乙烯裝置的本質(zhì)安全設(shè)計與操作

白宇辰

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

0 前言

乙烯裝置的原料通常為石腦油、輕柴油、凝析油、加氫尾油、飽和液化氣、芳烴抽余油等，中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品有氫氣、甲烷、乙烯、丙烯、混合碳四、粗裂解汽油、燃料氣等，均為易燃易爆介質(zhì)[1，2]。乙烯裝置流程長、設(shè)備多、工藝較為復(fù)雜，因此危險性較高。隨著加工原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，乙烯原料也呈現(xiàn)劣質(zhì)化趨勢，腐蝕、結(jié)垢、泄漏及老化等諸多問題，是影響乙烯裂解裝置長周期安全運(yùn)行的主要因素[3]。在安全環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，開展乙烯裝置的本質(zhì)安全設(shè)計與操作研究十分必要。為了實(shí)現(xiàn)裝置長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須對影響裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的薄弱點(diǎn)精心設(shè)計、精心操作，提高裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性[4]。

1 乙烯裝置的基本流程

某乙烯裝置采用前脫丙烷前加氫技術(shù)，由急冷單元、壓縮單元、冷分離單元、熱分離單元、制冷單元等組成。裝置年操作時間為8 000 h，年生產(chǎn)能力為100×104t聚合級乙烯和50×104t聚合級丙烯，同時副產(chǎn)氫氣、混合碳四、粗裂解汽油、裂解燃料油等。該分離技術(shù)充分考慮了能量的合理利用，降低了裝置投資。工藝流程見圖1。

2 乙烯裝置的本質(zhì)安全設(shè)計與操作

前脫丙烷前加氫的乙烯裝置中急冷單元、壓縮單元和其他流程的乙烯裝置差別不大，重點(diǎn)對該裝置的高壓脫丙烷塔、碳二前加氫系統(tǒng)、前冷系統(tǒng)、脫乙烷塔、甲烷化系統(tǒng)、乙烯精餾塔、丙烯精餾系統(tǒng)和脫丁烷塔系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計與操作進(jìn)行具體說明。

2.1 高壓脫丙烷塔

高壓脫丙烷塔壓力是保證塔達(dá)到設(shè)計分離效果的基礎(chǔ)條件，也是裂解氣壓縮機(jī)五段的進(jìn)口壓力。壓力過低會造成壓縮機(jī)功耗增加，塔頂碳四含量升高，對碳二加氫系統(tǒng)產(chǎn)生危害；壓力過高會使塔溫度升高，使碳四及以上不飽和烴發(fā)生聚合，使再沸器結(jié)垢堵塞。具體控制方式是利用高壓脫丙烷塔進(jìn)出料換熱器將進(jìn)料溫度控制在-7 ℃，穩(wěn)定裂解氣壓縮機(jī)的操作，將壓縮機(jī)五段入口壓力穩(wěn)定在1.43 MPa左右。

在正常操作中，易出現(xiàn)塔壓過低，塔頂碳四含量超標(biāo)的情況。發(fā)生的主要原因是塔頂壓力降低、回流量偏小或靈敏板溫度過高。此時的解決措施通常是調(diào)整裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和塔釜加熱量以控制塔壓、加大回流量或降低靈敏板溫度。

圖1 前脫丙烷前加氫的乙烯裝置流程

精餾塔靈敏板溫度是控制精餾操作的重要手段。靈敏板溫度的升高，容易造成塔頂碳四含量超標(biāo)，影響碳二加氫系統(tǒng)，同時造成塔釜溫度升高，加快再沸器結(jié)焦；靈敏板溫度降低容易造成塔釜碳二超標(biāo)。靈敏板溫度過高時，要盡快調(diào)整靈敏板溫度在正常值，恢復(fù)塔頂碳四在正常工藝指標(biāo)之內(nèi)，同時要密切注意碳二加氫床層溫度的變化，嚴(yán)防碳二加氫出炔、漏炔。靈敏板溫度過低會造成塔釜碳二餾分進(jìn)入低壓脫丙烷塔，造成低壓脫丙烷塔壓力過高并影響塔的正常操作，此時要及時協(xié)調(diào)各崗位，減少盤油在各用戶的使用量，優(yōu)先保證高壓脫丙烷塔釜加熱。

2.2 碳二前加氫系統(tǒng)

