李春秀

中國(guó)石化中原油田分公司天然氣處理廠 （河南 濮陽(yáng) 457162）

提高高純正丁烷產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的研究與實(shí)踐

李春秀

中國(guó)石化中原油田分公司天然氣處理廠 （河南 濮陽(yáng) 457162）

基于中原油田天然氣處理廠生產(chǎn)純度為99.93%異丁烷產(chǎn)品和99.00%的正丁烷產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置的實(shí)際操作情況，建立工藝模型。模擬計(jì)算出生產(chǎn)純度為99.70%以上正丁烷產(chǎn)品，并保證異丁烷的產(chǎn)品為99.93%的工藝參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終確定了工藝參數(shù)。正丁烷塔底操作溫度由原來(lái)的75.70℃提高到75.83℃以上，關(guān)鍵點(diǎn)11層溫度提高到75.41℃以上，塔頂溫度控制在61.77℃以下，控制異丁烷塔進(jìn)料中不含n-C4H10，丁烷塔回流量增大到21m3/h以上，溫度控制在很小的波動(dòng)范圍內(nèi)，最終生產(chǎn)出純度大于99.70%的高純正丁烷產(chǎn)品，并保證了異丁烷的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

高純正丁烷；模擬計(jì)算；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

中國(guó)石化中原油田分公司天然氣處理廠丁烷廠屬于輕烴深加工連續(xù)性生產(chǎn)單位。該廠的丁烷分離裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品有商品丁烷液化石油氣、工業(yè)用異丁烷[1]。2012年12月丁烷分離裝置增加了一座填料塔（T1S），增加了丁烷分離塔的精餾段，T2塔仍然用于提純異丁烷。工藝改進(jìn)提高了商品丁烷液化石油氣和工業(yè)用異丁烷的分離精度和產(chǎn)品純度。目前，工業(yè)用高純異丁烷的產(chǎn)品純度能夠保證在99.93%以上，商品正丁烷產(chǎn)品純度基本維持在99.00%左右，當(dāng)作液化氣銷售。2017年5月，油氣經(jīng)銷部通知，有客戶對(duì)高純正丁烷產(chǎn)品有所需求，并且有望長(zhǎng)期合作。為了打開(kāi)正丁烷產(chǎn)品市場(chǎng)，并且不能降低異丁烷產(chǎn)品質(zhì)量，因此，開(kāi)展了純度99.70%以上正丁烷產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)工作。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)得到了提高，化工模擬軟件在石油化工企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2-5]。將模擬計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，在已有的研究成果基礎(chǔ)上[6]，保證高純異丁烷產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化精餾分離過(guò)程，生產(chǎn)高純正丁烷產(chǎn)品，確定生產(chǎn)方案。

裝置的混合丁烷原料來(lái)自于上游的第三氣體處理廠，原料中的組分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于1%的丙烷、約為34%異丁烷和65%正丁烷。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。T1X塔和T1S塔在原理上相當(dāng)于一個(gè)完整的精餾塔，用于分離正丁烷和異丁烷，進(jìn)料口以上為精餾段，進(jìn)料口以下為提餾段。T1S塔頂采出濃度較高的異丁烷原料，含有少量丙烷，不含有正丁烷，塔底出料為99.00%以上的正丁烷產(chǎn)品，進(jìn)入商品丁烷液化石油氣產(chǎn)品罐。T2塔用于提純異丁烷，原料來(lái)自于T1塔頂?shù)某隽?，T2塔塔頂產(chǎn)品為丙烷異丁烷混合物，進(jìn)入液化氣罐，塔底產(chǎn)品為高純異丁烷，經(jīng)脫水后進(jìn)入高純異丁烷產(chǎn)品罐。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品罐后的純度能達(dá)到銷售要求，產(chǎn)品出裝置的純度應(yīng)高于銷售的要求純度。實(shí)際生產(chǎn)中，要求異丁烷產(chǎn)品出裝置的純度達(dá)到99.99%，因此為了避免正丁烷富集，影響最終異丁烷產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)過(guò)程中要求T2塔的進(jìn)料不含有n-C4H10。

