尾气精馏系统的不同工艺形式的特点及其操作特性

尾气精馏系统的工艺特点及操作特性分析李智群（中海炼化惠州炼化分公司，广东惠州516084）摘要：尾气精馏系统是乙烯装置深冷分离中重要的工艺系统，其目的是最大程度回收尾气中的乙烯，降低能耗，提高经济效益。文中针对不同尾气精馏系统的工艺特点、操作特性进行了分析和比较，以利于装置的优化操作。关键词：尾气精馏；ARS；分凝分馏器；HRS；分凝分馏塔在乙烯装置中，原料经过裂解反应，急冷初分馏后产生的裂解气要经过系列的精馏设备，才能分别提取出氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、碳四、裂解汽油等关键组分。其中碳一、碳二组分的分离条件最为苛刻。国内大多数乙烯装置采用的前脱丙烷前加氢工艺，由于乙炔组分在进入前冷系统前经过碳二加氢反应器几乎都转化为了乙烯，所以碳一、碳二的分离其实就是甲烷与乙烯的分离［1。以S&W公司的分离前脱氢及高压法脱甲烷工艺为例，裂解气经过前冷进料预冷后分离出几乎所有的氢气和一部分甲烷，该股物料准备进入深冷分离去分离甲烷与氢气。由于前冷预冷的温度最低使用的只是-83°C的乙烯冷剂，因此会夹带9%的乙烯，这些乙烯就需要在尾气精馏系统尽可能脱除，送往脱甲烷塔，将甲烷与乙烯彻底分离。影响脱甲烷塔收率的主要因素是甲烷/氢气比、操作温度和压力。甲烷/氢气比值越大，塔顶尾气乙烯损失越小，乙烯收率越高；相反，比值越小，尾气中的乙烯损失就会更多。所以对于前脱氢（即前冷）流程，进入脱甲烷塔中的氢气已经微乎其微，几乎所有氢气都进入尾气精馏系统，使该系统的甲烷/氢气比值较小，因此尾气精馏系统的甲烷、乙烯分离非常困难，条件更为苛刻。国内目前主要采用的尾气精馏系统工艺形式有：ARS、HRS和分凝分馏塔。这些工艺形式都有着各自的特点，但其原理大致相同。1ARS技术ARS（Advancedrecoverysystem）即先进回收系统。ARS是由美国S&W公司与Mobil公司联合开发的专利，其核心设备是分凝分馏器。分凝分馏器是1个很大的板翅式换热器，其中包含多组通道。不同温度等级的介质由高到低依次自下而上排列。其中重烃按凝点的高低依次在冷壁上形成液膜。液膜受重力作用向下流动，与上升的气流逆向接触进行传质传热，起到了分凝分馏的作用。由于其翅片的面积很大，使气液达到充分接触，从而大大增加了气液分离效果。分凝分馏器的高度为5m,其分馏作用相当于15块理论塔板。中海壳牌乙烯装置在尾气精馏系统应用的就是ARS技术，该分凝分馏器的流程见图1。罐顶气相图1ARS工艺流程工艺特点经过前脱氢后的-82°C、3.4MPa(组分为48%的也，42%CH4，10%的C2)裂解气进入分凝分馏罐，罐顶气相进入分凝分馏器底部进行传质传热。分凝分馏器里参与换热的冷剂分别是氢气回收提纯系统来的高压尾气、低压甲烷/氢，循环甲烷，脱甲烷塔顶甲烷尾气经过膨胀机后的低压尾气，还有-101C的乙烯冷剂。这些冷量在分凝分馏器中共同回收利用，裂解气经过分凝分馏器后向上的气相为几乎不含乙烯的尾气，去氢气回收系统分离甲烷与氢气。向下的液相回到分凝分馏罐，罐里的液相主要为甲烷与C2，其中乙烯组分为55%。操作特性在进料稳定时，ARS工艺的尾气精馏系统的可控变量为裂解气经分凝分馏器的出口温度和分凝分馏罐的罐底采出量。