創(chuàng)新芳烴工程設(shè)計開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用

孫麗麗

(中國石化工程建設(shè)有限公司, 北京 100101)

創(chuàng)新芳烴工程設(shè)計開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用

孫麗麗

(中國石化工程建設(shè)有限公司, 北京 100101)

中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)成功組織攻關(guān)并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芳烴成套生產(chǎn)技術(shù)。該成套技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在中國石化海南煉油化工有限公司(簡稱海南煉化)60萬t/a芳烴生產(chǎn)裝置上。其技術(shù)進(jìn)步與工程創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在催化劑和吸附劑性能的提高、新型反應(yīng)及分離工藝的開發(fā)與應(yīng)用、采用組合工藝最大化增產(chǎn)芳烴等方面,而且在節(jié)能降耗、提高本質(zhì)安全和 產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面形成了創(chuàng)新的設(shè)計方法,成為具有更強(qiáng)成本競爭優(yōu)勢的芳烴生產(chǎn)技術(shù)。筆者綜述了芳烴生產(chǎn)的核心工藝技術(shù)和工程設(shè)計的創(chuàng)新開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用的新進(jìn)展。

創(chuàng)新開發(fā);集成設(shè)計;芳烴技術(shù);工業(yè)應(yīng)用

芳烴是有機(jī)化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料,廣泛用于生產(chǎn)合成樹脂、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、增塑劑、染料、醫(yī)藥、香料、農(nóng)藥等[1]。近年來,世界范圍對芳烴特別是對二甲苯的需求量不斷增長,我國對二甲苯(簡稱PX)的進(jìn)口依存度近50%,發(fā)展并創(chuàng)新應(yīng)用芳烴成套技術(shù),打破國外技術(shù)的長期壟斷十分必要。中國石化成功組織攻關(guān)并形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芳烴成套生產(chǎn)技術(shù),涉及的關(guān)鍵性技術(shù)有催化重整、芳烴抽提、甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移、二甲苯異構(gòu)化及芳烴分離等技術(shù)。該成套技術(shù)已成功應(yīng)用于海南煉化60萬t/a芳烴生產(chǎn)裝置上,其技術(shù)進(jìn)步與工程創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在催化劑和吸附劑性能的提高、新型反應(yīng)及分離工藝的開發(fā)與應(yīng)用、采用組合工藝最大化增產(chǎn)芳烴等方面,而且在節(jié)能降耗、提高本質(zhì)安全和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面形成了創(chuàng)新的設(shè)計方法,實現(xiàn)了多項工藝與工程技術(shù)的突破[2-3]。該技術(shù)成為具有更強(qiáng)市場競爭力的芳烴生產(chǎn)技術(shù)。

中國石化在重整、芳烴抽提、甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移、二甲苯異構(gòu)化、芳烴吸附劑等方面已擁有多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專項技術(shù)[4-8]。在本文中,以海南煉化60萬t/a芳烴生產(chǎn)裝置為例,綜述了芳烴生產(chǎn)的典型核心工藝技術(shù)和工程設(shè)計的創(chuàng)新開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用的新進(jìn)展。

1 集成優(yōu)化工藝方案,創(chuàng)新設(shè)計方法

1.1 優(yōu)化原料以滿足芳烴和汽油調(diào)和組分的生產(chǎn)

海南煉化新建芳烴聯(lián)合裝置的原料為重整脫戊烷油和少量外購C8芳烴。重整生成油中的C7和C9、C10芳烴除用作歧化原料外,還有部分需作為高辛烷值汽油調(diào)和組分,以滿足全廠汽油調(diào)和的需要?？紤]甲苯辛烷值高、沸點低,是非常好的汽油調(diào)和組分,且歧化原料中甲苯比例降低,歧化生成油中的C8芳烴比例增加,因此,選用了能夠靈活加工重原料的HAT-099歧化催化劑,為甲苯最大量作為汽油調(diào)和組分創(chuàng)造了條件。

