白宇辰，李 侖

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

脫甲烷塔系統(tǒng)是乙烯裝置深冷分離流程中裂解氣分離的關(guān)鍵，既要保證乙烯的回收率，又要保證乙烯產(chǎn)品的純度，同時(shí)也是冷量的主要消耗所在，是能耗最大的系統(tǒng)之一[1-2]。其中，脫甲烷塔原料預(yù)冷約占總冷負(fù)荷的40%，脫甲烷塔約占總冷負(fù)荷的12%，即脫甲烷塔系統(tǒng)約占總冷負(fù)荷的50%[3]。乙烯裝置中脫甲烷塔的作用是利用低溫使裂解氣中除甲烷、氫氣以外的組分全部液化，將輕組分(甲烷、氫氣)與重組分進(jìn)行分離，其中輕組分主要為甲烷，重組分主要為乙烯。乙烯裝置的流程采用前冷卻，即冷箱在脫甲烷塔之前，脫甲烷系統(tǒng)是冷量的主要集中區(qū)，影響因素多，若該系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳，會(huì)造成乙烯損失增加，從而影響裝置的乙烯收率[4]。除了影響乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益以外，損失在燃料氣中的乙烯會(huì)在裂解爐的燒嘴處結(jié)焦發(fā)生堵塞現(xiàn)象。同時(shí)，甲烷也作為整個(gè)裝置干燥器或反應(yīng)器的再生氣，如果其中的乙烯含量增加，會(huì)使干燥器和反應(yīng)器的床層在再生升溫過(guò)程中發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，影響干燥劑和催化劑的使用壽命。因此，在乙烯裝置的實(shí)際操作運(yùn)行中，控制脫甲烷塔系統(tǒng)的乙烯損失是十分重要的。

乙烯裝置中分為前脫丙烷、前脫乙烷、順序分離等流程，每個(gè)流程中的脫甲烷塔系統(tǒng)都有區(qū)別。本課題主要針對(duì)前脫丙烷流程中的脫甲烷塔系統(tǒng)進(jìn)行分析，脫甲烷系統(tǒng)中的乙烯主要有兩處損失，一是脫甲烷塔原料預(yù)冷進(jìn)行脫氫分離造成乙烯的損失，二是脫甲烷塔塔頂輕組分中會(huì)夾帶乙烯，造成乙烯的損失。

1 前脫丙烷流程簡(jiǎn)介

某煉油廠乙烯裝置采用中國(guó)石油化工股份有限公司的低能耗乙烯分離技術(shù)(LECT)的前脫丙烷流程，如圖1所示。裂解氣經(jīng)過(guò)急冷單元和壓縮單元后，再脫除碳四等重組分預(yù)冷后進(jìn)入碳三洗滌塔，這部分的裂解氣除了甲烷和氫氣外，其余均為碳二和碳三組分。碳三洗滌塔塔頂?shù)牧呀鈿膺M(jìn)入冷箱和脫甲烷系統(tǒng)，塔釜物流進(jìn)入預(yù)脫甲烷塔。采用高壓雙塔脫甲烷(預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔)，裂解氣深冷分離系統(tǒng)的碳三洗滌塔、碳二洗滌塔、冷箱、預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔進(jìn)行合理的布置。預(yù)脫甲烷塔控制塔頂不含碳三組分，塔釜不含碳一組分。脫甲烷塔塔頂基本為甲烷和氫氣，進(jìn)入膨脹機(jī)等熵膨脹后降溫，經(jīng)冷箱回收冷量后被壓縮機(jī)增壓至催化劑/干燥劑再生相適應(yīng)的壓力后，再進(jìn)入干燥、再生及燃料氣系統(tǒng)。預(yù)脫甲烷塔塔釜的物流進(jìn)入脫乙烷塔，塔頂?shù)奶级M分和脫甲烷塔塔釜的碳二組分一起進(jìn)入乙烯塔，在乙烯塔中進(jìn)行乙烯和乙烷的分離。脫乙烷塔塔釜的物流經(jīng)過(guò)碳三加氫反應(yīng)器去除甲基乙炔和丙二烯后進(jìn)入丙烯精餾塔，進(jìn)行丙烯和丙烷的分離。

圖1 前脫丙烷流程示意

2 脫甲烷塔選型

脫甲烷塔的選型應(yīng)考慮實(shí)際的處理量、操作范圍、塔板效率、投資和全塔壓降等方面的因素，一般可選用填料塔，直徑較大時(shí)(如大于1.5 m)也可選用浮閥塔。填料宜選用規(guī)整填料，如金屬板波紋填料。這種填料效率高、壓降小、通量大，具有良好的傳質(zhì)性能，是一種高效填料。它在加大直徑的脫甲烷塔內(nèi)等板高度仍為0.2～0.3 m。其缺點(diǎn)是造價(jià)較高。采用金屬板波紋填料時(shí)，噴淋密度一般不小于5 m3/(m2·h)。當(dāng)選用浮閥塔板時(shí)，塔內(nèi)降液管中的液體停留時(shí)間一般設(shè)定為3～3.5 s。

