淺談稀乙烯制乙苯/苯乙烯裝置綜合產(chǎn)能優(yōu)化

魏林海

(中海油東方石化有限責(zé)任公司,海南 東方 572600)

乙苯(EB)是重要的化工原料,99%作為中間產(chǎn)物用于生產(chǎn)苯乙烯(SM),進(jìn)而生產(chǎn)ABS樹(shù)脂、PS、SAN樹(shù)脂等諸多下游產(chǎn)物。工業(yè)生產(chǎn)中85%的乙苯由乙烯和苯烷基化生成,少部分由C8芳烴分離法、苯/乙醇法等生成。目前國(guó)內(nèi)烷基化反應(yīng)主要有純乙烯制乙苯和稀乙烯制乙苯兩個(gè)分支[1-2]。

近年來(lái),隨著生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,節(jié)能增效逐漸成為化工企業(yè)面臨的一項(xiàng)重要課題。限于煉油裝置的規(guī)模,催化干氣量普遍較低,國(guó)內(nèi)大部分稀乙烯制乙苯裝置的負(fù)荷常年維持在65%左右,嚴(yán)重影響了乙苯/苯乙烯聯(lián)合裝置的綜合效益。本文以東方石化為分析載體,著重分析低負(fù)荷干氣制乙苯/苯乙烯裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀,以及如何通過(guò)調(diào)整優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)綜合產(chǎn)能優(yōu)化,提升經(jīng)濟(jì)效益。

1 低負(fù)荷干氣制乙苯苯乙烯現(xiàn)狀

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

催化裝置產(chǎn)生的干氣中含有體積分?jǐn)?shù)約10%～20%的干氣,該部分干氣通常作為燃料使用,造成乙烯資源的浪費(fèi)。利用催化干氣制乙苯苯乙烯就是一個(gè)合理利用干氣中乙烯的有效途徑。經(jīng)過(guò)烷基化和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng),生成中間產(chǎn)物乙苯和副產(chǎn)物丙苯、烷基化尾氣、高沸物等。經(jīng)過(guò)絕熱脫氫反應(yīng)之后,生成產(chǎn)物苯乙烯和副產(chǎn)物脫氫尾氣、甲苯、丙苯等。

1.2 裝置存在問(wèn)題

干氣受上游裝置影響,大部分干氣制乙苯苯乙烯的設(shè)計(jì)負(fù)荷較低,綜合單位能耗較高。在運(yùn)行過(guò)程中受上游調(diào)整影響,使得低負(fù)荷操作成為常態(tài),這就導(dǎo)致了裝置整體能耗的必然增高。由于負(fù)荷與設(shè)計(jì)工況不符合,按設(shè)計(jì)參數(shù)操作易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和能耗的增加,進(jìn)而影響裝置的整體經(jīng)濟(jì)效益,所以迫切需要對(duì)裝置操作進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2 節(jié)能降耗措施制定

2.1 外購(gòu)中間產(chǎn)品乙苯提升苯乙烯裝置負(fù)荷

國(guó)內(nèi)大部分稀乙烯干氣制乙苯/苯乙烯裝置的負(fù)荷整體偏低,基本維持在6萬(wàn)～12萬(wàn)t/a,裝置整體能耗偏高。況且在生產(chǎn)過(guò)程中,由于上游裝置的影響,裝置負(fù)荷常低于設(shè)計(jì)負(fù)荷,這就導(dǎo)致裝置整體能耗大大增加,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益受損。

以中海油東方石化為例進(jìn)行分析。東方石化干氣制乙苯裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷為12萬(wàn)t/a,裝置設(shè)計(jì)能耗為500 kgEO/tSM。受上游催化裝置限制,裝置負(fù)荷常年維持在70%左右,導(dǎo)致乙苯/苯乙烯裝置整體能耗偏高,能耗常年在550～570 kgEO/tSM之間徘徊。公司考慮外購(gòu)原料來(lái)提升裝置負(fù)荷。提升負(fù)荷可以選擇外購(gòu)乙烯或者中間產(chǎn)品乙苯,考慮到裝置所處地域周?chē)o(wú)煉廠有過(guò)剩干氣,故考慮外購(gòu)中間乙苯的可能性。原料苯、中間產(chǎn)品乙苯、產(chǎn)品苯乙烯的價(jià)格表對(duì)比分析如表1。

