兩種前脫乙烷MTO分離流程的模擬比較

張 晶，馬 嘯，馬 釗，喬星星，張志剛，段明哲

MTO分離技術(shù)在參考石腦油裂解制烯烴工藝中裂解氣分離工藝的基礎(chǔ)上［10］，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和工業(yè)化，主流工藝有前脫丙烷和前脫乙烷技術(shù)［11-12］，前脫丙烷技術(shù)包括Lummus公司的前脫丙烷后加氫、丙烷洗技術(shù)，KBR公司的前脫丙烷后加氫、混合C3洗技術(shù)，Wison公司的前脫丙烷后加氫、預(yù)切割、油吸收流程；前脫乙烷技術(shù)主要是中國(guó)石化的前脫乙烷后加氫混合C4洗技術(shù)。應(yīng)結(jié)合分離原料特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)備投資、溶劑消耗、乙烯損失量等選擇分離工藝［13］。

本工作采用Aspen Plus模擬軟件對(duì)預(yù)切割-丙烷吸收和丙烷洗兩種前脫乙烷的MTO分離流程進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，同時(shí)對(duì)兩種工藝的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 MTO分離流程的模擬

1.1 原料組成及分離要求

甲醇處理量為100 kt/a的MTO裝置，通過(guò)模擬得到分離氣體產(chǎn)量約為6 000 kg/h，組成見(jiàn)表1。要求經(jīng)過(guò)分離得到純度大于99%（x）的乙烯和純度大于99%（x）的丙烯產(chǎn)品。

表1 MTO分離氣體組成Table 1 Composition of MTO separation gas

1.2 前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收流程

MTO反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)凈化、壓縮后進(jìn)入閃蒸塔，脫除水分后進(jìn)入脫乙烷塔，脫乙烷塔塔頂氣體進(jìn)入脫甲烷塔，塔底液體進(jìn)入高壓脫丙烷塔；采用預(yù)切割-油吸收流程脫甲烷，脫甲烷塔（預(yù)切割塔）塔頂組分進(jìn)入吸收塔，脫甲烷塔塔底液體進(jìn)入乙烯精餾塔得到乙烯產(chǎn)品。塔頂組分與吸收塔塔頂吸收劑逆流接觸脫除乙烯后，得到燃料氣，吸收塔塔底液體返回脫甲烷塔，吸收塔的吸收劑來(lái)自丙烯精餾塔塔底混合C3組分與外加丙烷。脫丙烷塔采用高低壓脫丙烷雙塔流程，丙烯精餾采用雙塔丙烯精餾工藝。

1.3 前脫乙烷-丙烷洗流程

第八條 危改房主體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定的當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度，按照《農(nóng)村危房改造抗震安全基本要求(試行)》(建村〔2011〕115號(hào))采取抗震措施。

除脫甲烷工藝不同外，其余工藝均相同。脫甲烷采用丙烷洗工藝，脫甲烷塔中，塔頂加入丙烷進(jìn)行丙烷洗脫回收乙烯，洗脫丙烷由兩部分組成，一部分來(lái)自丙烯精餾塔塔底的C3組分，另一部分為純丙烷，脫甲烷塔塔頂?shù)玫郊淄闉橹鞯娜剂蠚?，塔底組分進(jìn)入乙烯精餾塔。

2 結(jié)果與討論

2.1 前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收模擬結(jié)果

2.1.1 吸收劑用量的選擇

圖1為吸收劑用量對(duì)燃料氣中乙烯含量、塔釜甲烷含量、乙烯損失率和乙烯產(chǎn)品純度的影響。由圖1可知，隨著吸收劑用量的增加，燃料氣中乙烯含量和脫甲烷塔塔釜甲烷含量均減少，乙烯損失率也減小，但乙烯產(chǎn)品純度卻增加。若考慮乙烯產(chǎn)品純度，則吸收劑用量越多越好，但過(guò)多吸收劑用量會(huì)導(dǎo)致操作費(fèi)用上升。因此，吸收劑用量選擇為950 kg/h，此時(shí)乙烯損失率為0.6%。

2.1.2 進(jìn)料位置的影響

圖1 吸收劑用量對(duì)燃料氣中乙烯含量、塔釜甲烷含量和乙烯損失率、產(chǎn)品乙烯純度的影響Fig.1 Influence of absorbent consumption to C2H4 content of fuel or CH4 content of tower kettle and C2H4 loss fraction content or C2H4 content of product.