碳二加氫反應(yīng)器操作中，入口溫度過高會造成催化劑活性過高，但是會降低催化劑的選擇性，可能會造成反應(yīng)器的飛溫；溫度過低會使催化劑的活性低，造成反應(yīng)器出口乙炔含量超標(biāo)，從而影響到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量。通常通過兩個反向操作的溫度控制閥分程控制碳二加氫反應(yīng)器的進(jìn)口溫度。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使脫甲烷塔的操作偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下：①低壓蒸汽壓力高，會使催化劑活性升高，選擇性降低，床層溫度升高。需要緩慢關(guān)小蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，并聯(lián)系相關(guān)崗位穩(wěn)定低壓蒸汽壓力；②裂解深度發(fā)生變化，會使一氧化碳及乙炔含量增加，降低催化劑的活性。此時需聯(lián)系爐區(qū)崗位穩(wěn)定裂解深度；③爐區(qū)投油量發(fā)生變化。此時需聯(lián)系爐區(qū)崗位穩(wěn)定投油量，根據(jù)負(fù)荷大小調(diào)整入口溫度。

碳二加氫系統(tǒng)最常出現(xiàn)的操作異?，F(xiàn)象是漏炔和飛溫。漏炔會影響乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量，使乙烯產(chǎn)品不合格；而飛溫則會嚴(yán)重危害裝置的安全性。由于物料中氫氣處于過量狀態(tài)，如果床層空速低，乙炔反應(yīng)放出的熱量無法全部被帶走，則存在飛溫的風(fēng)險。此外，由于反應(yīng)器處于裂解氣壓縮機(jī)的五段出口，所以裂解氣壓縮機(jī)的操作波動也會直接影響反應(yīng)器的穩(wěn)定。一旦裂解氣壓縮機(jī)發(fā)生跳車，反應(yīng)器進(jìn)料中斷，必須隨之跳車，否則也會發(fā)生飛溫[5]。物料中的碳四含量對于反應(yīng)器的穩(wěn)定操作非常重要，一旦過多碳四進(jìn)入反應(yīng)器，將會發(fā)生飛溫，因此要嚴(yán)格控制高壓脫丙烷塔頂物料中的碳四含量[6]。

若飛溫得不到及時的處理，會使物質(zhì)在催化劑的作用下發(fā)生分解反應(yīng)，繼續(xù)放熱，當(dāng)溫度足夠高且停留時間足夠長時，又發(fā)生非接觸放熱反應(yīng)，引起分解爆炸。因此這兩種異常情況是在正常生產(chǎn)操作中要密切關(guān)注的。具體說明如表1和表2所示。

表2 碳二加氫飛溫時的處理原因與措施

為保證碳二加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行，通常設(shè)置SD-1和SD-2兩個安全聯(lián)鎖措施。當(dāng)反應(yīng)器床層、進(jìn)口溫度、出口溫度的任一溫差超過60 ℃時觸發(fā)SD-1聯(lián)鎖，此時聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料加熱器的工藝側(cè)閥門、打開進(jìn)料冷卻器的工藝閥門，同時關(guān)閉出料冷卻器旁路的閥門、打開出料冷卻器的工藝側(cè)閥門，使裂解氣進(jìn)行最大冷態(tài)的操作。如果反應(yīng)器溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)反應(yīng)器床層、進(jìn)口溫度、出口溫度的任一點(diǎn)溫度超過180 ℃時觸發(fā)SD-2聯(lián)鎖，此時完全切斷反應(yīng)器的進(jìn)出料閥門，同時將物料泄放至火炬以確保裝置的本質(zhì)安全。

2.3 前冷系統(tǒng)

甲烷-氫分離是利用低溫，使裂解氣中除甲烷-氫外的各組分全部液化，然后將不凝氣體甲烷-氫分出，此操作在脫甲烷塔內(nèi)進(jìn)行。前冷系統(tǒng)也稱之為前脫氫，此時冷箱在脫甲烷塔之前。

前冷系統(tǒng)的操作關(guān)鍵是掌握好壓力降，建立壓力降等級時，要注意處理好各系統(tǒng)之間的關(guān)系。另外，脫甲烷塔的頂溫在-99 ℃以下是保證甲烷產(chǎn)品合格的關(guān)鍵，預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔的設(shè)計采用自身回流，回流量的大小控制，是通過控制預(yù)脫甲烷塔頂冷凝器、脫甲烷塔頂冷凝器的冷劑量來進(jìn)行。

前冷各系統(tǒng)設(shè)計的甲醇注入點(diǎn)，是在系統(tǒng)進(jìn)料帶水，使塔盤、管線、閥門出現(xiàn)凍堵時使用。此時會造成冷箱系統(tǒng)壓差過大，溫度分布異常。注入甲醇后需在低點(diǎn)排甲醇，以免帶入下游影響產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還需要及時檢查冷箱各入口過濾器的情況并進(jìn)行必要的清理。

預(yù)脫甲烷塔1#進(jìn)料分離罐的進(jìn)料溫度對預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔的的進(jìn)料負(fù)荷影響很大。溫度高時，進(jìn)入冷箱、HRS系統(tǒng)的負(fù)荷將增大，會造成深冷分離效果變差，尾氣的乙烯含量增加而造成損失。