表1 原材料價(jià)格對(duì)比

經(jīng)表1對(duì)比可以看出,雖然原料苯、中間乙苯、苯乙烯價(jià)格波動(dòng)幅度較大,但是苯與乙苯、乙苯與苯乙烯的級(jí)間價(jià)格差相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)綜合分析之后發(fā)現(xiàn),負(fù)荷提升帶來(lái)的能耗增加成本低于苯乙烯與乙苯的差價(jià),裝置外購(gòu)中間產(chǎn)品乙苯存在利潤(rùn)空間。

通過(guò)組織罐區(qū)更改現(xiàn)場(chǎng)流程,實(shí)現(xiàn)外購(gòu)乙苯工序,并且制定苯乙烯裝置負(fù)荷調(diào)整措施,最終實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)整。調(diào)整之后乙苯裝置負(fù)荷不變,苯乙烯裝置負(fù)荷提升到92%左右。對(duì)比情況如表2所示。

表2 外購(gòu)乙苯前后對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可以看出,外購(gòu)乙苯提升裝置負(fù)荷后,綜合能耗大幅下降了62 kgEO/tSM,節(jié)能效果顯著。

2.2 燃料氣消耗優(yōu)化

圖1為東方石化各加熱爐燃料氣能耗占比。

圖1 裝置能耗分布

從圖1可以看出,裝置能耗接近50%的消耗為燃料氣;而其中尤其以循環(huán)苯塔重沸爐F-103和蒸汽過(guò)熱爐H-3001消耗量最大。通過(guò)分析對(duì)比,判斷這兩個(gè)爐可優(yōu)化的空間較大,所以針對(duì)這兩個(gè)加熱爐進(jìn)行著重分析。

2.2.1 循環(huán)苯塔加熱爐燃料氣優(yōu)化

通過(guò)要因分析表進(jìn)行逐個(gè)確認(rèn),然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終確認(rèn)循環(huán)苯塔在降溫降壓之后產(chǎn)品依然可以維持優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量,于是對(duì)循環(huán)苯塔進(jìn)行了操作調(diào)整。通過(guò)優(yōu)化循環(huán)苯塔操作,使得加熱爐(F-103)燃料氣消耗量從約1 521.2 Nm3/h降到1 243.7 Nm3/h。燃料氣密度按0.6 kg/m3計(jì)算,每小時(shí)節(jié)約燃料氣166.5 kg,一年運(yùn)行8 000 h,年節(jié)約燃料氣1 332 t。F-103綜合能耗由最初的99.39 kgEO/tSM降到目前的58.26 kgEO/tSM。

2.2.2 蒸汽過(guò)熱爐燃料氣優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)排查分析,確定從提高熱效率和檢查整改加熱爐保溫兩方面來(lái)減少整個(gè)加熱爐的燃料氣用量。通過(guò)調(diào)整氧含量之后蒸汽過(guò)熱爐的熱效率提升如圖2所示。

圖2 蒸汽過(guò)熱爐熱效率提升

調(diào)整、修理爐外壁的保溫,使得爐外壁溫度低于80 ℃,并對(duì)外壁溫度進(jìn)行檢查,最終實(shí)現(xiàn)了效果優(yōu)化。優(yōu)化前后加熱爐燃料氣流量由938 kg/h降至901 kg/h,每小時(shí)節(jié)省燃料氣37 kg,按燃料氣價(jià)格1元/kg,每年可節(jié)省約32萬(wàn)元。

2.3 蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 尾氣壓縮機(jī)蒸汽用量?jī)?yōu)化

