苯乙烯裝置的節(jié)能方案探討

闞 昊，李建韜，于 宸，金熙俊

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

?

苯乙烯裝置的節(jié)能方案探討

闞 昊，李建韜，于 宸，金熙俊

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

摘 要：分析了山東某化工廠6萬t/a苯乙烯裝置的生產(chǎn)現(xiàn)狀， 介紹了Smart工藝和熱泵精餾工藝及其特點，論述了對裝置脫氫工段和精餾工段改造的必要性，對裝置的優(yōu)化方案和優(yōu)化后帶來的效益進(jìn)行了探討。

關(guān) 鍵 詞：苯乙烯； 脫氫； 精餾； 優(yōu)化

作為重要的化工原材料，苯乙烯在合成樹脂、塑料和合成橡膠等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用［1］。全球范圍內(nèi)苯乙烯合成樹脂產(chǎn)量居幾大合成材料產(chǎn)量的第三位。雖然國內(nèi)近幾年增加了苯乙烯產(chǎn)量，緩解了國內(nèi)市場大部分苯乙烯需依靠進(jìn)口的狀況，但每年還仍需大量進(jìn)口苯乙烯。因為產(chǎn)量巨大，苯乙烯的生產(chǎn)工藝改進(jìn)和節(jié)能技術(shù)研究具有一定現(xiàn)實意義。

目前，生產(chǎn)苯乙烯主要工藝方法包括兩種：環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)法和絕熱脫氫法，其中絕熱脫氫法在全球范圍內(nèi)廣泛使用。乙苯脫氫主反應(yīng)為強(qiáng)吸熱、氣體分子量增多的反應(yīng)，為保證主產(chǎn)物苯乙烯具有較高的產(chǎn)率并且抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從反應(yīng)熱力學(xué)角度來講，升高反應(yīng)溫度、維持負(fù)壓條件、使用高效乙苯脫氫催化劑都對主反應(yīng)有利，但苯乙烯的產(chǎn)率仍受反應(yīng)平衡限制［2］。

為提高反應(yīng)正向進(jìn)行程度，國外最新研發(fā)了乙苯脫氫氧化工藝，使部分氫氣產(chǎn)物與氧氣反應(yīng)，此工藝不但解決了反應(yīng)平衡的問題，而且還為乙苯脫氫反應(yīng)提供熱量，具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景［3］。

1 裝置現(xiàn)狀分析

山東某化工廠6萬t/a苯乙烯裝置采用常州瑞華化工工程技術(shù)有限公司開發(fā)的減壓絕熱脫氫工藝和常規(guī)減壓精餾工藝。

1.1 脫氫反應(yīng)單元

圖1 脫氫反應(yīng)單元流程Fig.1 Dehydrogenation reaction unit processes

來自乙苯單元的中間產(chǎn)物乙苯首先與乙苯回收塔釜液泵送來的循環(huán)乙苯混合，再與0.32 MPa蒸汽進(jìn)入乙苯蒸發(fā)器殼程被間接加熱后蒸發(fā)，獲得溫度約95 ℃的乙苯-水蒸氣混合物，然后進(jìn)入過熱器殼程過熱后，再同來自蒸汽過熱爐的過熱蒸汽通過混合器混合后進(jìn)入第一反應(yīng)器?；旌衔镌诘谝环磻?yīng)器中通過催化劑完成主副反應(yīng)。出口物料繼而進(jìn)入中間再熱器與來自蒸汽過熱爐的835 ℃過熱蒸汽換熱，將溫度升高到625 ℃后，進(jìn)入第二反應(yīng)器的催化劑床層，進(jìn)行第二階段絕熱負(fù)壓脫氫反應(yīng)。出口物料再進(jìn)入三聯(lián)換熱器將溫度降至120 ℃后，被導(dǎo)入下游的精餾單元作進(jìn)一步加工（圖1）。

在原有工藝中，由于蒸汽過熱爐受損老化及中間再熱器管路的相關(guān)原因，致使第二反應(yīng)器的入口溫度無法滿足所需，為了實現(xiàn)規(guī)定的全程轉(zhuǎn)化率，必須加大第一反應(yīng)器的負(fù)荷，其結(jié)果是加快了R-301中催化劑失活的速率并且令催化劑無法有效的發(fā)揮作用，進(jìn)而縮短了裝置的運行周期；另外，由于對脫氫尾氣管線的改造，即不利于充分利用系統(tǒng)排放氣，還導(dǎo)致裝置能耗的增加［4］。

1.2 精餾單元

來自脫氫反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)產(chǎn)物通過工藝凝液處理及氣提后進(jìn)入粗苯乙烯塔，粗苯乙烯塔采用高真空低溫精餾工藝。為防止由于苯乙烯聚合而使產(chǎn)率降低，并減少乙苯的單耗，需適當(dāng)?shù)慕档退獪囟?。并且，較低的塔釜溫度還可適當(dāng)提高混合物的相對揮發(fā)度，提高分離效率。粗苯乙烯塔的釜液由釜液泵輸送至精餾單元進(jìn)行一系列加工，獲得本裝置的主產(chǎn)品精苯乙烯和副產(chǎn)品苯和甲苯，并回收未轉(zhuǎn)化的乙苯。

