百万吨年乙烯装置脱乙烷塔的节能分析与工艺操作

关键词 | 乙烯装置  脱乙烷塔  操作

乙烯是石油化工的基本有机原料之一，代表着一个国家石油化工能力的发展水平。乙烯装置以石油或天然气为原料，通过高温裂解、压缩、分离得到乙烯，同时得到丙烯、丁二烯、苯、甲苯及二甲苯等重要的副产品。

脱乙烷塔系统是乙烯装置分离流程中的重要组成部分，其运行情况直接影响乙烯、丙烯产品的质量和收率。在顺序分离流程中，脱乙烷塔的进料为脱甲烷塔的塔釜物料，其组成为碳二和碳二以上的馏分。在脱乙烷塔经过分离后，塔顶的碳二产品送入碳二加氢系统和乙烯精馏系统得到乙烯产品，塔釜物料为碳三和碳三以上的组分，送入脱丙烷塔系统进行进一步分离。在前脱乙烷流程中，脱乙烷塔的进料为经过干燥处理后的裂解气，在脱乙烷塔经过分离后，塔顶的氢气、甲烷以及碳二组分送入脱甲烷系统进行进一步分离，塔釜物料为碳三和碳三以上的组分，送入脱丙烷塔系统进行进一步分离。在前脱丙烷流程中，脱乙烷塔的进料为碳二和碳三组分的混合物，在脱乙烷塔经过分离后，塔顶的碳二组分送入乙烯精馏系统，塔釜的碳三组分送入碳三加氢系统和丙烯精馏系统。因此，在乙烯装置的不同分离流程中，脱乙烷塔的进料来源和组成并不相同，塔顶和塔釜的产品也有很大差别。

某百万吨级乙烯装置，采用前脱丙烷前加氢分离工艺，该乙烯装置的流程见图1。

在上述乙烯装置的工艺流程中，来自预脱甲烷塔的釜液分成两股进入脱乙烷塔，其中一股先用于冷却裂解气后再进入脱乙烷塔的偏下部，另一股则直接进入脱乙烷塔的偏上部。塔顶冷凝器使用丙烯冷剂作为冷媒。回流罐中液体的一部分用泵送回塔顶作为回流，另一部分则进入乙烯塔作为一股进料。脱乙烷塔釜再沸器用急冷水作为热媒，釜液经冷却器被循环冷却水冷却到40℃后，再送至液相碳三加氢系统。

该乙烯装置中的脱乙烷塔采用了多股进料的方式（见图2），其主要原因是使物料在进入脱乙烷塔之前，已经进行了一次预分离，起到了一部分塔板的传质作用。此外，由于脱乙烷塔的其中一股进料先用于裂解气的预冷，因此节省了部分丙烯制冷压缩机的功率，有较为显著的节能效果。

乙烯装置采用前脱丙烷前加氢工艺流程，裂解气在经过压缩机5段压缩、加氢后逐步冷却、冷凝后进入高压脱丙烷塔回流罐。此过程中，裂解气依次被丙烯冷剂、预脱甲烷塔釜物料、丙烯冷剂、裂解气、丙烯冷剂冷却和冷凝（不同的丙烯冷剂对应不同的温度级位）。表1对比了不同的脱乙烷塔进料情况对系统的影响。

如果预脱甲烷塔釜的一部分出料不用来预冷裂解气，则裂解气预冷所缺少的冷量部分将由丙烯冷剂承担，造成丙烯制冷压缩机的功率增加1.37MW。由于丙烯制冷压缩机透平的驱动介质是超高压蒸汽，对应超高压蒸汽的用量约增加11t/h，能耗将增加8.1kgoe/t，同时造成了操作费用大幅增加。因此，当脱乙烷塔采用来自预脱甲烷塔釜的一股物料直接进料，另一股物料先预冷裂解气后再进料的方式，对乙烯装置的节能十分有利。

回流比是精馏塔设计和操作的一个重要控制参数。回流比的大小不仅影响所需的理论塔板数、塔径、塔板等结构尺寸，还会影响公用工程，如加热蒸汽和冷却水的消耗量。若选取的回流比太大，不仅使加热蒸汽及冷却水的消耗量增大，操作费用增加，还可能影响塔径，增加设备投资费用，使精馏塔在操作时改变的难度加大，调节塔的分离能力大幅减小。因此，在精馏塔设计或操作时应选取适宜的回流比。

脱乙烷塔共有71块浮阀塔板，采用两股进料。工艺控制塔顶碳三含量小于800μL/L，塔釜碳二含量小于400μg/g，对应调整的变量分别是塔顶冷凝器的热负荷和塔釜再沸器的热负荷。选取脱乙烷塔顶压力为2.442MPa（表压，下同），该塔有上下两股进料，其中上进料直接来自预脱甲烷塔釜，下进料为预脱甲烷塔釜预冷裂解气后的物料。图3为两股进料的不同位置对脱乙烷塔回流比的影响。