脫氫單元的負(fù)壓由尾氣壓縮機(jī)C-3001提供,該壓縮機(jī)采用3.2 MPa(G)蒸汽進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該等級(jí)蒸汽消耗在整個(gè)苯乙烯裝置內(nèi)部占比較高。

尾氣壓縮機(jī)C3001是苯乙烯裝置關(guān)鍵設(shè)備之一,機(jī)組由3.2 MPa蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。3.2 MPa蒸汽設(shè)計(jì)流量12 t/h,汽輪機(jī)入口溫度設(shè)計(jì)380 ℃,正常投用狀態(tài)下汽輪機(jī)入口溫度僅335 ℃,為了防止液相沖擊汽輪機(jī),造成汽輪機(jī)損壞,在蒸汽進(jìn)入汽輪前需要放空至少1.5 t/h才能保證基本的溫度。長(zhǎng)期運(yùn)行造成了蒸汽浪費(fèi),也增加了現(xiàn)場(chǎng)噪聲污染,通過(guò)技改在蒸汽放空管線上新增減溫減壓器Q3101,進(jìn)行蒸汽回收再利用,達(dá)到降本目標(biāo)。回收3.2 MPa蒸汽1.5 t/h,蒸汽單價(jià)按照270元/t計(jì)算,年產(chǎn)生效益:1.5 t/h×8 000 h×270元/t=324萬(wàn)元/a。

2.3.2 乙苯蒸發(fā)器加熱蒸汽用量?jī)?yōu)化

乙苯蒸發(fā)器為脫氫反應(yīng)提供進(jìn)料,殼程采用0.35 MPa(G)蒸汽進(jìn)行加熱。其中乙苯進(jìn)料有罐區(qū)冷乙苯、熱乙苯(乙苯裝置乙苯精餾塔直供)、循環(huán)乙苯(苯乙烯裝置乙苯回收塔供給)三股。裝置開(kāi)工初期由于系統(tǒng)尚未完善:熱乙苯進(jìn)料純度、乙苯蒸發(fā)系統(tǒng)都未完全穩(wěn)定,所以在初期并未投用乙苯蒸發(fā)器熱乙苯進(jìn)料。這在一定程度上增加了乙苯蒸發(fā)器E-3004的加熱蒸汽用量增加了裝置的整體能耗。

裝置剛開(kāi)工期間由于乙苯產(chǎn)品中二乙苯及異丙苯含量不穩(wěn)定,且之前負(fù)荷較低,在乙苯蒸發(fā)器E-3004的三股進(jìn)料:罐區(qū)冷乙苯、循環(huán)乙苯、熱乙苯的配比上未協(xié)調(diào)好,導(dǎo)致熱乙苯在投用的時(shí)候乙苯蒸發(fā)系統(tǒng)波動(dòng)較大,故在開(kāi)工初期并未投用乙苯裝置直供的熱乙苯。裝置緩慢地投用熱乙苯供料,并調(diào)整E-3004液位至最佳液位,保證最好的蒸發(fā)效果,從而減少乙苯蒸發(fā)器E-3004的加熱蒸汽用量。

乙苯蒸發(fā)器利用殼程的蒸汽進(jìn)行加熱,乙苯進(jìn)料的溫度越低,則需要的管程加熱蒸汽消耗量就越大。乙苯蒸發(fā)器包含循環(huán)乙苯、冷乙苯和熱乙苯三股進(jìn)料。熱乙苯為乙苯裝置產(chǎn)生的未經(jīng)冷卻的乙苯中間品。逐步的投用并且增加熱乙苯量的使用,觀察整個(gè)蒸發(fā)器的運(yùn)行狀態(tài)如表3。

表3 熱乙苯投用對(duì)比

通過(guò)表3可以看出,熱乙苯投用之后能夠保證同樣蒸發(fā)效果的前提下減少管程加熱蒸汽的消耗。優(yōu)化前脫氫單元3.2 MPa(G)蒸汽用量為 7 780 kg/h,優(yōu)化后為6 832 kg/h,節(jié)約948 kg/h,年節(jié)約7 584 t。優(yōu)化前脫氫單元E-3004的0.35 MPa(G)加熱蒸汽為3 850 kg/h,優(yōu)化后為3 200 kg/h;節(jié)約650 kg/h,年節(jié)約5200 t。0.35 MPa(G)按120元/t,3.2 MPa(G)按110.14元/t計(jì)算,一年共產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益145.93萬(wàn)。