在現(xiàn)有工藝中，乙苯回收塔內(nèi)乙苯和苯乙烯常壓下沸點僅差9 ℃，分離困難。該裝置蒸氣消耗量大，耗能高，對該塔的優(yōu)化和改造具有實際意義。此塔具有復(fù)雜的壓力系統(tǒng)，壓力變化可影響全塔操作的穩(wěn)定性，并且容易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，造成塔壓變化進(jìn)而嚴(yán)重影響塔的正常操作。所以苯乙烯精餾單元也需做出相應(yīng)的改造。

2 節(jié)能改造方案研究

2.1 脫氫單元改造方案

2.1.1 Smart工藝的應(yīng)用

Smart工藝由美國UOP公司和日本三菱油化共同開發(fā)，采用了全新的氧化再熱技術(shù)［5］。該工藝通過對反應(yīng)生成的氫氣進(jìn)行氧化處理，可以改變主反應(yīng)反應(yīng)平衡，提高苯乙烯轉(zhuǎn)化率，降低裝置能耗，提高主反應(yīng)的深度。UOP公司開發(fā)了此工藝中的氫氣選擇性氧化劑，其具有烴損失量少，選擇性高，活性高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。

Smart工藝擁有幾大優(yōu)勢：

（1）在相同選擇性下，乙苯轉(zhuǎn)化率可達(dá)到80%以上；

（2）提高了乙苯轉(zhuǎn)化率，降低循環(huán)乙苯的量，提高裝置生產(chǎn)能力，進(jìn)而降低分離階段的單耗和能耗；

（3）氫氣氧化產(chǎn)生的熱量對從第一段反應(yīng)來的脫氫產(chǎn)物進(jìn)行加熱到滿足第二段反應(yīng)所需的溫度，不再需要中間換熱器和相關(guān)的管線并節(jié)省能量；

（4）原傳統(tǒng)絕熱脫氫裝置改造成Smart工藝容易，投資低。一些關(guān)鍵設(shè)備如蒸汽過熱爐、尾氣壓縮機(jī)只需很小的改造甚至不需要改造［6］。

2.1.2 改造方案

現(xiàn)有工藝可采用兩種不同的氧化再熱方案進(jìn)行改造，都可使產(chǎn)量提高30%左右。

方案一是用氧化反應(yīng)器取代中間再熱器，為分離過程提供所需熱量，并改動蒸汽流程，具體方案如圖2所示。

圖2 SMART制苯乙烯工藝流程Fig.2 SMART for styrene production process

為保證氧氣達(dá)到合適的反應(yīng)溫度，先將加熱蒸汽和工業(yè)風(fēng)進(jìn)行混合后再送入氧化反應(yīng)器中。氫氣的氧化過程可為反應(yīng)物提供所需熱量。并且，為了保持一定的汽烴比，0.32 MPa蒸汽的引入量可以適當(dāng)減少，隨著一系列蒸汽流程的改變，有利于降低過熱爐的熱負(fù)荷。

在余熱回收部分中，如果保持乙苯產(chǎn)量和汽烴比維持穩(wěn)定，則粗苯乙烯塔冷凝器可以保持不變。

對于尾氣回收與系統(tǒng)，由于Smart反應(yīng)器中的氧化反應(yīng)消耗了大量來自脫氫反應(yīng)生成的氫氣，這樣就對脫氫反應(yīng)副產(chǎn)物苯和甲苯的生成起到了抑制作用，降低了尾氣中甲烷和乙烷的含量。但由于引入工業(yè)風(fēng)所含的氮氣會增加尾氣的排放總量，在原有的工藝條件下勢必會對尾氣壓縮機(jī)的負(fù)荷產(chǎn)生影響。盡管實際操作時可通過調(diào)低尾氣壓縮機(jī)出口壓力設(shè)定值，但出口溫度的變化將對粗塔冷凝器的操作產(chǎn)生影響。另一方面，由于尾氣中的烴含量受工業(yè)風(fēng)影響而降低，可以直接送至火炬系統(tǒng)，從而消除了整個反應(yīng)系統(tǒng)受尾氣壓縮機(jī)波動的影響，可一定程度上提高裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

第二種方案是將氧化反應(yīng)部分移到第二脫氫反應(yīng)器中，取消中間再熱器，改造方案如圖3所示。

在此方案中，因為改造后脫氫段和氧化段聯(lián)系較為密切，高溫條件下的無效空間進(jìn)而縮小，并且抑制了一系列副反應(yīng)。但其缺點是需對原有設(shè)備進(jìn)行大量改動，技術(shù)也較前者復(fù)雜。

