乙烯裝置深冷分離系統(tǒng)的優(yōu)化研究

田峻，李琰，廖麗華，李東風

（中國石化北京化工研究院，北京100013）

乙烯裝置是典型的大型過程工業(yè)裝置，其能耗是決定整個裝置技術經濟水平的關鍵性指標[1]。在乙烯裝置國產化進程中，“節(jié)能、降耗、減排”將成為重要的課題[2]。該裝置對含有氫氣、甲烷、碳二、碳三和碳四的輕烴混合物采用壓縮和深度冷卻方法進行分離，為深冷系統(tǒng)提供冷量的制冷壓縮機功率約占乙烯三機功率的50%[3]。因此，乙烯裝置深冷系統(tǒng)的優(yōu)化對于降低整個裝置的能耗具有重要的意義。

乙烯裝置深冷系統(tǒng)工藝流程長、操作溫度低，要實現(xiàn)最優(yōu)化操作，只有借助計算機進行全流程模擬[4]。該研究依據某石化企業(yè)乙烯裝置的實際運行數(shù)據，利用Aspen Plus流程模擬軟件和Aspen Energy Analyzer能量優(yōu)化軟件對其深冷系統(tǒng)的操作參數(shù)及換熱網絡進行模擬和優(yōu)化研究，以降低裝置的物耗和能耗。

1 乙烯深冷分離系統(tǒng)工藝流程

某乙烯裝置深冷系統(tǒng)包括裂解氣預冷及脫甲烷塔、脫乙烷塔、乙烯精餾塔和制冷單元，工藝流程見圖1。

裂解氣預冷及脫甲烷塔單元采用高壓激冷—低壓脫甲烷工藝[5]。干燥后的裂解氣經冷箱逐級冷凝，形成脫甲烷塔的四股進料，完成氫氣與甲烷的分離。脫甲烷塔將甲烷和乙烯分離，塔頂冷凝器用二元冷劑等提供冷量，塔釜再沸器用裂解氣和氣相二元冷劑為熱源，脫甲烷塔底物料經過冷箱回收冷量后進入脫乙烷塔。脫乙烷塔將碳二與碳三及以上的餾分分離，塔頂冷凝器采用丙烯冷劑提供冷量，塔釜再沸器采用急冷水供熱，脫乙烷塔塔釜物料去脫丙烷塔，塔頂氣相經乙炔加氫反應器脫除炔烴后進入乙烯精餾塔。乙烯精餾塔將乙烯和乙烷及少量雜質分離，乙烯產品從塔側線抽出，塔頂冷凝器采用丙烯冷劑提供冷量，不凝氣循環(huán)回脫甲烷塔，塔釜再沸器由氣相丙烯冷劑供給熱量，塔釜乙烷經冷量回收后送乙烷裂解爐作原料。該乙烯裝置采用丙烯、乙烯、二元制冷壓縮機提供冷量，三套制冷系統(tǒng)互相配合工作，以滿足深冷系統(tǒng)的冷量需求。

圖1 乙烯裝置深冷系統(tǒng)工藝流程

2 裝置實際運行情況

該乙烯裝置先后經歷多次改擴建，由于制冷、分離部分主要設備是利舊設備，其制冷及換熱能力受到限制，且隨著近幾年乙烯原料輕質化及優(yōu)質化的影響，裝置進料已較最初的設計工況偏差較大，深冷分離系統(tǒng)最優(yōu)操作條件已發(fā)生變化。目前主要存在以下問題：1）制冷系統(tǒng)壓縮機段間冷量分配不合理；2）相關單元操作參數(shù)已偏離最佳操作點；3）脫甲烷塔塔頂損失乙烯量較大。

由于乙烯深冷分離系統(tǒng)工藝流程復雜且不同制冷系統(tǒng)相互影響，為解決上述問題，對乙烯深冷系統(tǒng)（含制冷壓縮機）進行了模擬，對系統(tǒng)用能情況進行分析，并針對新的裂解氣組成對關鍵操作單元的操作參數(shù)進行優(yōu)化，以達到深冷系統(tǒng)節(jié)能降耗和減少乙烯損失的目的。

3 深冷分離系統(tǒng)優(yōu)化研究

3.1 深冷分離系統(tǒng)換熱網絡用能分析

通過對乙烯深冷系統(tǒng)流程的模擬，并利用乙烯裝置實際操作參數(shù)及分析數(shù)據對模型進行優(yōu)化，獲得了與裝置實際運行數(shù)據一致性良好的各設備操作參數(shù)及物流數(shù)據。根據深冷系統(tǒng)冷熱物流數(shù)據，設定深冷系統(tǒng)最小換熱溫差為3℃[6]，利用夾點技術對乙烯裝置深冷分離系統(tǒng)換熱網絡進行夾點計算，得到冷熱物流組合曲線[7]，見圖2。

