間歇聚丙烯裝置節(jié)能減排新舉措

趙 亮

(中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅 玉門 735200)

1 工藝簡介

玉門煉化聚丙烯裝置，采用間歇式液相本體法聚合工藝，現(xiàn)有聚合釜8套，產(chǎn)能4萬t/a。閃蒸置換、粉料輸送及尾氣回收流程如圖1所示。聚合反應(yīng)結(jié)束后，聚丙烯粉料與未反應(yīng)的氣相丙烯一起進入閃蒸釜。聚丙烯產(chǎn)品凈化過程在閃蒸釜內(nèi)完成，閃蒸釜內(nèi)的氣相丙烯大部分直接排入氣柜，殘余的氣相丙烯通過氮氣置換和抽真空相結(jié)合的方式去除。產(chǎn)品凈化完成后進入粉料輸送環(huán)節(jié)，粉料輸送使用循環(huán)氮氣作為動力。粉料在管線內(nèi)被氮氣切成柱塞狀，然后輸送至料倉，氮氣經(jīng)壓縮機增壓后循環(huán)使用。閃蒸置換和輸料前首次充壓使用全廠氮氣。

圖1 閃蒸及尾氣回收流程

未反應(yīng)的氣相丙烯和氮氣置換過程中的混合氣，全部進入氣柜。氣柜中丙烯和氮氣的混合氣經(jīng)壓縮冷凝后進入丙烯分液罐。分液罐底部的液相丙烯進入氣體分餾裝置，頂部的氮氣和丙烯的不凝氣進入有機蒸汽膜分離系統(tǒng)。滲透氣中的丙烯氣體進入壓縮機再壓縮循環(huán)，膜分離尾氣直接排入大氣，其中丙烯體積分數(shù)約2%[1]。

2 存在問題

在裝置正常生產(chǎn)過程中，聚丙烯粉料的閃蒸置換及輸送都需要使用氮氣。閃蒸置換時平均充壓 0.2 MPa，抽真空階段的平均真空度 65 kPa，粉料輸送前的首次充壓為 0.3 MPa，閃蒸釜氣相體積為 7 m3，聚丙烯產(chǎn)量按2.5萬t/a計算，聚丙烯裝置氮氣消耗量約40萬m3/年(不包括精制系統(tǒng)再生時的氮氣用量)。近些年，隨著我廠新建裝置及大型機組改造干氣密封以來，全廠氮氣供應(yīng)出現(xiàn)緊張，嚴重時直接影響聚丙烯裝置的正常生產(chǎn)。

膜分離尾氣排放，不僅造成氮氣浪費，同時還增加了丙烯加工損失。由圖1可知，氣柜中的氮氣，經(jīng)壓縮冷凝后，全部通過膜分離尾氣排放。氣柜中的氮氣一部分來自閃蒸接料前的釜內(nèi)殘壓氮氣，另一部分來自閃蒸置換。閃蒸置換時平均充壓以 0.2 MPa 計算，每年膜分離尾氣排放的氮氣量約20萬m3，因膜分離尾氣排放新增的丙烯加工損失約 8 t/a?？紤]膜分離的分離效果逐步變差，尾氣中的丙烯含量上升，尾氣排放導(dǎo)致的加工損失將更高。

3 閃蒸置換優(yōu)化

閃蒸置換的壓力和次數(shù),決定了抽真空過程和膜分離尾氣排放的加工損失。閃蒸置換時的氮氣用量小，則抽真空的加工損失增大，但膜分離尾氣排放的加工損失減小，反之亦然。因此，閃蒸置換壓力與全裝置的丙烯加工損失密切相關(guān)，要使加工損失最低，必須通過優(yōu)化計算找出最佳的閃蒸置換壓力。

3.1 加工損失最低

假設(shè)：大氣壓為P大，真空度為P真，閃蒸置換壓力(表壓)為P，閃蒸置換前壓力為P余，膜分離尾氣中的丙烯體積分數(shù)為z，閃蒸置換時尾氣中的氮氣體積分數(shù)為x，閃蒸單位體積丙烯的可回收量為y。則：

圖2 加工損失最低的操作曲線

3.2 經(jīng)濟效益最優(yōu)

因廠內(nèi)氮氣供應(yīng)緊張，且氮氣成本較高，無法按照圖2中的操作曲線進行實際操作。為提高裝置經(jīng)濟效益，將氮氣成本考慮在內(nèi)重新核算。假設(shè)丙烯的摩爾質(zhì)量為M，標(biāo)準摩爾體積為Vm，丙烯價格為A元/噸，氮氣價格為B元/m3，閃蒸釜單位體積丙烯在置換過程中的經(jīng)濟效益為δ，則：