从图3看出，不同进料位置对应不同回流比。选取进料位置在第20块塔板为上进料位置和第32块塔板为下进料位置，对应的回流比最低，即对于该系统节能效果最优。

精馏塔操作压力的确定既要考虑对精馏塔分离效果的影响，又要考虑塔顶使用冷剂所能达到的冷却温度，以及物料物理化学性质的限制。脱乙烷塔操作压力越高，塔顶冷凝要求的冷剂温度越高。但是，随着塔压的升高，相对挥发度降低，会导致精馏分离的难度增加，需要加大再沸器和冷凝器的负荷及适当提高回流比从而达到精馏的效果，以保证塔顶、塔釜产品合格。对于顺序分离流程和前脱乙烷分离流程，脱乙烷塔的压力受到一定限制，通常为1.6~2.3MPa，为避免塔釜生成聚合物，应控制塔釜温度在80℃以下。在前脱丙烷流程中，由于塔釜为碳三组分，操作压力可以略高。

以前脱丙烷分离流程为例，某乙烯装置的脱乙烷塔操作压力为2.4~2.5MPa，塔顶和塔釜温度分别为–16℃和60℃。在气液平衡中，压力、温度和组成之间有确定关系，也就是操作压力最终决定产品组成。产品组成是工艺要求所决定的，不可以随意改变，因此操作压力一经确定就应保持恒定。表2为不同的塔压对脱乙烷塔系统的影响。

从表2看出，随着塔压升高，在满足塔顶碳二产品和塔釜碳三产品规格的前提下，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的负荷均提高。同时随着塔压升高，塔釜温度也随之升高，由于塔釜物料将冷却后送往碳三加氢单元，因此塔压升高将会增加循环冷却水的消耗量，而塔压的降低则可以降低塔釜出料冷却器的循环水消耗，但是随着塔顶温度的进一步降低，工艺介质与冷媒丙烯冷剂的相对平均温差将减小，造成塔顶冷凝器的尺寸增加。因此选择合适的塔压对该塔系统的操作、投资与节能是十分重要的。

前脱丙烷分离工艺的脱乙烷塔进料中丁二烯含量非常少，因此不用设置阻聚剂注入流程，塔釜再沸器的运行周期可达36个月以上。但是在顺序分离或前脱乙烷流程中，脱乙烷塔的塔釜物料中含有大量的碳四及以上的不饱和二烯烃，在塔釜再沸器中发生聚合反应，生成的聚合物在再沸器中结垢，形成固体焦状物，极易堵塞换热管，降低再沸器加热能力，造成塔釜中的碳二组分含量超标，最终导致丙烯产品无法满足聚合级的质量要求。二烯烃的聚合最主要的影响因素是温度变化，即温度越高，二烯烃的聚合速度就越快，相应再沸器的结焦就越快。因此选择工艺流程的不同对塔釜温度和塔压的要求程度也会有所不同。

据了解，现在一些国外专利商采用了低压脱乙烷的技术，降低脱乙烷塔操作压力，提高装置竞争力。当采用低压脱乙烷的技术时，可以大幅降低丙烯制冷压缩机功率，进而降低装置的能耗和物耗。此时脱乙烷塔在低压下操作，塔顶冷凝器可以使用乙烯冷剂作为冷媒，而塔釜再沸器则使用丙烯作为热源。在该技术中，由于塔顶冷媒采用了乙烯冷剂，会造成乙烯制冷压缩机的功率略有增加，但是由于节省了脱乙烷塔采用高压时塔顶冷凝器丙烯冷剂的消耗，因此可以大幅降低丙烯制冷压缩机的功率，总体来说对乙烯装置的节能也是十分有利的。

脱乙烷塔系统中的基本控制变量是釜液中碳二含量和塔顶中碳三含量。釜液中碳二过量意味着有价值的产品损失，而塔顶碳三过量会导致乙烯精馏系统和乙烷炉的操作异常。

脱乙烷塔使用流量控制的急冷水作为加热介质，灵敏板处的温度—流量串级控制进入脱乙烷塔再沸器的急冷水量。通过提高塔釜温度可以降低釜液中碳二的含量，通过位于塔釜物流上的在线分析仪，估算用于控制热量输入的温度控制器的最小设定温度（基于塔釜物流的碳二含量）。在急冷系统波动时，应密切注意急冷水的温度变化。

塔釜液位由液位控制器控制，塔顶物流在脱乙烷塔冷凝器中，用丙烯冷剂冷凝后进入脱乙烷塔回流罐，一部分物流在流量控制下返回脱乙烷塔作为回流，另一部分在液位—流量串级控制下送往乙烯塔。脱乙烷塔的回流量由流量控制器设定，通过手动设定改变回流量。设定点应根据塔顶物料中的碳三浓度进行调整。塔顶物流上设置了在线分析仪，通过检测碳三浓度确定回流流量控制器的设定值。

塔顶压力主要通过控制进入脱乙烷塔冷凝器的丙烯冷剂的流量实现。回流罐顶部设置了流量调节阀，将多余的不凝气排至裂解气压缩机系统防止超压。此外，丙烯制冷压缩机系统的故障会导致预脱甲烷塔再沸器失效，冷物料将会进入脱乙烷塔，因此在生产操作中应对脱乙烷塔的进料温度进行仔细监测，以确保温度不低于碳钢系统的设计温度。

在正常的生产操作中，脱乙烷塔的运行可能会与设计指标发生偏离，需要采取一定的调整方式以稳定该系统的安全生产操作，实现装置平稳运行。表3为操作偏离情况分析和调整措施。