魯華，杜建文

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

環(huán)己酮是生產尼龍、己內酰胺、己二酸、香料、醫(yī)藥、樹脂等化工產品的原料，作為溶劑廣泛用于涂料、染料、油漆、農藥、橡膠、印刷和塑料的回收等方面。按原料不同，工業(yè)生產環(huán)己酮的方法主要有苯酚加氫法、環(huán)己烯水合法以及環(huán)己烷氧化法[1]。截 至2020年7月，規(guī)模生產廠達30余家，總生產能力接近450萬t/a，其中約65%采用環(huán)己烷氧化法，27%采用環(huán)己烯水合法，8%采用苯酚法。

中國石化巴陵分公司煉油部氧化法制環(huán)己酮裝置始建于1970年，后經多次擴能改造，裝置產能達到 10萬t/a，氧化法制環(huán)己酮氧化轉化率在3.6%~4.0%。未反應的環(huán)己烷在系統(tǒng)內循環(huán)，加之生產流程中精餾過程較多，造成環(huán)己酮單位產品蒸汽消耗高，達到485.30 kgOE/t，裝置總能耗為620 kgOE/t，蒸汽消耗 占比78%。降低蒸汽消耗是降低裝置能耗的關鍵。

該裝置經過多年工藝探索與優(yōu)化，設備及管道保溫管理、優(yōu)化精餾塔回流以及優(yōu)選精餾塔進料塔板位置等常規(guī)蒸汽優(yōu)化已處于最優(yōu)水平，此類控制優(yōu)化措施對降低蒸汽消耗的影響不再進行討論。

1 環(huán)己酮裝置蒸汽消耗情況

煉油部10萬t/a氧化法制環(huán)己酮主要工序包括苯加氫、氧化、烷精餾、精制、脫氫等。裝置用蒸汽分三個等級，即3.2 MPa過熱中壓蒸汽（約390℃）、1.0 MPa過熱低壓蒸汽（約230℃）以及0.35 MPa 飽和副產低壓蒸汽。為便于統(tǒng)計，將0.35 MPa副產飽和蒸汽納入1.0 MPa蒸汽系統(tǒng)統(tǒng)計。該裝置低、中壓蒸汽消耗情況見表1、2。

表1 1.0 MPa低壓蒸汽消耗情況

2 環(huán)己酮裝置蒸汽消耗橫向對比

氧化法工藝裝置相似度較高，主要區(qū)別在是否有二次皂化工藝、苯加氫路線（氣相或液相）及脫氫路線（高溫脫氫或低溫脫氫）的選擇上。除二次皂化工藝會增加低壓蒸汽消耗外，其他差異對蒸汽消耗影響不大。國內二套氧化法工藝環(huán)己酮裝置蒸汽消耗對比見表3。

表3 國內二套環(huán)己酮裝置蒸汽消耗對比

兩套裝置中壓蒸汽使用位置和使用方式基本相同。考慮到兩套裝置均為氧化法，而低壓蒸汽單耗相差較大，可以推論裝置低壓蒸汽消耗存在較大下降空間。

3 蒸汽消耗現狀分析及優(yōu)化建議

通過系統(tǒng)梳理和分析，裝置蒸汽消耗存在以下幾個方面的問題：

1）換熱過程不夠優(yōu)化，部分物料換熱不充分，造成后續(xù)工序蒸汽消耗增加。

2）蒸汽凝液閃蒸的0.2 MPa蒸汽未能全部利用，部分直排大氣。

3）系統(tǒng)內存在一定含量的惰性物質，造成蒸汽無效消耗。

4）新節(jié)能技術和新型節(jié)能內構件等未在裝置上使用，蒸汽熱能利用效率不高。

根據蒸汽優(yōu)化利用的熱力學原理[2]，綜合熱力學第一定律和第二定律，全面揭示系統(tǒng)節(jié)能的方向和潛力，從而提高能源利用效率[3]。蒸汽優(yōu)化主要思路是優(yōu)化熱量交換過程、蒸汽熱能梯級利用、減少無效蒸汽消耗以及采用成熟節(jié)能新技術和高性能填料及內件。