1.2 創(chuàng)新優(yōu)化吸附分離工藝方案

吸附塔4個區(qū)域床層數(shù)和程控閥數(shù)量的確定是實現(xiàn)模擬移動床的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)示范裝置沖洗試驗結(jié)果,掌握了沖洗機(jī)理與規(guī)律,創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)置了4次吸附?jīng)_洗的床層方案。為簡化流程,減少程控閥數(shù)量,創(chuàng)新采用分時沖洗的理念,確定分時沖洗時間和程控閥方案。創(chuàng)新的吸附床層管線布置見圖1。由于床層管線直徑大,相應(yīng)的程控閥和隔斷閥尺寸都需要較大的安裝空間。為便于程控閥的檢維修,吸附塔構(gòu)架采用了錯層布置的結(jié)構(gòu),如圖2所示。

1.3 創(chuàng)新開發(fā)吸附塔內(nèi)構(gòu)件

吸附塔格柵的混合與分配性能直接影響吸附分離效率,是吸附分離的核心工程技術(shù)之一。格柵在支撐吸附劑的同時,將吸附塔各床層區(qū)隔開,其作用是通過格柵分時、平穩(wěn)地將進(jìn)料和解吸劑引入吸附塔時,在格柵中與上吸附床層下流的液體混合均勻,并分時、平穩(wěn)地將抽出液和抽余液從吸附塔內(nèi)引出,實現(xiàn)模擬移動床的工藝目標(biāo)。其技術(shù)難點在于,格柵需在極小的高度空間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的工藝性能要求,需確保其流體的穩(wěn)定性不影響上床層的流體流動狀態(tài)。采用計算流體力學(xué)方法對吸附分離格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱態(tài)性能研究和塔內(nèi)分配管系結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,掌握了流體在格柵中的流動規(guī)律。通過對不同結(jié)構(gòu)的格柵的混合均勻性研究,篩選出混合與分配綜合性能最佳的格柵結(jié)構(gòu)。不同格柵結(jié)構(gòu)的分布均勻性研究示意圖見圖3。

圖1 創(chuàng)新的吸附床層管線布置

圖2 吸附塔構(gòu)架錯層布置圖

從標(biāo)定結(jié)果看,PX純度和收率均實現(xiàn)了攻關(guān)目標(biāo),說明吸附塔內(nèi)構(gòu)件大型化的研發(fā)是成功的,驗證了CFD模型的準(zhǔn)確性。通過創(chuàng)新開發(fā),已經(jīng)獲得了兩項專利授權(quán)[9-10],為芳烴成套技術(shù)開發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。

圖3 格柵的分布均勻性研究示意圖

1.4 創(chuàng)新大型設(shè)備及內(nèi)件的機(jī)械設(shè)計

通過創(chuàng)新應(yīng)用應(yīng)力應(yīng)變計算方法對格柵整體強(qiáng)度和撓度計算,建立三維實體模型,確定主要承載元件、合理的邊界條件和載荷分布,以最終確定格柵尺寸。綜合考慮大型格柵的實用性、經(jīng)濟(jì)性和便于批量生產(chǎn),焊接條形篩網(wǎng)采用不銹鋼材料,其余零、部件采用碳鋼,并作表面防銹處理。焊接條形篩網(wǎng)與邊框采用非焊接的夾持結(jié)構(gòu),以克服膨脹差的影響[11]。格柵的制造工序繁雜,質(zhì)量要求高,制造過程中解決了焊接變形、表面處理、篩網(wǎng)保護(hù)等一系列難題,各工序質(zhì)量控制良好。格柵膨脹試驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)合理,設(shè)備可靠。圖4為格柵的檢驗及安裝照片。

圖4 中間格柵的檢驗及安裝

1.5 創(chuàng)新開發(fā)模擬移動床控制系統(tǒng)

模擬移動床控制系統(tǒng)的主要功能包括控制進(jìn)料分配系統(tǒng)的程控閥開關(guān)步序、根據(jù)區(qū)域變換控制吸附分離循環(huán)流量變換、程控閥容錯、控制吸附塔壓力平穩(wěn)操作等。為了實現(xiàn)模擬移動床的功能,其控制工況繁多、掃描時間快速、聯(lián)鎖邏輯復(fù)雜,常規(guī)DCS控制系統(tǒng)無論從硬件還是軟件上都難以滿足要求。通過對專有控制系統(tǒng)的開發(fā),采用基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計,建立了邏輯床層與物理床層匹配的對象模型,將復(fù)雜過程控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)完全整合在一起,實現(xiàn)了復(fù)雜過程控制與故障安全型控制系統(tǒng)的一體化高度集成。程序正常運(yùn)行時,修改的參數(shù)在下一步進(jìn)(80s左右)即可生效,時間關(guān)聯(lián)參數(shù)的調(diào)整速度快,提高了裝置操作調(diào)整的效率。