由圖2可以看出，當最小換熱溫差為3℃時，深冷系統(tǒng)的夾點平均溫度為-20.2℃，即熱流股夾點溫度-18.7℃，冷流股夾點溫度為-21.7℃。系統(tǒng)最小熱公用工程目標為48.21 MW，最小冷公用工程目標為47.51 MW。

表1對乙烯深冷系統(tǒng)使用熱公用工程（嚴格意義上不能稱為熱公用工程，因為深冷系統(tǒng)所使用的熱源有急冷系統(tǒng)提供的急冷水及制冷系統(tǒng)為回收冷量提供的40℃的液相丙烯和3℃氣相丙烯）的換熱器進行了統(tǒng)計。深冷系統(tǒng)使用的熱公用工程量為48.4 MW，且深冷系統(tǒng)使用熱公用工程及冷公用工程（低于-20.2℃的冷劑）的換熱器中未發(fā)現(xiàn)跨夾點傳熱的換熱器。

圖2 冷熱物流組合曲線

表1 使用熱公用工程的換熱器

基于物流數(shù)據的夾點分析結果表明，裝置深冷系統(tǒng)實際消耗的公用工程已接近最小公用工程目標值，原系統(tǒng)的換熱網絡優(yōu)化難以使公用工程消耗繼續(xù)減少。應優(yōu)化深冷系統(tǒng)中各精餾塔以及制冷系統(tǒng)操作參數(shù)，盡可能降低系統(tǒng)最小公用工程消耗量，同時根據優(yōu)化后的工藝條件合理配置各等級冷劑的使用，減少高品位冷劑消耗、增加低品位冷劑的使用，從而降低制冷壓縮機功耗。

3.2 深冷分離系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化研究

3.2.1 裂解氣預冷及脫甲烷塔系統(tǒng)優(yōu)化

由于脫甲烷塔的四股進料是裂解氣經冷箱逐級冷凝，冷凝溫度分布決定著脫甲烷塔各股進料的組成、溫度及流量，對脫甲烷塔的操作影響較大。不合適的進料狀況將導致脫甲烷塔能耗上升，乙烯損失率增大，因此有必要對裂解氣預冷及脫甲烷塔的操作進行優(yōu)化。進料分離罐溫度對制冷壓縮機功率及乙烯損失率的影響見圖3 a～d。

由圖3可知，第二進料罐的溫度升高，制冷系統(tǒng)壓縮機功率隨之增加。第二進料罐溫度控制著第三、四股進料量，若此溫度太高，則第三、四股進料量將較小，第一、二股進料量相對較大，則脫甲烷塔上部負荷較大。雖然第一股進料相當于回流，但如果進料量過大，會使脫甲烷塔塔頂重組分含量升高，分離效果變差。在目前實際運行中，該分離罐溫度僅能達到-69℃，導致第三、四股進料量相對較小，脫甲烷塔塔頂溫度的大幅波動通常由于第三股進料溫度上升引起，從而導致整個塔的操作紊亂，造成乙烯損失率增加，能耗上升。第三、第四進料罐溫度升高，制冷系統(tǒng)壓縮機功率降低。第三、第四進料罐溫度控制著脫甲烷塔第二、第一股進料量，溫度升高，則第二、第一股進料量降低，制冷系統(tǒng)壓縮機功率降低，但乙烯損失增加。

圖3 進料分離罐溫度對制冷壓縮機功率及乙烯損失率的影響

上述分析表明，-75℃級別的乙烯冷劑對深冷系統(tǒng)的能耗水平影響較為關鍵，目前可以通過對乙烯制冷系統(tǒng)的優(yōu)化維持-75℃等級的冷劑，另外還可以通過合理配置乙烯制冷系統(tǒng)及二元制冷系統(tǒng)冷量使用來改善冷箱及脫甲烷塔的運行，降低能耗。

3.2.2 脫乙烷塔系統(tǒng)優(yōu)化

脫乙烷塔塔頂采用-24℃丙烯冷劑冷凝，塔釜碳二含量要求不高于400 μg/g。設計塔釜再沸器采用急冷水加熱，實際生產脫乙烷塔釜使用了7.8 t/h的低壓蒸汽加熱，塔釜碳二含量僅為10～60 μg/g，大大低于設計要求。脫乙烷塔塔釜碳二含量與深冷系統(tǒng)乙烯產品能耗的關系見圖4。

