氣體分餾裝置的工藝操作優(yōu)化探討

楊叔杰(大慶宏偉慶化石油化工有限公司，氣分車間主任，黑龍江大慶163411)

氣體分餾裝置的工藝操作優(yōu)化探討

楊叔杰(大慶宏偉慶化石油化工有限公司，氣分車間主任，黑龍江大慶163411)

氣體分餾裝置的回流比、操作壓力、操作溫度、原料組成等參數(shù)設(shè)置都影響整個(gè)裝置的投資費(fèi)用和能耗及操作控制過程，需要調(diào)整到最佳的工藝條件，優(yōu)化工藝操作的控制，才能使氣體分餾裝置更好的發(fā)揮出經(jīng)濟(jì)效益，提高精餾產(chǎn)品的質(zhì)量。

氣體分餾裝置；工藝優(yōu)化；操作參數(shù)

石油化工行業(yè)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)煉油技術(shù)的進(jìn)步，各種化工產(chǎn)品的提煉與生產(chǎn)技術(shù)也越來越先進(jìn)。對(duì)于僅次于乙烯的有機(jī)化工產(chǎn)品丙烯，可以從中提煉生產(chǎn)出精丙烯、聚丙烯、異丙苯、戊烷餾分、丙烷餾分等重要化工原料。近幾年全球經(jīng)濟(jì)的增長促使聚丙烯樹脂工業(yè)快速發(fā)展，聚合級(jí)丙烯（純度≥99.6%）的需求量突然增加，供不應(yīng)求。而聚合級(jí)丙烯主要是通過分離催化裂化液化氣獲取的，丙烯資源則通過乙烯裝置和催化裂化裝置生產(chǎn)的，主要來源于石油餾分蒸汽裂解生產(chǎn)的丙烯和煉廠丙烯，氣體分餾裝置用來實(shí)現(xiàn)液化氣的催化裂化。對(duì)聚丙烯樹脂需求量的增加使石化產(chǎn)品競爭日益激烈，各個(gè)煉化企業(yè)都在不斷優(yōu)化工藝操作，節(jié)能降耗，降低成本增強(qiáng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 氣體分餾的原理

根據(jù)各組分揮發(fā)性能的差異將液體混合物中不同組份分離出來的操作被稱為蒸餾，工業(yè)方面蒸餾操作又分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、分子蒸餾和精餾等方法，其中精餾應(yīng)用最廣泛，通?？梢垣@取高純度的產(chǎn)品。精餾過程在精餾塔、冷凝器、再沸器等裝置中進(jìn)行，再沸器供熱后會(huì)將塔底存液加熱至汽化，蒸汽沿塔內(nèi)板逐漸上升，塔內(nèi)液體沸騰狀態(tài)下蒸汽在塔頂冷凝器中冷凝得到餾出液，部分作為回流液逐板向下流回塔內(nèi)，塔中各板保持一定的液層。假設(shè)料液中僅兩種組分，在塔中部適當(dāng)?shù)奈恢锰幖尤刖s塔，料液中液相部分逐板向下流入再沸器，氣相部分沿著各板上升到塔頂冷凝器。加料板用來將料液加入到精餾塔中，加料板以下部分屬于提餾段，以上的部分屬于精餾段。精餾的整個(gè)過程利用回流使不同組分混合液不斷汽化，又經(jīng)過部分冷凝，在這個(gè)反復(fù)過程中，易揮發(fā)的組分和難揮發(fā)的組分形成摩爾反向擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)料液分離，從而提煉出高純度的化工產(chǎn)品。作為精餾裝置的核心，精餾塔內(nèi)完成氣液兩相接觸傳質(zhì)，塔底再沸器使塔底回流液再次蒸發(fā)汽化，塔頂冷凝器則可以獲取回流液得到液體產(chǎn)品[1]。

2 氣體分餾裝置工藝優(yōu)化

蒸餾技術(shù)研究的不斷發(fā)展進(jìn)步創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，精餾逐漸成為石油化工領(lǐng)域應(yīng)用程度最高的傳質(zhì)分離操作，技術(shù)發(fā)展也越來越成熟。

2.1 用填料塔取代了進(jìn)料板

填料塔是一種新型高效的填料方式，在減壓和常壓精餾中逐漸取代了進(jìn)料板，隨著精餾塔中氣液相分布研究技術(shù)的深入，高性能液體分布器被開發(fā)出來有效的保證了大型填料塔的優(yōu)良性能，使填料塔從小塔逐漸發(fā)展到大型化。已經(jīng)開發(fā)出可以預(yù)測填料塔氣液相分布的模型，能夠幫助了解塔內(nèi)傳質(zhì)情況，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助完成分布器設(shè)計(jì)、制作，優(yōu)化填料塔工藝。

2.2 特殊精餾工藝的開發(fā)

有些物料普通的精餾難以將其分離，逐漸開發(fā)出恒沸精餾、萃取精餾實(shí)現(xiàn)更高的分離工藝，有時(shí)需要結(jié)合化學(xué)反應(yīng)來精餾，使氣體分餾裝置中進(jìn)行的精餾范圍逐漸擴(kuò)寬，精細(xì)化工技術(shù)發(fā)展的更加廣泛。

