其饱和分压导致原来溶于液体中的气体分离出来，出现空穴现象，导致管线发生振动;
3）管线内液相压力过高、流速超过管线设计值，支撑强度不够，导致管线发生振动;
4）由于增压设备，如泵和压缩机出现不平衡运动或喘振现象发生异常振动，导致附属管线同步发生的振动现象;
5）管道系统根据配置情况，现场实际支撑的构件也具有一定的振动频率，当管线的微小振动与支撑构件的振动频率相近时，便会发生管线振动增强的现象;
6）当管线内部介质出现气液两相流动时，管线内液体的流动形式可能出现异常，导致管线发生振动[1]。
针对上述原因进行了工艺排查，具体见表1。
由表1可知，抽提蒸馏塔进料泵一直运行比较稳定，进料线组成各项指标与设计基本相符，不存在流动状态突然改变的情况，管线内流体流速也并无较大变化。
1）该管线从泵出口至抽提塔进料口，管线内并无节流设备，管线内流体压力稳定，故不会出现空穴现象。
2）管线内管径恒定，物料流量稳定，故物料流速一定，且各项指标均在设计范围内，故管线振动也不是由于流速过快而造成的。
3）在实际生产中，由起始端增压设备的不平衡运动，多为往活塞压缩机的气流脉动不平衡而造成的，同时鉴于装置进料泵的稳定运行，此项振动原因也排除在外。
4）由于物料流动与管线的固有频率相等或相近时而引起的共振，本装置并无相应的监测手段，所以对此项原因无法进行有效分析
5）液体混合物在水平管道中流动时， 曼德汉流型图（图1）将其区分成6 种不同的流型，泡状流、
段塞流（块状流）、层状流、波状流、冲击流和环雾状流。本装置进料为加氢汽油，经换热器预热后，温度由28 ℃升至115 ℃，设计为纯液相进料，进塔后物料闪蒸，现怀疑由于目前原料组成与设计相差较大导致管线振动，见表2。
由表2可见，目前原料中C5体积分数达到设计值的135%，苯体积分数为设计值的138%，而重组分的C8含量几乎为零，此工况轻组分体积分数超出设计135%，因此物料在换热器内可能将有部分液体出现气化现象。气液两相流一般有多种表现形式，经计算块状流和塞状流对管线的冲击力较大，破坏较严重，而流动较为均匀的分散流对管线的冲击力较小，影响也较小，水平管气液两相流型的判断可以采用曼德汉流型图。见图1。
判断竖直管道内流体属于哪种的流动形式，经常用格里菲斯流型图，见图2。
计算公式为：体积含气率β=Qg/（Qg+Ql）;Qg为气相体积流量，m3·h-1;Ql为液相体积流量，m3·h-1;di为管线内径，m;气相折算速度Wsg=Qg/A，m·s-1;液相折算速度Wsl=Q1/A，m·s-1;混相流速Uh=Wsg+Wsl，m·s-1;管线截面积A=πdi2/4，m2 [2];利用Aspen 软件对物料进行模拟操作，模拟结果见表3。
由表3可知，原料经预热温度达到102 ℃时，在竖直管线和水平管线内均为分层流，不会产生振动。而当原料预热温度达到115 ℃时，原料在水平管线上为分层流，竖直管线上处于块状流区域，极易产生管线振动。
3.2 抽提塔压差异常波动原因分析
经过分析作者认为造成抽提塔压差异常波动的原因有以下4个主要因素：
3.2.1 溶剂质量的影响
在抽提蒸馏工艺中，对溶剂的性能要求较为严格，其良好的热稳定性、高选择性、强抗发泡性能均是T-100溶剂的特性。但该溶剂在220 ℃会缓慢地热分解成二氧化硫和丁二烯，其中丁二烯在高温下能够聚合生成不饱和聚合物，二氧化硫会造成设备腐蚀;而溶剂中的杂质环丁烯砜在100～130 ℃即可分解生成二氧化硫和丁二烯，在微量氧的存在下，环丁砜也存在分解的情况[3]，同时由于脱重系统易将T-100溶剂中的抗氧剂和抗阻聚剂脱除，所以在长周期运行时间下，溶剂质量逐渐劣化，导致抽提效果变差，同时塔板聚合加重。
3.2.2 C5體积分数的影响
装置原料为汽油加氢装置的加氢汽油，其主要成分是C6、C7，其主要体积分数与设计值对比见表4。
由表4可知，目前原料的实际组成与设计相差较大，尤其是C5组分体积分数达到设计值的152%，C6组分体积分数达到设计值的133%，由于各组分的表面张力相差较大，见表5，可以看出环丁砜具有较强的表面张力，C5、C6具有最小的表面张力。