圖4 脫乙烷塔塔釜碳二含量與深冷系統(tǒng)乙烯產品能耗的關系

由圖4可知，當碳二含量低于100 μg/g時，隨著碳二含量的降低，脫乙烷塔能耗逐漸上升，消耗更多的急冷水、蒸汽及冷劑，最終導致深冷系統(tǒng)乙烯單位產品能耗增加。因此，可以適當降低脫乙烷塔的分離要求，建議維持塔釜碳二含量為150～400 μg/g。同時脫乙烷塔在設計時塔釜再沸器采用急冷水提供熱量，僅開車時采用蒸汽。前脫乙烷塔額外使用了7.8 t/h的蒸汽，增加了深冷系統(tǒng)能耗5.43 kgEO/t乙烯，可通過優(yōu)化急冷水熱量的利用，減少蒸汽用量。

3.2.3 乙烯精餾塔系統(tǒng)優(yōu)化

乙烯精餾塔冷量消耗約占深冷系統(tǒng)冷量消耗的50%，降低其能耗將顯著影響乙烯深冷系統(tǒng)的能耗水平，因此有必要對乙烯精餾塔系統(tǒng)進行優(yōu)化。精餾塔壓力對精餾的操作尤為關鍵，塔壓的變化將影響乙烯對乙烷的相對揮發(fā)度進而影響分離效果以及深冷分離系統(tǒng)能耗。壓力對乙烯塔頂溫度、塔釜溫度和丙烯制冷壓縮機功率的影響見圖5 a～b。

由圖5可知，隨著乙烯精餾塔操作壓力的提高，塔頂和塔釜溫度升高，丙烯壓縮機功率下降，原因是乙烯精餾塔塔頂采用-40℃的丙烯冷劑冷凝，塔釜則采用氣相丙烯作為加熱介質回收冷量，當操作壓力升高時，乙烯對乙烷的相對揮發(fā)度降低，需增加回流比以保證要求的分離效果，回流量增加導致塔頂冷凝器熱負荷及塔釜再沸器負荷隨之增加，然而從整個深冷系統(tǒng)來看，丙烯制冷系統(tǒng)凈回收的冷量增加，能夠降低丙烯壓縮機功率?？蓪⒁蚁┚s塔操作壓力提高至2.10 MPa，同時由于乙烯精餾塔塔頂溫度的上升，可以提高丙烯冷劑溫度，提高丙烯壓縮機的吸入壓力，降低丙烯壓縮機的功率。

圖5 壓力對乙烯塔頂溫度、塔釜溫度和丙烯制冷壓縮機功率的影響

3.2.4 制冷系統(tǒng)優(yōu)化

制冷系統(tǒng)是為深冷分離系統(tǒng)提供冷量的單元，制冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行可有效降低乙烯裝置能耗，通過對深冷分離系統(tǒng)用能的分析可知，原系統(tǒng)的換熱網絡優(yōu)化難以使冷公用工程消耗繼續(xù)減少。制冷系統(tǒng)的優(yōu)化應根據深冷分離系統(tǒng)優(yōu)化后的工藝條件重新優(yōu)化配置各冷劑溫度等級以降低制冷壓縮機功耗。

1）丙烯制冷系統(tǒng)

目前丙烯制冷系統(tǒng)為分離單元提供18℃、3℃、-24℃和-40℃四個等級冷劑。當前各個冷劑的溫位設置總體已接近最優(yōu)，經操作參數(shù)優(yōu)化后，在當前換熱系統(tǒng)中，使用-40℃的丙烯冷劑與該冷劑用戶換熱溫差偏大，可優(yōu)化-40℃丙烯冷劑溫位，將級別為-40℃的丙烯冷劑溫位改為-38℃，滿足最小溫差的要求，對應的壓力由0.041 MPa提高為0.054 MPa。提高丙烯壓縮機吸入壓力后，能夠有效降低丙烯壓縮機功率。

2）乙烯制冷系統(tǒng)

乙烯制冷系統(tǒng)共有三個等級的溫位，設計值分別為-55℃、-75℃、-102℃。隨著裝置產能的不斷提高，乙烯制冷壓縮機達到負荷上限，目前乙烯制冷壓縮機各段吸入壓力高于設計值，三個級別的溫位為-54℃、-70℃、-92℃。通過對裂解氣預冷及脫甲烷塔單元分析得知，脫甲烷塔二號進料分離罐的溫度對深冷系統(tǒng)能耗影響較大，維持在-72℃附近時能耗較低，因此可以通過調節(jié)乙烯制冷系統(tǒng)中二段吸入罐的壓力來維持-75℃等級的溫位，對應的壓力為0.032 MPa。對于-92℃級別的冷劑可以不做更改，當前裝置使用-92℃的乙烯冷劑的換熱器共有兩臺，經裂解氣預冷單元操作參數(shù)優(yōu)化后，一臺用于將裂解氣預冷至-89℃，另一臺用于將-53.9℃的二元制冷冷劑冷凝至-72℃，換熱溫差均較大，可滿足工藝要求。