2.3 分離方法組合工藝的發(fā)展

充分了解分餾過程所應(yīng)用的分離技術(shù)，通過工業(yè)實(shí)踐使精餾技術(shù)研究更加完善。研究多種分離方法的同時(shí)，結(jié)合先進(jìn)的精餾技術(shù)，開發(fā)出更多的分離流程。將精餾和其他分離方法有機(jī)結(jié)合是分餾工藝發(fā)展的一個(gè)新方向，比如精餾與膜技術(shù)結(jié)合后可用來分離酒精水溶液，此方法用來制取高純度酒精。精餾與吸附技術(shù)結(jié)合，經(jīng)過分餾裝置連續(xù)精餾吸附試驗(yàn)可以分離氮和氬。

2.4 氣體分餾裝置的過程控制和操作優(yōu)化

氣體分餾裝置的過程控制隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展逐漸更新，70年代早期以計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制和常規(guī)儀表監(jiān)測為主，控制的算法則用PID、比值、串級(jí)、分程、前饋控制等為主。70～80年代初，大型生產(chǎn)裝置多采用集散型控制系統(tǒng)。集中顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)督等功能，將控制回路分散化，提高了硬件的可靠性，但是控制算法方面無大的進(jìn)展。80年代后開始在集散型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制過程。各種預(yù)測控制、模型建立、變量約束、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制及應(yīng)用技術(shù)都得到發(fā)展。乙烯分離裝置優(yōu)化、煉廠氣分離裝置優(yōu)化使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有了重大突破，展現(xiàn)出精餾過程控制的新景象，產(chǎn)品質(zhì)量有了明顯提高，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 氣體分餾裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

煉油廠氣體分餾裝置主要是將催化裂化裝置經(jīng)脫水、脫硫化氫、脫硫醇反應(yīng)之后的液態(tài)烴根據(jù)精餾原理，經(jīng)過脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔等裝置分離成不同的餾分。丙烯精餾塔塔頂可分離出99.6%以上的聚合級(jí)精丙烯，塔底可分餾得到高濃度丙烷。提高丙烯精餾塔內(nèi)產(chǎn)品的回收率，降低能耗可以有效的提高氣體分餾裝置的經(jīng)濟(jì)效益，所以對(duì)氣體分餾裝置的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇需要進(jìn)行不斷優(yōu)化。其中對(duì)關(guān)鍵組分回收率、回流比、操作壓力和進(jìn)料時(shí)的熱狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可有效提高氣體分餾裝置的效能。

精餾塔最終產(chǎn)物的總價(jià)值和總費(fèi)用之間的差值所對(duì)應(yīng)的回收率即為關(guān)鍵組分回收率，差值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的回收率為最佳回收率。回收率越大越好，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中受到產(chǎn)品價(jià)格、水、電、設(shè)備等工程、原材料、相對(duì)揮發(fā)度等因素變化，需要優(yōu)化精餾設(shè)計(jì)來獲得更好的分離程度。氣體分餾裝置的回流比關(guān)系到設(shè)備投資和花費(fèi)，需要核算準(zhǔn)確?；亓鞅仍龃笾螅淠鞯睦鋮s劑消耗和再沸器的加熱劑消耗都會(huì)增加，操作的費(fèi)用也相對(duì)增加[2]。因此需要平衡數(shù)據(jù)和效率，綜合考慮各項(xiàng)因素來選擇合適的回流比。氣體分餾裝置的操作壓力會(huì)影響塔頂蒸汽冷凝溫度和塔釜的加熱溫度，還會(huì)影響各組分之間的相對(duì)揮發(fā)度，對(duì)傳質(zhì)的分離效率也有影響，同時(shí)也對(duì)塔的造價(jià)和操作費(fèi)用產(chǎn)生一定的影響。塔頂蒸汽冷凝溫度和塔釜加熱溫度都會(huì)隨壓力的增大而逐漸上升，壓力減小時(shí)則出現(xiàn)下降。需要根據(jù)塔內(nèi)壓力進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，才能準(zhǔn)確選擇合適的操作壓力。壓力升高相對(duì)揮發(fā)度會(huì)減小。氣體的密度與壓力成正比，氣體質(zhì)量流率一定時(shí)，壓力高的條件下可以減小體積流量，這代表塔徑可以相對(duì)減小，這樣投資費(fèi)用就可以減少，壓力不同時(shí)塔壁的厚度需要合理設(shè)計(jì)，因此造價(jià)會(huì)發(fā)生改變。板式塔中壓力對(duì)常壓塔和加壓塔的板效率影響不大，但在減壓精餾的過程中則會(huì)降低板效率。加壓精餾時(shí)塔的噴淋密度提高傳質(zhì)效率卻出現(xiàn)降低，因此分餾裝置操作壓力的設(shè)置需要多方面考慮，根據(jù)實(shí)際需要來綜合計(jì)算。加料熱狀態(tài)會(huì)影響精餾段和提餾段的氣液相流率變化，進(jìn)一步影響最小回流比，因此需要考慮加料板溫度對(duì)裝置反應(yīng)的影響。

4 結(jié)語

對(duì)氣體分餾裝置的工藝操作優(yōu)化，應(yīng)綜合考慮安全、環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量和投資成本等多方面的因素，選用合適的工藝方法，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)設(shè)置，降低裝置的能耗，提高裝置經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品精度，使工藝操作技術(shù)方案更加經(jīng)濟(jì)合理，提高應(yīng)用的范圍。

[1]黃富,張楊,彭國峰,朱連盷.氣體分餾裝置優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)措施[J/OL].煉油,2015,45(10):21-24.(2015-10-12)[2017-08-04].

[2]王相峰.氣體分餾裝置的工藝操作優(yōu)化[J/OL].科技與企業(yè),2014,(05):303.(2014-03-25)[2017-08-04].