吳邊華 王玉楓

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

苯乙烯是一種重要的化工原料，主要用來(lái)生產(chǎn)聚苯乙烯(PS)、丁苯橡膠(SBR)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹(shù)脂(ABS)、苯乙烯-丙烯腈樹(shù)脂(SAN)和不飽和樹(shù)脂等，其產(chǎn)量?jī)H次于聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PCV)、環(huán)氧乙烷(EO)，為第四大乙烯衍生產(chǎn)品[1]。

當(dāng)苯乙烯市場(chǎng)需求量增大時(shí)，裝置往往需要進(jìn)行擴(kuò)能。在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上，盡可能少地改動(dòng)設(shè)備，利用原有設(shè)備的設(shè)計(jì)余量，通過(guò)提高裝置運(yùn)行效率增加苯乙烯產(chǎn)量，是一個(gè)非常有意義的研究方向。文章以某廠120 kt/a苯乙烯裝置擴(kuò)能項(xiàng)目為例，探索優(yōu)化工藝流程，更換或改造部分設(shè)備，達(dá)到產(chǎn)能提升的方案。本次擴(kuò)能的目標(biāo)是達(dá)到原產(chǎn)量的120%。

該裝置采用的是由中國(guó)石化自主研發(fā)的具有中間換熱器的兩級(jí)負(fù)壓絕熱脫氫制苯乙烯的工藝技術(shù)，裝置分為脫氫反應(yīng)及后處理和精餾分離兩部分。其中，精餾分離部分已由該廠苯乙烯車間完成了分離系統(tǒng)高負(fù)荷試驗(yàn)，通過(guò)積攢脫氫液，測(cè)試了分離系統(tǒng)在超負(fù)荷條件下的實(shí)際運(yùn)行情況。結(jié)果表明，精餾分離系統(tǒng)的各塔利用自身的設(shè)計(jì)余量，能夠滿足120%生產(chǎn)負(fù)荷的需要，得到純度符合要求的產(chǎn)品和副產(chǎn)品。而脫氫反應(yīng)及后處理部分的反應(yīng)器、蒸汽過(guò)熱爐、主冷凝器和尾氣壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行能力是本次擴(kuò)能改造的瓶頸所在。

1 苯乙烯裝置反應(yīng)部分的流程

苯乙烯裝置反應(yīng)部分的典型流程見(jiàn)圖1[2]。

圖1 苯乙烯裝置反應(yīng)部分典型流程

乙苯脫氫反應(yīng)中需要加入大量過(guò)熱蒸汽作為脫氫介質(zhì)，擴(kuò)能后過(guò)熱蒸汽的消耗量也相應(yīng)增加，不僅增加了各設(shè)備的處理量，還大幅增加能耗。因此減少過(guò)熱蒸汽的耗量是擴(kuò)能改造的第一個(gè)突破口，而減少蒸汽耗量的關(guān)鍵又在于降低脫氫反應(yīng)的水比。近年來(lái)，中國(guó)石油化工股份有限公司上海石油化工研究院一直在進(jìn)行低水比催化劑的研發(fā)[3]，取得了一系列的成果，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

目前，該廠苯乙烯裝置實(shí)際運(yùn)行的水比為1.38，如果繼續(xù)按此水比進(jìn)行擴(kuò)能，反應(yīng)器及后續(xù)熱量回收、冷凝冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)余量都不能滿足擴(kuò)能需求。為減少反應(yīng)器和各相關(guān)設(shè)備的處理量，本次改造考慮使用最新型的低水比催化劑，將反應(yīng)水比降低至1.0。水比降低，擴(kuò)能后的主蒸汽耗量?jī)H為擴(kuò)能前的87%，進(jìn)入反應(yīng)器的乙苯和蒸汽總量也僅為擴(kuò)能前的1.008倍，因此，蒸汽過(guò)熱爐、反應(yīng)器、大部分的換熱器及其他設(shè)備都可以利用自身的設(shè)計(jì)余量，滿足擴(kuò)能的需求。