液体的表面张力越小越容易产生气泡，在有环丁砜溶剂的萃取作用下，芳烃和非芳组分在液体的内部和表面分层，液体表层为具有较高活度系数和较低表面张力的轻烃。当C5、C6等轻烃被蒸出时，这就使液体具有了较低的表面张力，使产生的泡沫体积变大、留存时间增加，当情况持续恶化到严重程度时，就会导致整个塔盘发生剧烈的发泡现象，尤其体现在抽提塔的中上部最为严重[4]。
3.2.3 塔盘堵塞
由于环丁砜分解生成的丁二烯在高温下聚合，并在塔盘上积累，有可能导致塔盘浮阀空隙变小，流通量下降，抗扰动能力变弱，同时由于裂解汽油中含有一定量的胶质，胶质可溶解于芳烃和环丁砜之中，却不溶于链烃，但胶质沸点高不易蒸发，所以胶质会随着环丁砜溶剂在系统内循环并积累，当到达一定浓度后，胶质便会析出并附着在浮阀上，使浮阀粘住，无法弹起，导致塔盘上气液两相无法进行传质传热，造成塔压差波动，如圖3所示。当塔釜压力继续升高，压力大于胶质对浮阀的黏合力时，浮阀再次弹起，如此周而复始，造成塔内压差剧烈波动、抽提塔操作紊乱[5]。
3.2.4 塔盘元件损坏
浮阀损坏：浮阀塔在实际运行时，由于浮阀安装质量未达到相关要求或经冲击磨损，经常出现浮阀脱落现象，如果浮阀脱落量较大，使塔板上气液相不能充分接触，导致气体通过筛孔的气速过高，使气液接触局部呈喷射状况，雾沫夹带量增大，同时气体通过浮阀孔的气速相对较低会使泄漏量增加，如图4所示。
塔板溢流堰损坏：由图5可见，在塔盘安装时部分塔盘溢流堰只做了点焊连接，溢流堰底部与塔盘间缝隙较大，同时溢流堰发生较大形变无法起到保持塔板液层高度的作用，当气相负荷发生变化时，塔板上液面随着溢流堰的摆动而发生不规律的升降，极易发生漏液现象。
如果塔内浮阀与溢流堰均有较大比例的损坏，就会造成严重的漏液现象，即塔盘上无液封，下层塔盘的气相不经过能量和物质交换而直接到达上层塔盘，导致塔内紊乱，压差不规律的变化，同时塔顶产品中重组分含量增加，产品质量不合格。
4 采取的优化措施
4.1 抽提塔进料管线振动
通过表3可知，降低原料换热温度至102 ℃后，无论是水平管线还是竖直管线，罐内流体的流动状态均为稳定的分层流，不会出现由于物流冲击而导致的管线振动，按照此方案进行调整后，目前已成功消除管线振动，保证了装置的安全运行。
4.2 抽提塔压差波动
由于抽提塔压差波动是由溶剂质量下降、原料中C5含量过高、塔盘堵塞和塔盘元件损坏多个因素共同造成的。由于目前该装置不具备检修条件，所以目前塔内件的问题，无法彻底解决，只能在2021年大检修时进行处理。但是针对目前工况，制定了相应的处理办法：
1）上游汽油加氢装置减小C5体积分数至0.5%，减小轻组分造成的发泡现象。
2）将抽提塔顶抽余油产品质量最敏感的15层塔板温度由116 ℃降低到112 ℃，降低抽提塔整体温度，降低环丁砜溶剂的活性，提高选择性，确保即使有多层塔盘失效的前提下，也能将抽余油中的苯完全萃取出来。
3）补充一定量的新鲜溶剂，同时控制溶剂比在5.1，确保萃取效果。
4）稳定抽提塔釜温度在154～155 ℃之间，控制温度波动在1 ℃之内，杜绝对加热阀门调整过大过快，保持塔釜蒸汽量稳定，减少对塔盘的冲击，确保塔内件处于一个稳定的运行状态。
通过上述控制手段，目前已成功解决了该装置的生产问题，并且装置的抽余油产品中苯含量达到历史最好水平，见图6。
5 结束语
抽提蒸馏塔作为芳烃装置的关键核心流程，其运转情况直接影响芳烃装置的整体运行情况。
目前该装置通过降低进料温度、调整整塔温度分布、降低溶剂活性、增加溶剂选择性等方式成功地解决了入口管线振动和塔压差波动等问题，并且抽余油指标达到设计要求。
参考文献：
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[5]夏婧，李泽东.气液两相流流型判断及管径计算软件的设计与开发[J].石油与天然气化工，2016，45（3）：21-26.
收稿日期：2018-08-20
作者简介：李元明（1979-），男，陕西澄城人，硕士，2003年毕业于西安科技大学材料科学与工程专业，研究方向：乙烯技术。
E-mail：lym800101@petrochina，com.cn。
通讯作者：于洋（1984-），男，工程师，硕士，研究方向：乙烯装置/芳烃装置生产管理。E-mail：yyyixi520@petrochina.com.cn。