3.1 優(yōu)化換熱過程

優(yōu)化換熱過程從兩方面開展。一是挖掘有熱能交換潛力的物流進行換熱，通過對裝置工藝物流分析，未能發(fā)現可實施性強、熱能利用價值較高的換熱物流；二是查找換熱效率較低的換熱過程，經過系統(tǒng)分析，發(fā)現氧化液和分解液換熱過程可進行 優(yōu)化。

氧化液是環(huán)己烷氧化后的高溫物料，后續(xù)需要降低溫度；分解液是低溫物料，后續(xù)需要升高溫度，兩者流量比接近1:1。目前兩股物料之間設置了換熱器，經過換熱后，氧化液溫度由165℃降至121℃，分解液溫度由94.6℃升至139.4℃，換熱器熱端溫差25.6℃，列管式換熱器熱段設計溫差控制在15~20℃。根據生產需要，分解液最佳升溫溫度為146℃，氧化液需要降溫至72℃以下。因此，需采用換熱面積更大、換熱效率更高的換熱器替代現有換熱器，將分解液換熱至146℃，氧化液可降溫至114.5℃。

換熱過程優(yōu)化后，分解液溫度升高6.6℃，可降低后續(xù)工序蒸汽消耗1.98 t/h。因換熱后氧化液溫度降低，減少循環(huán)水量260 m3/h。

3.2 蒸汽凝液熱能利用

裝置蒸汽凝液閃蒸汽量大于使用點消耗量，且因閃蒸蒸汽品質低，只能現場排空，未能實現蒸汽熱能的優(yōu)化利用。

通過Aspen建模，采用STEAMNBS物性方法，該方法依據1984NBS/NRC蒸汽表關聯式計算熱力學性質，選取Aspen V9模塊中的flash2，在絕熱模式下對裝置蒸汽凝液進行閃蒸計算。結果顯示：裝置內蒸汽凝液可閃蒸流量為7.87 t/h的0.2 MPa飽和低壓蒸汽，高于使用點最大蒸汽用量7.25 t/h，超出的0.62 t/h蒸汽壓力品質太低無法使用。擬在高壓工段蒸汽凝液進0.2 MPa蒸汽凝液罐前增設與輕一塔進料的換熱流程，在換熱流程上設置旁路調節(jié)閥，利用富余的熱量。此項措施可回收熱能約1 600 kJ，節(jié)約1.0 MPa蒸汽約0.60 t/h。

3.3 減少無效蒸汽消耗

對于環(huán)己酮裝置，減少蒸汽無效消耗的主要措施是降低系統(tǒng)內循環(huán)的丁基環(huán)己基醚（存在于精餾和脫氫系統(tǒng)）。該物質不參與主反應，長期存在，反復循環(huán)，汽化或者加熱這類物質會消耗大量的蒸汽。根據歷史數據，低壓工序系統(tǒng)內丁基環(huán)己基醚含量會從開車初期的2%左右上漲至末期的8%。

丁基環(huán)己基醚與環(huán)己醇在高真空狀態(tài)下沸點接近，無法通過現有真空精餾進行分離。通過Aspen軟件模擬分析，利用閑置塔改造為無回流的在線常壓脫醚塔，使用少量蒸汽，將系統(tǒng)中丁基環(huán)己基醚在塔釜脫除。塔釜含醚50%左右的重組分被送往外部，通過間歇使用脫醚塔（年使用時間約為30 d），可將系統(tǒng)內丁基環(huán)己基醚穩(wěn)定在3%。以平均含量計算，采用脫醚工藝前系統(tǒng)內丁基環(huán)己基醚含量為5%，使用脫醚工藝后，醚含量降至3%?？蓽p少精餾系統(tǒng)和脫氫系統(tǒng)（輕塔、酮塔、醇塔、脫氫醇汽化器）2%的蒸汽消耗，約0.53 t/h。