此次生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的目的是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制參數(shù)的調(diào)整，既要使正丁烷產(chǎn)品純度達(dá)到99.70%以上，又要保證異丁烷產(chǎn)品出裝置時(shí)仍然是99.99%。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中T1X塔的塔底壓力為923 kPa（絕壓），在此壓力下，正丁烷的泡點(diǎn)為75.83℃，當(dāng)前的操作溫度只有75.70℃左右，因此操作溫度較低。通過(guò)提高塔底溫度[7]，控制相應(yīng)的工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

1 生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化

T1X塔和T1S塔的塔身分別平均分配有6個(gè)（共12個(gè)）溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)結(jié)至中控室DCS系統(tǒng)，通過(guò)模擬計(jì)算確定關(guān)鍵溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，以此確定生產(chǎn)高純正丁烷的參數(shù)控制方案，模擬的原料組分含量如表1所示。

表1 原料組分含量

根據(jù)生產(chǎn)裝置的現(xiàn)有條件，運(yùn)用工程模擬軟件建立了工藝生產(chǎn)模型，按照產(chǎn)品純度要求，對(duì)T1塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果如下。

1.1 T1塔回流量的確定

在進(jìn)料量為2.8 m3/h，操作壓力為911 kPa(絕壓)的條件下，控制塔底溫度為泡點(diǎn)溫度75.83℃，控制塔正丁烷含量為99.70%，以回流量為變量，模擬出正丁烷在塔頂?shù)暮咳绫?所示。

由表2可以看出，隨著回流量的增加，T1S塔頂正丁烷的含量逐漸降低，當(dāng)回流量大于21 m3/h時(shí)，塔頂正丁烷含量為0，可以滿足生產(chǎn)要求。

1.2 T1塔操作溫度的確定

在進(jìn)料量為2.8 m3/h，操作壓力為911 kPa(絕壓)，回流比分別為21、22、23、24、25、26 m3/h的條件下，以第十一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度為變量，進(jìn)行模擬計(jì)算，塔頂和塔底正丁烷含量的模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 塔頂正丁烷含量隨回流量的變化

由表3可以看出，T1塔底溫度基本維持在75.83℃左右，在回流量不變的條件下，隨著11層溫度的增加，正丁烷的含量在塔底和塔頂兩處逐漸增加。當(dāng)11層溫度控制在75.41℃以上時(shí)，塔底正丁烷的純度在99.70%以上；當(dāng)T1S塔頂溫度高于61.77℃時(shí)，塔頂正丁烷的含量高于0.00%。因此，若要保證正丁烷的純度在塔頂和塔底都達(dá)到要求，必須控制塔底溫度在75.83℃以上，11層溫度控制在75.41℃以上，同時(shí)塔頂溫度不能超過(guò)61.77℃。

1.3 T2塔參數(shù)的確定

由于在高純異丁烷提純過(guò)程中，n-C4H10含量是影響高純異丁烷純度的關(guān)鍵因素，控制T2塔進(jìn)料中不含有正丁烷，則對(duì)T2塔塔底產(chǎn)品中i-C4H10純度沒(méi)有影響，因此T2塔不用改變操作參數(shù)，應(yīng)用平時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)即可。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

綜合上述可行性分析，要生產(chǎn)純度99.70%以上的高純正丁烷，必須精確控制T1塔塔底和塔頂溫度，也就是說(shuō)只有兩塔的熱量來(lái)源導(dǎo)熱油爐燃燒穩(wěn)定，才能保證熱油溫度的穩(wěn)定，從而穩(wěn)定兩塔的操作溫度。因此，如果導(dǎo)熱油爐不能為精餾提供穩(wěn)定熱源，容易導(dǎo)致T1塔塔底溫度產(chǎn)生波動(dòng)。提高導(dǎo)熱油爐的出口溫度，由原來(lái)的115℃提高到118℃，以保證再沸器換熱能夠達(dá)到要求。通過(guò)優(yōu)化T1塔的運(yùn)行參數(shù)，精確控制T1塔塔底溫度才能保證塔底出料中正丁烷純度達(dá)到99.70%以上的目標(biāo)，同時(shí)T1S塔塔頂出料中不含正丁烷，以保證異丁烷產(chǎn)品出料中純度達(dá)到99.99%。