該系統(tǒng)設(shè)置了“程控閥故障智能判斷功能”等先進(jìn)的控制策略,減小了吸附塔的塔壓波動,滿足了調(diào)節(jié)閥在各流量區(qū)域的精確、平穩(wěn)控制的要求。該控制系統(tǒng)自2013年12月投用以來一直運(yùn)行穩(wěn)定。CPU運(yùn)行指標(biāo)表明,面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想大幅優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu),有效降低了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷,保證了程序中的時間循環(huán)精度,方便了程序維護(hù)和升級。

1.6 創(chuàng)新設(shè)計芳烴聯(lián)合裝置低溫?zé)崂?/p>

傳統(tǒng)的芳烴聯(lián)合裝置能耗高,其主要原因是工藝流程長、分餾塔數(shù)目多、塔頂冷凝低溫?zé)崃慷唷Ｆ渲?抽余液、抽出液塔頂?shù)牡蜏責(zé)崾墙档头紵N聯(lián)合裝置能耗的重要目標(biāo)。由于大部分低溫?zé)岬臏匚粸檩^低的90～160℃,難以在裝置內(nèi)部得到充分利用,基本都采用空氣冷卻器和水冷卻器進(jìn)行冷卻。常規(guī)的解決辦法是配合工廠的低溫?zé)崂谜w規(guī)劃,采用除鹽水或除氧水作為循環(huán)熱媒,回收利用裝置低溫?zé)崃?用于熱水伴熱、罐區(qū)維溫、生活用熱等方面。這些常規(guī)方法回收低溫?zé)嵊邢?并且受季節(jié)變化影響,低溫?zé)岬睦眯Ч患?。另?異構(gòu)化催化劑及吸附劑對水含量有嚴(yán)格的限制,無論是采用發(fā)生低壓蒸汽還是熱水回收,當(dāng)換熱器一旦泄漏時,都可能導(dǎo)致異構(gòu)化催化劑和吸附劑損壞,需開發(fā)特殊技術(shù)措施預(yù)防。

為控制低溫?zé)崂玫娘L(fēng)險,對抽余液和抽出液塔頂蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計,形成了特殊的結(jié)構(gòu)型式,設(shè)置特殊的油中水檢測系統(tǒng)等安全措施。在生產(chǎn)中,即使管束發(fā)生泄漏,殼程介質(zhì)將不會直接泄漏到管程介質(zhì)中。低溫?zé)崂玫呐涔懿贾靡妶D5。

圖5 低溫?zé)崂玫呐涔懿贾?/p>

為更好地利用低溫?zé)?通過適當(dāng)提高抽余液塔和抽出液塔的操作壓力,使塔頂溫度升高至195～200℃,能夠滿足發(fā)生0.5 MPa蒸汽的溫位要求。甲

苯塔頂冷凝熱除作為苯塔重沸器熱源外,多余部分也用來發(fā)生0.5 MPa蒸汽。發(fā)生的蒸汽經(jīng)二甲苯塔重沸爐對流段進(jìn)行過熱,少部分用作歧化循環(huán)氫壓縮機(jī)透平的驅(qū)動蒸汽和除氧器除氧,其余的均作為動力源發(fā)電。裝置0.5 MPa蒸汽平衡數(shù)據(jù)和低溫?zé)峄厥盏募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別在表1和表2中列出。從表2可以看出,低溫發(fā)電凈輸出電量為15401 kW,用于低溫發(fā)電的總投資約為17102萬RMB,年發(fā)電凈效益8894萬RMB,發(fā)電系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期1.92a,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 裝置0.5 MPa蒸汽平衡數(shù)據(jù)

表2 低溫?zé)峄厥盏募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1) 以含稅電價0.7 RMB/(kW·h)計