脫甲烷塔內(nèi)各段物質(zhì)表面張力較小，屬于易起泡系統(tǒng)。因此不管是采用板式塔還是填料塔，必須具有消泡能力。當(dāng)乙烯裝置采用高壓脫甲烷流程時(shí)，脫甲烷塔塔頂?shù)臏囟仍?96 ℃左右，壓力約為3.05 MPa。因此要求其既要耐受高壓又要耐受低溫。此外，在高壓下填料的效率會(huì)急劇下降，因此高壓脫甲烷塔一般采用板式塔[5]。

3 脫甲烷塔預(yù)冷系統(tǒng)降低乙烯損失

采用碳二洗滌塔可以在脫甲烷塔預(yù)冷系統(tǒng)中降低乙烯的損失。裂解氣脫氫前進(jìn)入碳二洗滌塔，洗滌塔采用分凝分餾塔的技術(shù)，下部為兩段填料，上部的特殊結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱和傳質(zhì)。其中，板式換熱器在分凝分餾塔的頂部立式安裝，冷劑側(cè)設(shè)有構(gòu)件強(qiáng)化傳熱，物料側(cè)設(shè)有翅片或規(guī)整填料，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，分凝分餾塔的理論板數(shù)為8～20塊，組分分布可控，用于冷區(qū)的清潔物系。該塔需要的冷量來(lái)自1號(hào)甲烷/氫氣分離罐底部的一部分液相甲烷。洗滌塔塔釜分離出的液相成為脫甲烷塔的一股進(jìn)料。碳二洗滌塔塔頂?shù)臍庀嗷静缓蚁?，主要是甲烷和氫氣，再進(jìn)入冷箱進(jìn)行氫氣的進(jìn)一步提濃。其中，控制碳二洗滌塔塔頂?shù)囊蚁舛葹? 000 μmol/mol，這樣從洗滌塔塔頂夾帶的乙烯量?jī)H為116 kg/h，可以大大降低此處的乙烯損失。同時(shí)，大部分的甲烷、氫氣被碳二洗滌塔分出，改善了脫甲烷塔的操作條件。在正常生產(chǎn)操作中，需要注意碳二洗滌塔塔頂?shù)牟僮鳒囟?。如果塔頂溫度過(guò)高，將導(dǎo)致塔頂氣相中乙烯含量增高，使乙烯進(jìn)入燃料氣造成損失。同時(shí)，碳二洗滌塔塔頂?shù)牟僮鲏毫刂浦麄€(gè)激冷系統(tǒng)的操作壓力。采用分程控制的方式(A閥和B閥)，A閥位于氫氣干燥器出口的氫氣管線上，B閥位于冷箱出口粗氫氣去燃料氣系統(tǒng)的管線上。正常操作時(shí)用A閥維持激冷系統(tǒng)、甲烷化以及氫氣干燥系統(tǒng)的壓力，開(kāi)停車時(shí)利用B閥排放粗氫氣至燃料氣系統(tǒng)來(lái)維持激冷系統(tǒng)的壓力。

4 脫甲烷塔塔頂乙烯損失的影響因素及相應(yīng)措施

4.1 脫甲烷塔進(jìn)料中甲烷氫氣摩爾比對(duì)塔頂乙烯損失的影響

某煉油廠乙烯裝置的脫甲烷塔一共有4股進(jìn)料，分別來(lái)自預(yù)脫甲烷塔塔頂、脫甲烷塔第一進(jìn)料分離罐、脫甲烷塔第二進(jìn)料分離罐和碳二洗滌塔的塔釜。根據(jù)進(jìn)料組成和溫度的不同分別進(jìn)入脫甲烷塔的不同進(jìn)料位置。采用多股進(jìn)料的好處是在進(jìn)入脫甲烷塔之前，先將各股進(jìn)料進(jìn)行了預(yù)分離。利用冷箱從高溫到低溫，逐級(jí)依次冷凝重組分和輕組分，節(jié)省低溫級(jí)別的冷劑，提高了熱力學(xué)效率，降低了脫甲烷塔的負(fù)荷。

