穩(wěn)定塔精餾工藝優(yōu)化模擬與生產(chǎn)應(yīng)用研究

武憲梅

(中原油田天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

中原油田天然氣處理廠丁烷廠進(jìn)行輕烴深加工生產(chǎn)正丁烷、異丁烷和高純異丁烷產(chǎn)品。其中高純異丁烷，由異丁烷塔底產(chǎn)出的99.95%以上的異丁烷，經(jīng)過3A分子篩和13X分子篩兩級脫水塔串聯(lián)處理，脫除雜質(zhì)后得到，含水為6mg/L以下，H2S、CO2含量均控制在1 mg/L以下，可作為標(biāo)準(zhǔn)氣體使用[1-3]。

1 存在問題和解決思路

根據(jù)長期的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，發(fā)現(xiàn)異丁烷塔后的3A分子篩使用壽命比設(shè)計(jì)使用壽命下降近50%。分子篩床層的提前穿透說明相關(guān)工藝介質(zhì)的水含量升高了。

對高純異丁烷生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析，如圖1所示。脫丙烷塔底物料與穩(wěn)定塔底物料匯合后，組成混合丁烷原料進(jìn)入脫丁烷塔分離出塔頂氣相物料，經(jīng)異丁烷塔進(jìn)一步提純除去微量的C4-組分，得到高純異丁烷。其中脫丙烷塔上游流程設(shè)有脫水單元，因此脫丙烷塔底物料水含量不會升高。而穩(wěn)定塔底物料中水含量存在升高的可能。

穩(wěn)定塔用于對原料天然氣三級壓縮、冷卻過程中分離出的液相進(jìn)行回收處理。如圖1所示，各級間分離器液相匯入相分離器后，分出油相送入穩(wěn)定塔，通過精餾分離，塔頂輕組分C4-循環(huán)回原料氣中，塔底重組分C4+則進(jìn)入脫丁烷塔進(jìn)行回收。由此可見，穩(wěn)定塔底物料未經(jīng)分子篩脫水，是混合丁烷中水分的主要來源[3-5]。

圖1 高純異丁烷生產(chǎn)工藝流程簡圖

根據(jù)圖1所示的工藝流程，研究改變穩(wěn)定塔的精餾切割方式，使穩(wěn)定塔用于分割C5組分，C4組分大部分能夠從塔頂采出，循環(huán)回氣相流程，經(jīng)干燥除水，隨脫丙烷塔底物料進(jìn)入脫丁烷塔。工藝改造后，穩(wěn)定塔塔底物料(主要為C5+組分)混入脫丁烷塔底物料，用于生產(chǎn)對水含量要求不高的戊烷氣霧劑產(chǎn)品[6-7]。

2 技術(shù)優(yōu)化可行性研究

對穩(wěn)定塔精餾工藝進(jìn)行優(yōu)化，改變分割方式，主要進(jìn)行兩方面研究論證：一是戊烷氣霧劑產(chǎn)品要求原料中C4組分≤1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，因此需要對穩(wěn)定塔的分割精度進(jìn)行系統(tǒng)論證；二是研究C4組分進(jìn)入天然氣氣相流程后，是否會對氣相的壓縮凈化、深冷液化及整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響[4,6]。

2.1 穩(wěn)定塔工藝優(yōu)化模擬研究

利用流程模擬軟件HYSYS對穩(wěn)定塔進(jìn)行工藝模擬，伴生氣流量80萬m3/d(組成見下表1)，操作壓力0.52 MPa，建立工藝模型，模擬研究穩(wěn)定塔底溫度與穩(wěn)定塔對C4組分分割精度的影響，以及對工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[6-8]。

表1 伴生氣原料組成

2.1.1 對C4組分分割精度的影響

由圖2模擬結(jié)果可見當(dāng)穩(wěn)定塔底溫度提高143℃時(shí)，C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量<1%。工藝流程改造后，穩(wěn)定塔底物料與異丁烷塔底物料混合后，C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量要求<1%，根據(jù)兩股物料流量與C4濃度計(jì)算，穩(wěn)定塔底物料中C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量<3%可以滿足要求，塔底溫度在135℃左右。

圖2 穩(wěn)定塔底溫度與塔底C4組分含量的關(guān)系

2.1.2 對工藝系統(tǒng)的影響

穩(wěn)定塔工藝優(yōu)化后，對全流程相關(guān)組分的收率及能耗的影響進(jìn)行模擬研究。通過模擬計(jì)算，塔頂物料流量、各種產(chǎn)品產(chǎn)量及穩(wěn)定塔能耗關(guān)系見表2。

由表2可見，塔底溫度從110℃升至135℃，穩(wěn)定塔的能耗增加約40%，但對工藝系統(tǒng)內(nèi)各輕烴產(chǎn)品產(chǎn)量影響不大。穩(wěn)定塔的工藝改變，對天然氣的除雜凈化、深冷液化沒有明顯不利影響。

表2 穩(wěn)定塔底溫度與部分產(chǎn)品產(chǎn)量及穩(wěn)定塔能耗關(guān)系

2.2 生產(chǎn)應(yīng)用研究

結(jié)合模擬分析的結(jié)論，改變穩(wěn)定塔工藝操作參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究。在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過程中，穩(wěn)定塔進(jìn)料量約5.4 t/d，脫丁烷塔底產(chǎn)品產(chǎn)量約44.5 t/d，將穩(wěn)定塔的操作溫度(靈敏板溫度)控制在115℃(波動范圍為111～119℃，)，塔底溫度約135℃。從6月10日至21日對穩(wěn)定塔底物料C4含量和脫丁烷塔入口物料含水量進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果見表3。

表3顯示，穩(wěn)定塔底物料中C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量0.01%～2.60%，滿足小于3%的要求。脫丁烷塔原料的含水量從25 mg/L以上降至約9.2 mg/L，降低63%，分子篩使用壽命由半年延長至近兩年，高純異丁烷產(chǎn)品品質(zhì)得到提升。

表3 生產(chǎn)應(yīng)用試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過對穩(wěn)定塔精餾分割方式的模擬優(yōu)化和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究，將穩(wěn)定塔的操作溫度從110℃提高至135℃，改變了穩(wěn)定塔對C4關(guān)鍵組分的分割方式，將C4組分從塔底采出改換為從塔頂采出，進(jìn)而從根源上切斷高純異丁烷含水分來源。

對穩(wěn)定塔進(jìn)行工藝優(yōu)化后，穩(wěn)定塔能耗增加40%，但對各產(chǎn)品收率影響不大，異丁烷原料的含水率降低63%，分子篩使用壽命由半年延長至兩年。

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