1.7 創(chuàng)新二甲苯塔重沸爐設(shè)計方法

在海南煉化60萬t/a芳烴項目中,二甲苯塔重沸爐設(shè)計熱負(fù)荷約為180 MW,同規(guī)模的二甲苯塔重沸爐常規(guī)設(shè)計采用2臺并聯(lián)加熱爐,占地面積大,爐體散熱大,燃料消耗高。為克服這些弱點,對采用單臺加熱爐進(jìn)行了系統(tǒng)的集成創(chuàng)新設(shè)計研究,確立了采用方箱式立管立式加熱爐,并確立了管程數(shù)和傳熱單元的型式。每個輻射盤管單元確立為相對獨(dú)立的傳熱體,單元內(nèi)部幾何對稱布置管程和燃燒器,以確保傳熱的均勻性。對流段按完全不規(guī)則插排布置,在滿足各個管程出口溫度相近的前提下,減少了大型加熱爐的對流室寬度。該創(chuàng)新設(shè)計方案充分利用了爐膛中部空間,減小了加熱爐幾何尺寸,為大型加熱爐鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支撐。圖6為創(chuàng)新設(shè)計的二甲苯塔重沸爐模型。

對大型爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計方法研究,充分利用壁板作用,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新,提高結(jié)構(gòu)安全性。主體鋼結(jié)構(gòu)降低用鋼量20.4%,大幅節(jié)省了投資。對大型管板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,使得優(yōu)化后的大型管板工作狀態(tài)下應(yīng)力分布更合理,提高了大型管板的安全可靠性和承載性能。工業(yè)實踐驗證了模擬管板邊界條件的合理性及有限元分析結(jié)果的可靠性,為今后大型管板設(shè)計開發(fā)提供了借鑒。

圖6 創(chuàng)新設(shè)計的二甲苯塔重沸爐模型

1.8 創(chuàng)新設(shè)計煙氣余熱回收系統(tǒng)

采用兩段式空氣預(yù)熱器。低溫段預(yù)熱器采用中國石化工程建設(shè)有限公司開發(fā)的專利產(chǎn)品“耐煙氣低溫腐蝕的高效空氣預(yù)熱器”[12],設(shè)計工況下排煙溫度低于95℃;同時優(yōu)化襯里結(jié)構(gòu),采用中國石化工程建設(shè)有限公司開發(fā)的發(fā)明專利產(chǎn)品“節(jié)能隔熱襯里材料”[13],進(jìn)一步降低加熱爐外壁溫度,減少爐體散熱損失。爐效率由常規(guī)的92%提高到94%,燃料可節(jié)省358 kg/h,能耗可節(jié)省4.4 kg標(biāo)油/t PX。

2 工業(yè)應(yīng)用結(jié)果

海南煉化60萬t/a芳烴生產(chǎn)項目包括抽提蒸餾、歧化和苯-甲苯分餾、二甲苯分餾、吸附分離、異構(gòu)化及與之配套的公用工程。該項目首次集成優(yōu)化并采用中國石化自主芳烴成套技術(shù),其工藝簡圖見圖7。

圖7 芳烴生產(chǎn)工藝簡圖

本項目中的原料由來自重整裝置的C6+重整生成油和外購混合二甲苯組成。根據(jù)原料組成、吸附劑和催化劑性能,并兼顧生產(chǎn)高辛烷值汽油組分等因素綜合確定各生產(chǎn)裝置的規(guī)模,詳見表3。

表3 海南煉化60萬t/a芳烴生產(chǎn)項目各生產(chǎn)裝置的規(guī)模

聯(lián)合裝置分別采用中國石化石油化工科學(xué)研究院開發(fā)的RAX-3000吸附劑和RIC-200異構(gòu)化催化劑及中國石化上海石油化工研究院開發(fā)的HAT-099甲苯歧化和烷基轉(zhuǎn)移催化劑。除部分大流量高溫泵、回收塔抽真空泵、高通量換熱管、部分加熱爐火嘴及關(guān)鍵儀表引進(jìn)外,其它所有設(shè)備全部國產(chǎn)化,國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上。該裝置自2013年12月15日生產(chǎn)出合格芳烴產(chǎn)品以來,運(yùn)行平穩(wěn)。標(biāo)定結(jié)果表明,對二甲苯回收率達(dá)98%、純度達(dá)99.8%,解吸劑/進(jìn)料質(zhì)量比為1.07。其生產(chǎn)的對二甲苯、鄰二甲苯、苯等主要產(chǎn)品全部達(dá)到優(yōu)級品質(zhì)量指標(biāo),創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4為裝置的設(shè)計能耗與標(biāo)定能耗對比。從表4可看出,其裝置的設(shè)計能耗為13.95×106kJ/t PX,較同類裝置降低19%。而裝置的標(biāo)定能耗僅為12.3×106kJ/t PX,低于同類裝置約29.2%。工業(yè)實踐證明,集成應(yīng)用自主創(chuàng)新的芳烴成套技術(shù)和能量利用創(chuàng)新設(shè)計思路既為芳烴生產(chǎn)開辟了新的生產(chǎn)方法,也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 海南煉化60萬t/a芳烴生產(chǎn)裝置的設(shè)計能耗與標(biāo)定能耗對比