脫甲烷塔進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比對(duì)塔頂乙烯濃度的影響見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，脫甲烷塔塔頂乙烯濃度隨著進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比的增加而降低。在滿足脫甲烷塔回流量、再沸器和冷凝器熱負(fù)荷基本不變的前提下，當(dāng)增加甲烷/氫摩爾比時(shí)，可以明顯降低塔頂?shù)囊蚁p失。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)料裂解氣中氫氣含量增多導(dǎo)致甲烷/氫摩爾比降低時(shí)，為了滿足塔頂露點(diǎn)的要求，必須有更多的乙烯和乙烷至塔頂，因此導(dǎo)致乙烯損失增加，乙烯收率降低。

圖2 進(jìn)料中的甲烷氫摩爾比對(duì)塔頂乙烯濃度的影響

當(dāng)進(jìn)料中甲烷/氫氣摩爾比降低時(shí)，提高脫甲烷塔壓力可以降低尾氣中的乙烯損失，但壓力的提高將會(huì)降低甲烷和乙烯的相對(duì)揮發(fā)度，使其分離的難度增加。隨著壓力的增加，逐漸接近塔釜碳二組分的臨界壓力，塔釜?dú)庖簼舛炔顚⒆兊煤苄?，分離更加困難，使乙烯產(chǎn)品的純度受到影響。乙烯裝置運(yùn)行過(guò)程中靠增加脫甲烷塔壓力來(lái)降低乙烯損失是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際操作中脫甲烷塔的壓力一般很穩(wěn)定，很少發(fā)生靠調(diào)節(jié)塔壓來(lái)降低尾氣中乙烯損失的現(xiàn)象[6]。

4.2 脫甲烷塔進(jìn)料溫度對(duì)塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔4股進(jìn)料中，第一進(jìn)料分離罐的溫度是-77 ℃，第二進(jìn)料分離罐的溫度是-98 ℃，這兩股進(jìn)料的溫度變化對(duì)塔頂乙烯濃度的影響見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度隨著進(jìn)料溫度的升高而增加；第一進(jìn)料分離罐的操作溫度從-78 ℃升高至-70 ℃時(shí)，如果維持再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷基本不變，在回流量也基本相同的前提下，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度從900 μmol/mol增加至2 000 μmol/mol；第二進(jìn)料分離罐的操作溫度從-99 ℃升高至-90 ℃時(shí)，脫甲烷塔塔頂乙烯的濃度從950 μmol/mol增加至2 000 μmol/mol。隨著脫甲烷塔進(jìn)料溫度的降低，減少乙烯損失的同時(shí)將會(huì)加大冷箱的負(fù)荷，脫甲烷塔系統(tǒng)的冷量消耗也將增加。為了滿足冷箱傳熱溫差的要求，需要更多的氫氣補(bǔ)入到低壓甲烷中，這又增加了氫氣的損失[7]。

圖3 脫甲烷塔進(jìn)料分離罐溫度對(duì)塔頂乙烯濃度的影響■—第一分離罐； ◆—第二分離罐

4.3 脫甲烷塔塔頂回流量對(duì)塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔與精餾塔不同，精餾塔塔頂產(chǎn)品可以完全冷凝，但脫甲烷塔塔頂?shù)臍庀喈a(chǎn)品主要是甲烷和氫氣，夾帶少量的乙烯、甲烷和氫氣在塔頂?shù)臏囟群蛪毫l件下不能完全冷凝。因此脫甲烷塔塔頂回流的液體組成和塔頂?shù)臍庀喈a(chǎn)品組成不同，這是脫甲烷塔的特殊性，塔頂回流液相組成和塔頂氣相產(chǎn)品組成的對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可以看出，與回流液相組成相比，氣相產(chǎn)品組成中的氫氣含量更高，而甲烷含量更低。

表1 脫甲烷塔塔頂氣相組成與回流液相組成的對(duì)比 x，%

脫甲烷塔塔頂回流量對(duì)塔頂乙烯濃度的影響見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：隨著塔頂乙烯損失的降低，需要同步加大塔頂回流量；當(dāng)塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至100 μmol/mol時(shí)，塔頂回流量從1 916.7 kmol/h增加至3 229.3 kmol/h，增幅高達(dá)68.5%。這是因?yàn)槿绻档退斠蚁p失，必須要以塔頂回流量增加為代價(jià)，通過(guò)增加回流量而加大塔頂氣相中的乙烯冷凝，進(jìn)而降低乙烯的損失。此時(shí)回流泵的能力未必可以滿足要求，如果能力不足則需要更換大流量的回流泵。

圖4 脫甲烷塔塔頂回流量對(duì)塔頂乙烯濃度的影響

當(dāng)脫甲烷塔的塔板數(shù)一定時(shí)，要增加分離精度，即降低乙烯損失，則必須增加回流比，或者保持回流比的恒定而增加塔板數(shù)。這兩種方式都會(huì)使塔的熱力學(xué)效率降低，能耗增加或投資增加。因此，需要將乙烯損失設(shè)計(jì)成一個(gè)合理的數(shù)值，使脫甲烷塔的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)化。