根據(jù)我廠氮氣結(jié)算價及聚丙烯產(chǎn)品銷售均價計算，閃蒸置換壓力與膜分離尾氣中丙烯體積分數(shù)按圖3中的實線進行操作時，裝置經(jīng)濟效益實現(xiàn)最大化。當(dāng)膜分離尾氣中的丙烯體積分數(shù)為2%時，最佳的閃蒸置換壓力為 0.164 MPa。

圖3 經(jīng)濟效益最優(yōu)的操作曲線

4 膜分離尾氣循環(huán)

閃蒸釜在粉料輸送環(huán)節(jié)使用的氮氣中可燃氣體體積分數(shù)必須小于1.5%，氧體積分數(shù)小于0.5%，但閃蒸釜在置換過程中的氮氣氧體積分數(shù)不超0.5%便可使用。膜分離尾氣中的丙烯體積分數(shù)約為2%，氧體積分數(shù)低于0.5%，壓力在1.0～1.2 MPa 之間。若將膜分離尾氣用做閃蒸置換氣體，可以實現(xiàn)膜分離尾氣循環(huán)利用，不僅減少氣體排放，同時可以緩解我廠氮氣供應(yīng)不足的問題。膜分離尾氣循環(huán)流程如圖4所示，膜分離尾氣由直接排放改進循環(huán)氮氣罐(2)。

圖4 膜分離尾氣循環(huán)流程

當(dāng)循環(huán)氮氣罐(2)壓力高于 0.8 MPa 時，聯(lián)鎖打開儲罐泄壓閥，確保膜分離系統(tǒng)正常運行。閃蒸釜氮氣置換時，關(guān)閉全廠氮氣總閥，直接將循環(huán)氮氣罐(2)的回收氣體引入閃蒸釜，置換結(jié)束后關(guān)閉循環(huán)氮氣罐(2)出口總閥。閃蒸釜在粉料輸送前的首次充壓繼續(xù)使用全廠氮氣，粉料輸送過程使用循環(huán)氮氣罐(1)的氮氣作為動力[3]。

4.1 可行性分析

閃蒸釜接料前釜內(nèi)殘余氣體為氮氣，這部分殘余氮氣在接料過程中排入氣柜，排入量為 10 m3/釜。假設(shè)閃蒸置換次數(shù)無限多，則閃蒸置換過程中的氮氣損失量(損失的氮氣在抽真空過程中直接排入大氣)為 7 m3/釜。因此，將膜分離尾氣回收并用于閃蒸置換氣體后，循環(huán)氮氣罐(2)的進氣量大于排氣量。通過優(yōu)化生產(chǎn)過程，在閃蒸釜接料前進行適量的抽真空，可以保證循環(huán)氮氣罐(2)的進氣量與排氣量相等，閃蒸接料前抽真空也更有利于降低丙烯損失。

膜分離尾氣循環(huán)利用后，膜分離系統(tǒng)的丙烯加工損失將大幅下降，閃蒸置換壓力越高，則抽真空過程的丙烯加工損失越低，通過調(diào)節(jié)閃蒸釜接料前的真空度，實現(xiàn)了循環(huán)氮氣的平衡調(diào)節(jié)。因此，只要尾氣回收系統(tǒng)的處理能力允許，則閃蒸置換壓力可以逐步提高。根據(jù)我廠聚丙烯裝置尾氣回收系統(tǒng)的處理能力，允許氣柜中的氮氣體積分數(shù)約為15%，閃蒸置換壓力可以達到0.3 MPa。

4.2 經(jīng)濟效益

膜分離尾氣實現(xiàn)循環(huán)利用后，只有閃蒸釜粉料輸送前的首次充壓使用全廠氮氣，裝置氮氣消耗量將由40萬m3/年降至25萬m3/年。閃蒸置換壓力由 0.164 MPa 升至 0.3 MPa 后，可減少抽真空環(huán)節(jié)的丙烯損失約 20 t/a，減少膜分離尾氣排放的丙烯加工損失 6 t/a，且粉料輸送過程更安全。

5 總結(jié)

間歇液相本體法聚丙烯工藝的產(chǎn)品牌號單一，裝置加工成本和丙烯加工損失偏高。為提高該類裝置的市場競爭力，從降低氮氣消耗和丙烯加工損失入手，建立了以丙烯加工損失最低和經(jīng)濟效益最優(yōu)兩個方向的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，為指導(dǎo)裝置生產(chǎn)提供依據(jù)。在建模優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了膜分離尾氣循環(huán)利用的改造方案，為持續(xù)降低氮氣消耗和丙烯加工損失拓展思路，在提高同類裝置技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的基礎(chǔ)上，促進安全環(huán)保工作再上新臺階。