按此方案對(duì)擴(kuò)能后的每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行核算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的乙苯蒸發(fā)器、主冷凝器和尾氣壓縮機(jī)無(wú)法滿足擴(kuò)能后的生產(chǎn)要求，需要進(jìn)行更換或改造。

2 主要改造設(shè)備

2.1 乙苯蒸發(fā)器改造

乙苯蒸發(fā)器通過(guò)蒸汽加熱蒸發(fā)出的乙苯和水的混和物，作為乙苯/苯乙烯塔塔頂冷凝器的補(bǔ)充，與經(jīng)蒸汽過(guò)熱爐加熱后的過(guò)熱蒸汽混合后進(jìn)入脫氫反應(yīng)器?，F(xiàn)有裝置乙苯蒸發(fā)器為共沸型蒸發(fā)器，乙苯和水按約2∶1的恒定比例蒸出。若苯乙烯產(chǎn)量擴(kuò)能20%，則乙苯的供給量相應(yīng)增加。如果繼續(xù)采用這種共沸形式的蒸發(fā)器，則水蒸氣的量也會(huì)等比例增加。乙苯蒸發(fā)器共沸側(cè)的操作壓力為98 kPa(絕對(duì)壓力)，操作溫度為90.7 ℃，蒸出水蒸氣的溫位較低。而乙苯脫氫反應(yīng)溫度為620 ℃左右，如果要滿足反應(yīng)溫度的要求，就需要補(bǔ)充大量的過(guò)熱蒸汽，不能實(shí)現(xiàn)在低水比的條件下反應(yīng)。

為解決這一問(wèn)題，考慮將乙苯蒸發(fā)器的形式改為蒸汽配汽的釜式蒸發(fā)器。在釜式蒸發(fā)器中，可以按照需要來(lái)配比乙苯和蒸汽的量，降低蒸發(fā)乙苯中的含水量，不足的蒸汽量由蒸汽過(guò)熱爐出來(lái)的過(guò)熱蒸汽補(bǔ)充。這樣，不僅可以讓脫氫反應(yīng)器在較低水比的條件下運(yùn)行，減少擴(kuò)能后反應(yīng)器投料量的增加，還可以降低能耗。

更新后的釜式乙苯蒸發(fā)器使用0.35 MPa蒸汽加熱，核算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 乙苯蒸發(fā)器核算

2.2 主冷凝器改造

現(xiàn)有主冷凝器的形式為空冷器，其換熱效果在一定程度上會(huì)受到環(huán)境溫度的影響。根據(jù)生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)反饋，目前夏季時(shí)空冷器的換熱能力已經(jīng)受限，出口溫度偏高。如果擴(kuò)能，空冷器的處理量進(jìn)一步增大，出口溫度也將進(jìn)一步提高，影響后續(xù)設(shè)備的運(yùn)行效果及產(chǎn)品質(zhì)量。為解決這一問(wèn)題，考慮了增設(shè)空冷器和并聯(lián)水冷器兩個(gè)方案。

(1)增設(shè)空冷器

根據(jù)裝置現(xiàn)場(chǎng)布置的實(shí)際情況，空間上仍有富余，可以在現(xiàn)有空冷器的末端增加4組并聯(lián)的翅片管，預(yù)計(jì)可增加10%的換熱面積，來(lái)滿足擴(kuò)能需求。換熱量不足部分，考慮由新增尾氣壓縮機(jī)入口深冷器來(lái)承擔(dān)。