4.4 脫甲烷塔塔頂溫度對(duì)塔頂乙烯損失的影響

脫甲烷塔塔頂溫度對(duì)塔頂乙烯濃度的影響見(jiàn)圖5。由圖5可以看出：隨著脫甲烷塔塔頂溫度的升高，塔頂乙烯濃度逐漸升高；如果需要塔頂氣相中的乙烯損失降低，則需要通過(guò)降低塔頂溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。降低塔頂溫度可以增加塔頂氣相產(chǎn)品中乙烯的冷凝，從而提高乙烯回收率。但是，在高壓脫甲烷流程中，塔頂冷凝器所采用的冷媒是-101 ℃的乙烯冷劑，受其蒸發(fā)溫度的影響，為了保證其安全有效的操作，脫甲烷塔塔頂?shù)臏囟炔豢赡軣o(wú)限制地降低。塔頂冷凝器由于傳熱溫差較低，因此采用了CIK的型式，這是一種類似具有釜式換熱器的外殼和板翅式換熱器的內(nèi)芯的高通量換熱器。隨著塔頂乙烯損失的降低，冷凝器的最小傳熱平均溫差也將進(jìn)一步降低，即原有冷凝器的能力不足，需要增加足夠的換熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將進(jìn)一步影響投資。

圖5 脫甲烷塔塔頂溫度對(duì)塔頂乙烯濃度的影響

4.5 脫甲烷塔冷凝器、再沸器的熱負(fù)荷對(duì)塔頂乙烯損失的影響

圖6 換熱器熱負(fù)荷對(duì)塔頂乙烯濃度的影響◆—塔頂冷凝器； ■—塔釜再沸器

如果要降低塔頂乙烯的濃度，需要加大塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷，塔頂冷凝器的冷媒是-101 ℃的乙烯冷劑，塔釜再沸器的熱媒是丙烯冷劑。脫甲烷塔塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷對(duì)塔頂乙烯濃度的影響見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，當(dāng)塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至100 μmol/mol時(shí)，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷從2.37 MW增加至3.94 MW，增幅約15%，塔釜再沸器的熱負(fù)荷從5.823 MW增加至7.355 MW，增幅達(dá)26.3%。當(dāng)一味要求降低乙烯濃度時(shí)，塔頂冷凝器中的冷媒用量將大幅度增加，因此會(huì)增加乙烯制冷壓縮機(jī)的功率，導(dǎo)致透平驅(qū)動(dòng)介質(zhì)高壓蒸汽消耗量的增加。同樣，塔釜再沸器的熱媒如果采用丙烯加熱，也會(huì)增加丙烯制冷壓縮機(jī)的功率，導(dǎo)致透平驅(qū)動(dòng)介質(zhì)超高壓蒸汽消耗量的增加。需要在加大熱負(fù)荷與提高乙烯回收率之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，在不影響裝置的投資和不大幅度增加裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益時(shí)盡量提高乙烯產(chǎn)品的收率。

5 結(jié)束語(yǔ)

脫甲烷系統(tǒng)設(shè)置碳二洗滌塔可以降低塔頂乙烯的損失，同時(shí)，脫甲烷塔塔頂乙烯的損失與脫甲烷塔進(jìn)料中的甲烷/氫摩爾比、塔頂回流量、塔頂溫度、再沸器/冷凝器的負(fù)荷等都有關(guān)。當(dāng)需要降低脫甲烷塔塔頂乙烯損失時(shí)，需要適當(dāng)提高進(jìn)料中的甲烷/氫摩爾比以及降低進(jìn)料溫度、增加塔頂回流量、降低塔頂溫度以及增加再沸器/冷凝器熱負(fù)荷，但這樣往往會(huì)帶來(lái)設(shè)備投資或操作費(fèi)用的增加。如果將碳二洗滌塔塔頂乙烯的濃度從1 000 μmol/mol降低至500 μmol/mol、脫甲烷塔塔頂乙烯濃度從1 000 μmol/mol降低至500 μmol/mol，燃料氣中的乙烯損失可以從175.6 kg/h降低至87.6 kg/h，可以多回收乙烯88 kg/h，合計(jì)704 t/a。在保證降低乙烯損失的前提下，盡可能降低裝置的投資和操作費(fèi)用進(jìn)而加強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性，因此在工程設(shè)計(jì)中針對(duì)脫甲烷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，既要滿足較高的乙烯回收率又不能大幅度增加裝置的投資和操作費(fèi)用，使裝置的建設(shè)和運(yùn)行具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。