3）二元制冷系統(tǒng)

二元制冷系統(tǒng)為深冷系統(tǒng)提供-72 ～ -146℃的冷量，主要為裂解氣預冷以及脫甲烷塔頂冷凝器提供冷量。通過將二元制冷系統(tǒng)冷箱中工藝參數(shù)、裂解氣預冷與脫甲烷塔單元同時優(yōu)化，在二元制冷壓縮機不作改造的前提下，合理調整冷量分配及回收，降低壓縮機功率，降低乙烯損失，主要措施有：

①優(yōu)化脫甲烷塔塔釜再沸器換熱參數(shù)。為了降低深冷系統(tǒng)中的冷量消耗，當前換熱網絡中脫甲烷塔塔釜采用裂解氣和氣相二元冷劑作為再沸器熱源，回收脫甲烷塔塔釜較高級別的冷量，氣相二元冷劑經冷量回收，溫度由-37℃下降至-49℃，裂解氣溫度由-37℃下降至-47℃。由于裂解原料的變化，目前脫甲烷塔操作壓為0.67 MPa，高于0.59 MPa的設計值，塔釜溫度上升至-47.5℃，高于-52℃的設計值，直接導致二元冷劑及裂解氣可回收的冷量下降。通過優(yōu)化二元制冷系統(tǒng)中冷箱的冷量分配，使得進入脫甲烷塔再沸器的裂解氣溫度由-37℃提高至-21℃，盡可能的回收脫甲烷塔塔釜冷量。

②優(yōu)化二元制冷系統(tǒng)冷箱的冷量分配。上述脫甲烷塔進料罐溫度的選取對深冷系統(tǒng)能耗影響的研究表明，將二號進料分離罐的溫度控制在-72℃時深冷系統(tǒng)的能耗較低，而二號進料罐的溫度對能耗影響較小。因此可以在乙烯制冷系統(tǒng)負荷達到上限無法確保二號進料罐溫度在-72℃時，適當降低其他冷箱的冷量負荷，增加能夠維持二號進料罐溫度在-72℃的冷箱的冷量負荷以降低深冷系統(tǒng)的能耗。

3.3 優(yōu)化結果與參數(shù)對比

通過對上述工藝參數(shù)進行優(yōu)化調整，脫甲烷塔及進料分離罐優(yōu)化前后的操作參數(shù)如表2所示；脫乙烷塔塔釜碳二含量控制由10～60 μg/g提高至150～400 μg/g；乙烯精餾塔優(yōu)化前后的主要操作參數(shù)見表3；壓縮機功率對比見表4；乙烯深冷分離系統(tǒng)綜合能耗對比見表5。

表2 脫甲烷塔及進料分離罐的操作參數(shù)對比

表3 乙烯精餾塔優(yōu)化前后操作參數(shù)對比

表4 制冷系統(tǒng)優(yōu)化前后壓縮機功率對比

4 結論

1）通過對某企業(yè)乙烯裝置深冷系統(tǒng)流程模擬及夾點分析表明，深冷系統(tǒng)的換熱網絡優(yōu)化已難以降低裝置能耗。通過優(yōu)化深冷系統(tǒng)中各精餾塔以及制冷系統(tǒng)操作參數(shù)，優(yōu)化配置各等級冷劑的使用，降低了裝置能耗。

表5 乙烯深冷分離系統(tǒng)優(yōu)化前后綜合能耗對比

2）模擬計算表明，通過對乙烯深冷分離系統(tǒng)主要工藝參數(shù)進行優(yōu)化，制冷壓縮機功率可減少6.64%，深冷系統(tǒng)綜合能耗可降低5.46%，同時可減少高壓甲烷中乙烯損失量。目前已建議企業(yè)逐步對深冷系統(tǒng)相關操作參數(shù)進行優(yōu)化，然而受原有乙烯深冷分離系統(tǒng)裝置及設備等因素的制約，實際優(yōu)化效果仍需要進一步驗證。

3）近年來，國內乙烯裝置降低能耗的措施主要集中在原料優(yōu)化和裂解爐及急冷區(qū)運行優(yōu)化方面，已在較大程度上降低了現(xiàn)有乙烯裝置的綜合能耗。在目前能耗優(yōu)化遇到瓶頸之際，針對深冷分離系統(tǒng)的優(yōu)化研究對乙烯裝置能耗的進一步優(yōu)化具有一定的指導意義。