(2)并聯(lián)水冷器

在現(xiàn)有空冷器旁并聯(lián)一臺(tái)水冷器，分擔(dān)擴(kuò)能后25%～30%的熱負(fù)荷，新增水冷器可以和原有后冷器串聯(lián)用水。因?yàn)槟壳昂罄淦魇褂醚h(huán)水冷卻的實(shí)際出水溫度為36 ℃，低于循環(huán)水場(chǎng)入口的42 ℃，這6 K的溫差可以利用。水冷器與原后冷器串聯(lián)用水，循環(huán)水進(jìn)水溫度為36 ℃，出水溫度為42 ℃，充分利用循環(huán)水溫差，基本不增加循環(huán)水消耗，降低能耗。

(3)方案比較

對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主冷凝器擴(kuò)能方案比較

顯然，并聯(lián)水冷器的方案更具有優(yōu)勢(shì)。

按照并聯(lián)水冷器的方案，對(duì)與空冷器并聯(lián)的水冷器進(jìn)行核算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水冷器核算

2.3 增設(shè)尾氣壓縮機(jī)入口深冷器

苯乙烯裝置的尾氣壓縮機(jī)為螺桿式壓縮機(jī)，能力受限于入口氣體的體積流量。擴(kuò)能后，脫氫尾氣的量大幅增加，超出原有壓縮機(jī)的操作負(fù)荷范圍。為解決這一問(wèn)題，擬增設(shè)一臺(tái)深冷器，降低壓縮機(jī)入口尾氣的溫度，減小進(jìn)入壓縮機(jī)氣體的體積流量。

原工藝流程中，壓縮機(jī)入口尾氣的溫度為38 ℃，體積流量為22 586 m3/h。增設(shè)深冷器后，擬將壓縮機(jī)入口脫氫尾氣的溫度進(jìn)一步降低至20 ℃，使得氣體體積流量降低至壓縮機(jī)運(yùn)行能力范圍內(nèi)，達(dá)到尾氣壓縮機(jī)維持不變的目的。尾氣壓縮機(jī)入口深冷器的核算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 深冷器核算

擴(kuò)能后，尾氣壓縮機(jī)入口的體積流量為19 612 m3/h，約為擴(kuò)能前的86%，原尾氣壓縮機(jī)可以繼續(xù)使用。

3 擴(kuò)能改造效果分析

本次擴(kuò)能改造后的工藝流程見(jiàn)圖2。改造主要涉及以下內(nèi)容：(1)擴(kuò)能后采用水比為1.0的高性能催化劑；(2)更換乙苯蒸發(fā)器的形式，減少蒸出乙苯中的含水量；(3)在空冷器處并聯(lián)一臺(tái)水冷器，降低空冷器的出口溫度；(4)在尾氣壓縮機(jī)入口處增設(shè)一臺(tái)深冷器，減少進(jìn)入壓縮機(jī)氣體的體積流量。

圖2 擴(kuò)能改造后的工藝流程

經(jīng)過(guò)這些改造，再加上裝置原有設(shè)備的設(shè)計(jì)余量，能夠?qū)崿F(xiàn)在原產(chǎn)能基礎(chǔ)上擴(kuò)能120%的目標(biāo)。另外，由于水比的降低，進(jìn)入反應(yīng)器的蒸汽耗量為擴(kuò)能前的87%，能耗也大幅降低。

4 結(jié)語(yǔ)

低水比擴(kuò)能改造方案可以通過(guò)優(yōu)化工藝流程，改造或新增部分設(shè)備，實(shí)現(xiàn)裝置產(chǎn)能的提升。由于催化劑的限制，目前國(guó)內(nèi)正在運(yùn)行的苯乙烯裝置大多水比偏高，意味著蒸汽耗量大和能耗高。隨著低水比催化劑的研發(fā)不斷取得進(jìn)展，高性能催化劑的工業(yè)應(yīng)用越來(lái)越成熟，這為苯乙烯裝置能耗的降低提供了良好的契機(jī)。

此次擴(kuò)能形成的低水比改造方案，可用于同類原設(shè)計(jì)水比較高的苯乙烯裝置，既可達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)也可提高產(chǎn)能至120%左右，應(yīng)用前景廣泛。