3.4 采用成熟節(jié)能新技術和高性能填料及內件

3.4.1 采用成熟節(jié)能新技術

多效精餾是將精餾塔分成能位不同的多塔，能位較高塔的塔頂蒸汽向能位較低的再沸器進行供熱，同時自身被冷凝。在多效精餾中，除壓力最低的塔之外，其余各塔塔頂蒸汽的冷凝潛熱均被系統(tǒng)自身回收利用，從而使得精餾過程能耗降低。

環(huán)己酮裝置精餾工序的生產流程為中間產品粗醇酮加料至輕一塔，塔頂物料大部分回流，極少部分出料至輕二塔（去除輕質油），輕一塔釜出料至酮一塔和酮二塔。酮一、二塔頂產出質量符合要求的環(huán)己酮，塔釜物料出料至醇塔，醇塔頂產出環(huán)己醇，塔釜產X油送往外部。目前輕一塔壓力27 kPa，頂溫105℃，酮一塔釜溫95.6℃。

經Aspen模擬，結合已有環(huán)己酮裝置的改造成功實例，建議將輕壓塔頂壓力提升至51 kPa，可將輕一塔頂溫度提升至126℃左右，將輕一塔頂氣相物料作為酮一塔再沸器熱源，形成雙效精餾，不足的熱能由一次蒸汽補充。輕一塔、酮一塔兩塔雙效蒸餾流程設計見圖1。根據測算，雙效蒸餾可減少酮一塔用蒸汽5.10 t/h，同時因熱能利用，可減少660 m3/h 的循環(huán)水消耗。

圖1 輕一塔、酮一塔雙效蒸餾工藝流程

3.4.2 采用高性能填料及內件

由表1和表2可知，精餾塔再沸器蒸汽總量高達60.9 t/h，是裝置蒸汽消耗的大戶。精餾塔內構件對精餾過程十分關鍵，不僅影響精餾塔處理量及分離效果，還會在很大程度上影響精餾過程的能耗。環(huán)己酮裝置精餾塔填料多為老式250Y型填料，部分傳質塔采用第二代矩鞍式散堆填料，傳質效率不高，處理能力偏低。近年來，高效分布器和高效傳質填料的研究取得了長足進步，如BH型規(guī)整填料、SP-E系列規(guī)整填料、QH-1扁環(huán)填料、Mellapakplus規(guī)整填料和VEP型液體分布器等代表著國內填料塔內構件的先進水平。經委托相關單位CFD模擬，使用單位實地調研，采用Mellapakplus規(guī)整填料和VEP型液體分布器對裝置輕一塔內構件進行改造，在滿足分離效果的前提下，可大幅降低回流量，減少20%蒸汽消耗。若采用高性能填料及內件對裝置各塔進行改造，按照平均降幅10%測算，預期可減少蒸汽消耗6.09 t/h。

表2 3.2 MPa中壓蒸汽消耗情況

4 改造預期效果

改造實施后，蒸汽消耗情況見表4。

表4 項目實施經濟性分析

改造完成后，可減少低壓蒸汽消耗14.30 t/h，折合降低環(huán)己酮裝置低壓蒸汽單耗1.14 t/t，裝置產品能耗由620 kgOE/t降至533.36 kgOE/t，下降比例為13.97%。

改造完成后煉油部環(huán)己酮裝置同先進裝置A蒸汽消耗對比見表5。

表5 改造后二套環(huán)己酮裝置蒸汽消耗對比

改造完成后，實際蒸汽單耗差距由1.38 t/t降低至0.24 t/t，產品蒸汽單耗有所降低，蒸汽消耗水平處于國內同行先進水平。

5 結論

環(huán)己酮裝置降低蒸汽改造措施完成后，可降低裝置蒸汽消耗14.30 t/h，折合降低蒸汽單耗1.14 t/t。在其他能耗不變的情況下，裝置產品能耗由620 kgOE/t 降至533.36 kgOE/t，下降比例為13.97%，裝置能耗顯著降低。年生產時間按8 000 h、蒸汽按照巴陵石化低壓蒸汽結算價139元/噸計算，改造后可降低裝置生產成本1 590.16萬元。