2.4 浮壓操作降溫降壓

所謂的浮壓操作[3]是指在精餾塔操作控制過(guò)程中不人為改變塔頂?shù)牟僮鲏毫?使塔頂壓力隨著塔頂冷量、進(jìn)料量、進(jìn)料組成等外界干擾因素的變化而隨之改變的一種操作模式。裝置首先選取循環(huán)苯塔進(jìn)行浮壓操作降溫降壓。通過(guò)逐段降低塔頂壓力后,分別采集不同壓力下塔釜加熱量、塔頂回流量、塔頂/側(cè)線含量等進(jìn)行擬合分析,最終確定最優(yōu)的操作參數(shù)。

通過(guò)優(yōu)化循環(huán)苯塔操作,使得加熱爐(F-103)燃料氣消耗量從約1 521.2 Nm3/h降到1 243.7 Nm3/h。年節(jié)約燃料氣1 332 t,年效益113.22萬(wàn)元;F-103綜合能耗由最初的99.39 kg標(biāo)油/tEO降到目前的58.26 kg標(biāo)油/tEO。另外,在解析塔上同樣進(jìn)行試點(diǎn)優(yōu)化后也取得了很好的節(jié)能降耗效果。

2.5 優(yōu)化催化劑使用壽命

干氣制乙苯苯乙烯裝置共包括烷基化反應(yīng)器、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)器、脫氫反應(yīng)器。由于催化劑價(jià)格較高,在裝置運(yùn)行成本中占比較大。故針對(duì)乙苯苯乙烯裝置針對(duì)烷基化、烷基轉(zhuǎn)移、脫氫催化劑分別制定了優(yōu)化壽命使用方案。

首先嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)院及廠商給出的操作指引,禁止出現(xiàn)催化劑失活的現(xiàn)象發(fā)生。另外實(shí)時(shí)關(guān)注轉(zhuǎn)化率、選擇性、關(guān)鍵產(chǎn)物含量等,及時(shí)與設(shè)計(jì)院溝通,在保證反應(yīng)效果的前提下,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)催化劑壽命的延長(zhǎng)。目前以烷基化反應(yīng)器為例,單個(gè)反應(yīng)器使用周期由2年延長(zhǎng)到4年計(jì)算,年節(jié)約催化劑使用成本166.8萬(wàn)元。

3 待實(shí)施節(jié)能增效計(jì)劃

3.1 更換催化劑,降低脫氫水比

乙苯脫氫生成苯乙烯裝置中,脫氫單元的能耗主要在0.25 MPa(G)蒸汽消耗和蒸汽過(guò)熱爐的燃料消耗。脫氫催化劑的負(fù)壓水比一般維持在1.45左右,此時(shí)進(jìn)料蒸汽和蒸汽過(guò)熱爐的蒸汽消耗都比較大。在裝置下個(gè)周期更換低水比型催化劑,預(yù)期能大幅度降低裝置的能耗。

3.2 利用技改,實(shí)現(xiàn)能量回收

對(duì)裝置整體進(jìn)行能源熱量分布調(diào)查,通過(guò)技改項(xiàng)目進(jìn)行余熱回收。例如利用脫氫單元工藝凝液給粗苯乙烯塔進(jìn)行進(jìn)料預(yù)熱節(jié)省能量,給烷基化反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)料加熱等。

4 小結(jié)

通過(guò)利用技術(shù)改造和更改優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的方式,能夠更好地做好裝置的節(jié)能降耗和余熱回收工作,保持乙苯-苯乙烯聯(lián)合裝置在低能耗工況下穩(wěn)定運(yùn)行。