圖3 內(nèi)置氧化反應(yīng)流程Fig.3 The internal oxidation process

2.2 精餾單元改造方法

熱泵是一種通過外部對系統(tǒng)作功進(jìn)而將溫度較低的低溫位熱源提高到高溫位的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。熱泵由于其工作優(yōu)點和特性，已經(jīng)成為精餾裝置降低能耗和提高生產(chǎn)效率的重要方法［7］。

2.2.1 應(yīng)用條件

熱泵精餾對于具有較低塔壓降且物系常規(guī)分離困難的系統(tǒng)適用性很好，且與普通精餾相比節(jié)能效果顯著。而從經(jīng)濟(jì)角度來看，熱泵精餾在工業(yè)裝置中應(yīng)符合以下幾點：

（1）全塔溫差較小的塔（近沸點混合物）。（2）相對低溫的精餾環(huán)境。

（3）再沸器熱負(fù)荷大于2 MW。

（4）塔頂絕壓不宜過低，至少高于10 kPa。

2.2.2 改造方法

通過對精餾單元5個塔的分析，對比上述4點條件可以得出乙苯回收塔適合進(jìn)行熱泵精餾改造。其原有的工藝條件為塔頂76 ℃、45 kPa（A），塔底117 ℃、60 kPa（A）。

直接蒸汽壓縮式熱泵精餾流程具有熱能回收充分，能量損失少等優(yōu)點，是各類工藝流程中經(jīng)濟(jì)效益最顯著的流程。其流程方案如圖4所示。

從圖中可以看出，為了對乙苯回收塔進(jìn)行改造。我們需要新增壓縮機(jī)、預(yù)熱器和冷凝/再沸器，原流程中的再沸器和凝液罐可以不做改動。

改造是通過壓縮過程提高塔頂蒸汽熱值，為再沸器提供一定熱量，此再沸器又起到冷凝器的作用。因此，整個系統(tǒng)可以大幅度的減少過熱蒸汽和循環(huán)水用量，在節(jié)能降耗方面能起到可觀效果。

圖4 熱泵精餾流程Fig.4 Heat pump distillation process

3 結(jié) 論

通過對以上改造方案的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）綜合對苯乙烯裝置乙苯脫氫單元的分析得出，應(yīng)用Smart工藝改造脫氫反應(yīng)單元完全可行。通過改造不僅可以減少對尾氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的影響，而且更能增加裝置的操作穩(wěn)定性，所以脫氫工段進(jìn)行技術(shù)改造是勢在必行的。

（2）運用熱泵精餾工藝對苯乙烯精餾單元的乙苯回收塔進(jìn)行改造也是可行的，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）改造后，苯乙烯裝置的物耗和能耗被大幅降低。計算結(jié)果表明可以節(jié)省冷卻水60 t/h、節(jié)省中壓蒸汽1.2 t/h、蒸汽過熱爐可以減少熱負(fù)荷2 700 kW，年效益可達(dá)416萬元/a

參考文獻(xiàn)：

［1］繆長喜.國內(nèi)外苯乙烯制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.江蘇化工，2001，29（1）：15-19.

［2］Qin Zhangfeng，Liu Jianguo，Sun Ailing，et a1.Reaction Coupling in the NewProcesses for Producing Styrene from Ethylbenzene［J］.1nd Eng Chem Res，2003，42（7）：1329-l333.

［3］彭建林，乇源平，劉媛娜.乙苯脫氫一氧選擇氧化苯乙烯生產(chǎn)工藝探析［J］.江蘇化工，2004，32（6）：46-48..

［4］范宇東，宋國權(quán)，劉龍.苯乙烯脫氫工段節(jié)能方案研究［J］.遼寧化工，2003，32（9）：390.

［5］黃仲濤，曾昭槐，等.石油化工過程催化作用［M］.北京：中國石化出版社，1995：48-50.

［6］何應(yīng)華.SMART工藝在苯乙烯裝置改造中的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)計，2003，20（3）.

［7］許維秀.熱泵技術(shù)在精餾中的應(yīng)用［J］.節(jié)能與環(huán)保，2005，20（3）.

綜合評述

Discussion on Energy Saving Scheme of Styrene Device

KAN Hao，LI Jian-tao，YU Chen，JIN Xi-jun
（China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation Liaoning Branch，Liaoning Fushun 113006，China）

Abstract:Production status of 60 kt/a styrene unit in a Shandong chemical plant was analyzed； Smart technology and heat pump distillation process and their characteristics were introduced； the necessity of transforming dehydrogenation section and distillation section was discussed as well as optimization scheme of the device.

Key words:Styrene； Dehydrogenation； Distillation； Optimization

中圖分類號：TE 626

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0326-03

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：闞昊（1986-），男，遼寧沈陽人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，目前從事乙苯和苯乙烯裝置設(shè)計和優(yōu)化的研究。E-mail:kanhao@hqcec.com。