圖2 為氣相進(jìn)料位置和液相進(jìn)料位置對(duì)燃料氣中乙烯含量和塔釜甲烷含量的影響。由圖2可知，氣相進(jìn)料位置在第30～35塊塔板之間時(shí)，燃料氣中乙烯含量呈下降趨勢(shì)，塔釜甲烷含量也處在最低值處；隨著液相進(jìn)料位置（塔板數(shù)）的增加，燃料氣中乙烯含量增加，塔釜甲烷含量增加。綜合考慮，氣相進(jìn)料位置選擇第35塊塔板處，液相進(jìn)料位置選擇第9塊塔板處。

綜上所述，對(duì)全流程進(jìn)行優(yōu)化后，乙烯收率可達(dá)99.37%，乙烯純度為99.29%，丙烯收率可達(dá)94.64%，丙烯純度為99.52%。

2.2 前脫乙烷-丙烷洗模擬結(jié)果

2.2.1 吸收劑用量的選擇

圖2 氣相進(jìn)料位置和液相進(jìn)料位置對(duì)燃料氣中乙烯和塔釜甲烷含量的影響Fig.2 Influence of gas feed stage and liquid feed stage to C2H4 content of fuel and CH4 content of tower kettle.

圖3 為吸收劑用量對(duì)乙烯損失率的影響。

圖3 吸收劑用量對(duì)乙烯損失率的影響Fig.3 Influence of absorbent consumption to C2H4 loss fraction.

由圖3可知，隨著吸收劑用量的增加，乙烯損失率呈增加趨勢(shì)。綜合考慮，取吸收劑用量為1 200 kg/h最適宜，此時(shí)，乙烯損失率為3.53%。

2.2.2 脫甲烷塔進(jìn)料位置的選擇

在保持脫甲烷塔理論塔板數(shù)與預(yù)切割-吸收塔總塔板數(shù)一樣的基礎(chǔ)上，通過(guò)靈敏度分析確定進(jìn)料位置。圖4為脫甲烷塔中氣相進(jìn)料位置和循環(huán)物料對(duì)燃料氣中乙烯含量和塔釜甲烷含量的影響。由圖4可知，隨著進(jìn)料位置的增加，燃料氣中乙烯含量和塔釜甲烷含量均先減小后增大，適宜的循環(huán)物料進(jìn)料位置為第31塊塔板處，適宜的氣相進(jìn)料位置為第40～55塊塔板之間，綜合考慮，本工作選擇氣相進(jìn)料位置為第40塊塔板處。

圖4 循環(huán)進(jìn)料位置和氣相進(jìn)料位置對(duì)燃料氣中乙烯含量和塔釜甲烷含量的影響Fig.4 Influence of recycle feed stage gas feed stage to C2H4 content of fuel and CH4 content of demethanizer tower kettle.

除脫甲烷塔、乙烯精餾塔外，其他各塔的操作條件和模擬結(jié)果與前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝流程相似。綜上所述，通過(guò)優(yōu)化后，乙烯收率可達(dá)96.45%，乙烯純度為99.0%，丙烯收率可達(dá)94.64，丙烯純度為99.52%。

2.3 兩種工藝模擬結(jié)果比較

前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝中脫甲烷塔塔頂冷凝器負(fù)荷為-217.7 kW，大于前脫乙烷-丙烷洗工藝中脫甲烷塔塔頂冷凝器負(fù)荷（-133.3 kW），前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝中乙烯損失率比前脫乙烷-丙烷洗工藝乙烯損失率少3%左右［14］。

前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝的優(yōu)點(diǎn)為乙烯損失量較小，且吸收劑用量較少；缺點(diǎn)為塔頂冷凝器負(fù)荷及塔底再沸器負(fù)荷均較大。前脫乙烷-丙烷洗工藝的優(yōu)點(diǎn)為塔頂冷凝器負(fù)荷較小，缺點(diǎn)為吸收劑用量和乙烯損失率較大。

3 結(jié)論

1）通過(guò)Aspen Plus模擬軟件對(duì)MTO分離流程進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，在保證乙烯和丙烯產(chǎn)品純度大于99%的分離要求下，對(duì)前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝，吸收劑用量選擇為950 kg/h最適宜，此時(shí)，乙烯損失率為0.6%；氣相進(jìn)料位置選擇第35塊塔板處，液相進(jìn)料位置選擇第9塊塔板處。

2）對(duì)于前脫乙烷-丙烷洗工藝，吸收劑用量為1 200 kg/h最適宜，此時(shí)，乙烯損失率為3.53%；適宜的循環(huán)物料進(jìn)料位置為第31塊塔板處，適宜的氣相進(jìn)料位置為第40塊塔板處。

3）從提高乙烯收率角度考慮，前脫乙烷-預(yù)切割-丙烷吸收工藝略有優(yōu)勢(shì)，可減少乙烯損失率和吸收劑用量；從降低能耗角度考慮，前脫乙烷-丙烷洗工藝略有優(yōu)勢(shì)，可減少脫甲烷塔冷量消耗。

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