3 結(jié) 論

中國石化組織科研、設(shè)計和生產(chǎn)的聯(lián)合團(tuán)隊,對吸附塔格柵和模擬移動床控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點技術(shù)攻關(guān),有機(jī)集成了工藝和工程技術(shù)創(chuàng)新,形成了具有流程優(yōu)化、能耗低、知識產(chǎn)權(quán)完全自主的芳烴成套生產(chǎn)技術(shù),主要包括以下5點。

(1) 創(chuàng)新優(yōu)化吸附分離工藝方案,采用分時沖洗的理念,確定分時沖洗時間和程控閥方案,優(yōu)化設(shè)置了4次吸附?jīng)_洗的床層方案,有利于提高產(chǎn)品純度和吸附分離效率。

(2) 采用計算流體力學(xué)方法進(jìn)行了吸附分離裝置格柵結(jié)構(gòu)放大熱態(tài)性能研究和塔內(nèi)管系結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,掌握了吸附塔內(nèi)件的設(shè)計方法和壓降控制規(guī)律,填補(bǔ)了國內(nèi)空白;建立格柵三維實體機(jī)械工程計算模型,制定了大型格柵制造要求和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)了特殊格柵結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量制造,為PX成套技術(shù)攻關(guān)項目提供了重要的技術(shù)支撐。

(3) 開發(fā)模擬移動床控制系統(tǒng),實現(xiàn)了吸附塔程序控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化及大型化裝置的成功應(yīng)用,建立了邏輯床層與物理床層匹配的對象模型,實現(xiàn)了冗余容錯過程控制與故障安全型控制系統(tǒng)一體化高度集成的解決方案,通過開發(fā)“程控閥故障智能判斷功能”減小了塔壓波動及其對產(chǎn)品收率和純度的影響。

(4) 創(chuàng)新優(yōu)化全裝置工藝方案及流程,采用熱聯(lián)合及低溫?zé)崂眉夹g(shù),大幅降低裝置能耗,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(5) 超大型二甲苯塔重沸爐等重大裝備的開發(fā)與成功應(yīng)用為自主芳烴成套技術(shù)的大型化提供重要的工程支撐。

中國石化芳烴成套技術(shù)的開發(fā)和成功應(yīng)用,打破了國外公司在全球的長期壟斷局面,中國石化成為全球第3個具有完全知識產(chǎn)權(quán)的大型化芳烴生產(chǎn)技術(shù)專利商,并將進(jìn)一步促進(jìn)我國芳烴產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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Innovation on Engineering Design and Industrial Application of Complete Set of Aromatic Technology

SUN Lili

(SINOPECEngineeringIncorporation,Beijing100101,China)

SINOPEC has successfully developed and owned the independent intellectual property rights for complete set of aromatic technology, which had been commercialized on the 600 kt/a aromatics complex in Hainan refinery, SINOPEC. Technology progresses and engineering innovation included not only the improvement of catalyst and adsorbent performance, the development and application of new reaction and separation process, the use of combined process to maximize aromatics production etc., but also the innovative design method of reducing energy consumption and production cost and enhancing essential safety and product quality. This aromatic technology was more competitive with these technology progresses and engineering innovation. The progress of key process technology, engineering innovation and the industrial application of aromatics production were summarized.

innovation and development;integrated design;aromatic technology;industrial application

2015-01-10

孫麗麗，女，教授級高級工程師，現(xiàn)從事石油化工工程設(shè)計與管理；Tel：010-84876010； E-mail：sunlili@sei.com.cn

1001-8719(2015)02-0244-06

TE624; TB21

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.004