罐底采出量用于调节分凝分馏器的液位，在正常生产中将液位与罐底采出量串级控制，通过罐底采出的多少，将罐液位控制在30%~50%。由于分凝分馏器中的几股冷剂物流中冷量最多的为脱甲烷塔顶尾气经过膨胀机后的低压尾气，所以通过降低膨胀机入口温度来降低膨胀机出口温度，最终降低分凝分馏器原料侧出口温度，出口温度过高，则出口乙烯含量越多，乙烯损失越大。生产中将物料出分凝分馏器的温度控制器分程控制脱甲烷塔顶尾气去进料换热器和不经过换热器的两路的控制阀，不经过换热器的那路阀开的越大膨胀机入口温度就越低，此时冷量回收就越多⑵。该ARS工艺利用分凝分馏器这样高效并带有传质功能，相当于1个塔的作用的换热器将甲烷/氢气与乙烯分离，可以实现较大程度乙烯的回收，同时可以节省很多能量，降低制冷冰机的负荷，但是造价较为昂贵。2HRS技术2002年，S&W公司又提出了ARS工艺的改进工艺—HRS(HeatIntegratedRectifierSystem)。该工艺核心为1个精馏塔，里面有19层塔板，塔板形式多为浮阀塔板。精馏塔顶部为板翅式换热器和回流罐。该工艺相当于用1个精馏塔、板翅式换热器和分离罐代替了ARS工艺的分凝分馏器，原理大致与ARS相同。目前四川石化和惠州炼化的乙烯装置在尾气精馏系统应用的就是HRS技术，工艺流程见图2。7WVWV低压甲烷/氢-1011CC2R高压尾气氢气甲烷循环低压尾气回流罐尾气精谓塔7WVWV低压甲烷/氢-1011CC2R高压尾气氢气甲烷循环低压尾气回流罐尾气精谓塔图2HRS工艺流程工艺特点经过前脱氢后裂解气分为两路进入尾气精馏塔(即HRS里的精馏塔)。第1路大约30%通过流量控制直接进入精馏塔第19层塔板下部。另1路大约70%在压差阀控制下进入精馏塔顶部冷凝器。换热后的气液相混合物进入精馏塔第11层塔板，液化率为32%。通过该路进料预冷更容易使塔顶冷凝器冷凝后的物料出口温度达到-119°C,远低于物料入口温度-102C；同时利用这股进料预冷产生的分馏塔所需的液相物料使该塔的分离效果更好。尾气精馏塔塔顶的物料经过塔顶冷凝器，部分冷凝后混合物进入精馏塔回流罐内。尾气精馏塔回流罐中的液体通过液体溢流线进入精馏塔作为塔的回流，该液体依靠重力作用克服塔与罐之间的压差实现自回流。塔顶冷凝器也为高效的板翅式换热器，冷剂与前面ARS提到的应用的冷剂基本相同［31操作特性在进料稳定下，HRS工艺的尾气精馏系统操作变量为第1进料的流量控制、第2路进料的压差控制和精馏塔塔釜采出量控制。塔釜采出量控制与ARS工艺类似，不再重复。精馏塔的2路进料其实就是气相进料与气液相混合进料，没经过降温的气相进料直接进入精馏塔最底层塔板下处相当于为塔提供了再沸汽提，气液相混合进料利用压差控制等于确保了一定的进料推动力，一般控制压差为45kPa。尾气精馏塔是1个自回流式精馏塔,回流量没有显示控制，因次再沸量决定回流量，且必须保证回流罐的液位。当塔顶冷凝器冷量正常时(即保证了冷剂量，冷剂罐的液位)，主要通过气相进料这路流量来调节其回流量，回流量如果不够，要提高气相进料量。回流罐出口有温度、流量和乙烯含量显示，冷量充足的情况下，若保证了回流量，就可保证塔顶乙烯损失量在设计范围内。如果回流量过大会造成精馏塔“冷塔”操作，塔釜温度降低，导致过多甲烷通过塔釜进入脱甲烷塔，增大了脱甲烷塔的负荷，容易使脱甲烷塔顶的乙烯损失增加［4】。