為了便于調(diào)整溫度梯度，避免原料處理量的波動(dòng)引起塔底溫度的波動(dòng)。首先根據(jù)每天的原料處理量，選擇平均處理量值作為試驗(yàn)值，固定處理量為2.8 m3/h；然后逐漸提高塔底溫度，以11層溫度為主要溫度參照點(diǎn)，使溫度提高到75.41℃以上，控制塔頂溫度在61.77℃以下，T1塔的回流量設(shè)定為22 m3/h，循環(huán)量根據(jù)實(shí)際T1S塔底的液位需要，適量調(diào)節(jié)，以維持精餾塔平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)各項(xiàng)控制參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定維持3 h后，化驗(yàn)分析正丁烷產(chǎn)品純度，得到如表4所示的溫度與正丁烷純度的對(duì)應(yīng)結(jié)果。

從表4中可以看出，當(dāng)回流量為22 m3/h時(shí)，控制塔底溫度在75.83℃以上，隨著11層溫度的升高，正丁烷產(chǎn)品純度是增加的，當(dāng)11層溫度達(dá)到75.41℃時(shí)，正丁烷純度達(dá)到了99.70%，并且11層的溫度與正丁烷純度的對(duì)應(yīng)關(guān)系與模擬計(jì)算的理論數(shù)據(jù)基本一致，證明該操作方案是可行的。

另一方面，從表3中可以看出，隨著回流量的增加，塔底11層溫度可調(diào)整的溫度范圍增大，精餾塔的運(yùn)行較穩(wěn)定。但是會(huì)增加精餾塔的能量消耗，生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際操作要求和能耗要求選擇合理的回流量。

表3 正丁烷含量隨T1溫度和回流量的變化

3 結(jié)論

1）在保證99.99%異丁烷質(zhì)量的前提下，利用軟件模擬計(jì)算出生產(chǎn)純度99.70%以上正丁烷工藝參數(shù)。

表4 正丁烷產(chǎn)品純度對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)溫度

2）依據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終確定了在現(xiàn)有裝置下生產(chǎn)純度為99.70%以上正丁烷的一套工藝參數(shù)，并保證了異丁烷塔底產(chǎn)品純度依然是99.99%。工藝條件為：高純異丁烷提純塔進(jìn)料中不含有正丁烷，丁烷分離塔回流量大于21 m3/h，T1X塔底溫度控制在75.83℃以上范圍內(nèi)，精確控制第11層溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在75.41℃以上，嚴(yán)格控制T1S塔頂溫度不超過(guò)61.77℃。

3）為保證生產(chǎn)純度99.99%異丁烷和純度為99.70%以上的正丁烷的工藝條件，需要提高加熱爐的出口溫度至118℃，確保熱源穩(wěn)定。

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Based on the actual operation of the production equipment with which isobutane product of purity 99.93%and n-butane product of purity 99.00%were produced in Zhongyuan Oilfield Natural Gas Processing Factory,the process model was established,and the process parameters for the production of n-butane products of purity over 99.70%and the ensurement of the purity 99.93%of isobutane product were obtained by simulation calculation.According to the simulation result,field debugging was finished and the process parameters were determined finally.The bottom operating temperature of n-butane tower is increased from 75.70℃ to above 75.83℃,the elenventh layer temperature of the tower is over 75.41℃,which is a key point,and the tower top temperature is controlled below 61.77℃.It is ensured that there is no n-C4H10in the feedstock of isobutane tower,and the back flow of the tower is increased to more than 21m3/h.Temperature is controlled in a small fluctuation range.Ultimately high purity butane products whose purity is higher than 99.70%were produced,and the quality of isobutane product is guaranteed.

high purity n-butane;simulation calculation;field debugging

李春秀（1987-），女，碩士，現(xiàn)主要從事天然氣處理及輕烴回收的生產(chǎn)及研究工作。

尉立崗

2017-09-08