HRS与ARS的分凝分馏器相比：由于分凝分馏器的冷凝液膜向下流动，与上升气相逆向接触，要求的气速较低，从而导致较大的设备尺寸；HRS利用尾气精馏塔，气速上限明显比分凝分馏器的气速上限大，从而使设备尺寸减少，节省投资费用。3分凝分馏塔技术分凝分馏塔技术于2000年获得美国专利，于2001年获得中国专利。其主要由3部分组成，塔上部为板翅式换热器，中部为填料，下部为塔釜。是否需要再沸器根据工艺情况而定。分凝分馏塔上部的换热器拥有特殊结构，可达到既传热又传质的作用，相当于将HRS与ARS工艺的结合。武汉乙烯在尾气精馏系统就采用的是分凝分馏塔塔技术，工艺流程见图3。图3分凝分馏塔工艺流程工艺特点经过前冷的裂解气进入分凝分馏塔塔釜，塔顶组分中的乙烯含量在0.15%以下，塔底分离出的液相去脱甲烷塔。该塔的冷量来自高压液相甲烷节流后成为的-144.3°C冷剂。在3.4MPa的操作压力下，该塔顶温度一般在-121.4C。可以看出分凝分馏塔技术不像前2种技术需要包括-101C乙烯冷剂在内的多股物流作冷剂，其只需要一股甲烷节流作冷剂，大大降低了乙烯机的功耗⑸。操作特性分凝分馏塔的操作变量为塔顶温度和塔釜采出量。塔顶出口气相温度控制与高压甲烷冷剂流量串级，塔釜采出量控制与塔液位串级。该塔没有设再沸器，气相塔釜进料相当于提供了再沸；回流在塔上部的特殊式板翅式换热器中实现，回流量亦无法检测和控制，因此随着进料负荷的变化只需要调整好高压甲烷节流的量，比如顶温高了就加大冷剂的量。分凝分馏塔的操作很显然要比前两种工艺都简单，塔中部为两段填料，明显降低了塔的压差。由于该塔特殊的结构特点，造价也比较昂贵，但对于能量的利用非常高效。4ARS、HRS与分凝分馏塔的技术比较与传统的精馏工艺相比，ARS与分凝分馏塔应用的是较为先进的单元设备，都用到了既传热又传质的板翅式换热器。HRS则是较传统的精馏系统更先进的系统，常规系统中冷剂与精馏塔塔顶换热，所需冷剂级别较高；在HRS中，冷剂与塔顶气相换热后又与部分进料换热，提高了冷量的利用率，而且改善了进料条件。3种不同工艺在相同进料状况下(-82°C、3.4MPa,4000kmol/h,48%的也，42%CH4，10%的C2)的分离效果见表1。表1相同进料状况下3种工艺的比较工艺形式ARSHRS分凝分馏塔顶部气相乙烯含量/%0.250.080.14顶部气相温度/C-120-120-121冷剂主要来源多股尾气多股尾气高压液相甲烷顶部物料流量/(kmoLh-1)332033553459底部物料流量/(kmoLh-1)680645541冷剂的最低温度/C-140.5-140.5-144.3由表1可知，HRS的乙烯损失最少，分凝分馏塔其次，分凝分馏器最多。但是HRS所用的为很多高级别的冷剂，例如甲烷膨胀机过来的低压尾气；而分凝分馏塔只需要高级别的冷剂，膨胀机的冷量就可用于进料预冷，这样提高了冷量的效率又节约了冷量,降低能耗；而且ARS与分凝分馏塔的控制变量单一，比HRS工艺操作简单。5结束语该3种工艺技术在尾气精馏系统的应用已得到同行业的认可，它们各有特点，但都较传统的精馏方式有着提高乙烯收率、降低能耗、降低投资费用的较大优势。在不久的将来，这些技术可以不仅仅使用在尾气精馏系统，在轻烃分离甚至其之外的领域上会有更广阔的应用和发展空间。参考文献：王松汉.乙烯技术与运行[M].北京：中国石化出版社