脫甲烷塔操作中，塔頂壓力也是膨脹機(jī)入口壓力。壓力高會造成甲烷對乙烯的相對揮發(fā)度降低，塔釜甲烷含量升高，致使乙烯產(chǎn)品不合格。壓力低會使塔頂甲烷中乙烯含量較高，乙烯損失加大，同時塔壓的波動還會影響膨脹機(jī)的穩(wěn)定操作。

預(yù)脫甲烷塔靈敏板溫度過高，容易造成塔頂碳三超標(biāo)；靈敏板溫度偏低容易造成塔釜甲烷超標(biāo)，最終造成乙烯產(chǎn)品不合格。脫甲烷塔靈敏板溫度過高，容易造成塔頂碳二損失超標(biāo)；靈敏板溫度偏低容易造成塔釜甲烷超標(biāo)，造成乙烯產(chǎn)品不合格。兩個塔的靈敏板溫度溫度偏低時需要加大丙烯的加熱量，溫度偏高時需要減小丙烯的加熱量。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使脫甲烷塔的操作偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 根據(jù)塔壓的升高或降低來調(diào)整塔頂冷凝器液位。

b) 裝置負(fù)荷降低將造成塔壓低。此時應(yīng)考慮停止膨脹機(jī)的運(yùn)行。

c) 塔壓快速升高?？赡茉斐傻脑蚴桥蛎洐C(jī)轉(zhuǎn)速突然降低、塔頂冷凝器液面過低或是靈敏板溫度過高。此時的通常調(diào)整方法是調(diào)整膨脹機(jī)的壓控閥提高轉(zhuǎn)速、手動控制冷凝器的液面以穩(wěn)定液位或排放冷凝器頂部的不凝氣。

d) 塔壓快速降低?？赡茉斐傻脑蚴桥蛎洐C(jī)轉(zhuǎn)速過高或是冷凝器液面過高。此時的通常調(diào)整方法是調(diào)整膨脹機(jī)的壓控閥降低轉(zhuǎn)速、手動控制冷凝器的液面以穩(wěn)定液位或現(xiàn)場檢查調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)故障。

2.4 脫乙烷塔

脫乙烷塔的正常壓力控制通過塔頂壓力控制“A”閥調(diào)節(jié)冷凝器的冷劑量來實(shí)現(xiàn)，塔頂回流罐頂部設(shè)置壓力控制“B”閥，超壓時放火炬?！癆”閥和“B”閥分程控制。此外，回流罐頂部設(shè)置了流量調(diào)節(jié)閥，將多余的不凝氣排至裂解氣壓縮機(jī)系統(tǒng)以防超壓。此外，脫乙烷塔頂碳三過多影響到乙烯精餾塔和乙烷爐的操作，必須盡量控制其含量。靈敏板溫度串級控制急冷水流量，控制再沸器的加熱量。在急冷系統(tǒng)波動時，應(yīng)密切注意急冷水的溫度變化。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使脫乙烷塔的操作偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 塔壓高。造成的原因主要是進(jìn)料甲烷含量高、冷劑溫度高、冷凝器液位低等，此時的解決方法通常是調(diào)整預(yù)脫甲烷塔的加熱同時排放不凝氣至裂解氣壓縮單元、調(diào)整丙烯制冷壓縮機(jī)、提高液位等。

b) 塔壓差高。造成的原因主要是負(fù)荷高、回流量大、再沸器加熱量大等，此時的解決方法通常是降低負(fù)荷、減小回流、調(diào)整再沸器加熱量。

c) 塔頂甲烷含量超標(biāo)。造成的原因是預(yù)脫甲烷塔釜溫度低。此時需要提高預(yù)脫甲烷塔釜溫并加大脫乙烷塔回流罐不凝氣排放。

d) 塔釜乙烷含量超標(biāo)。造成的原因是急冷水溫度低或加熱量小、塔壓過高造成塔釜加不上熱、靈敏板溫度低。此時需要提高急冷水溫度和加熱量、降低塔壓、提高靈敏板溫度。

e) 塔頂碳三含量超標(biāo)。造成的原因是回流不夠或是靈敏板溫度高。此時需要提高回流量使回流比滿足要求、降低靈敏板溫度至正常值。

2.5 甲烷化系統(tǒng)

甲烷化過程一氧化碳的轉(zhuǎn)化是強(qiáng)放熱反應(yīng)，在反應(yīng)器內(nèi)形成溫升。實(shí)際溫升取決于氣體中一氧化碳的含量。增加進(jìn)口溫度可補(bǔ)償催化劑活性的損失，進(jìn)口溫度最大可升高約10 ℃。在滿足產(chǎn)品中一氧化碳規(guī)格的前提下，一般進(jìn)口溫度應(yīng)設(shè)定在所允許的最低溫度，溫度過高會縮短催化劑壽命。物料通過反應(yīng)器時溫度會上升，因此要防止激烈反應(yīng)，造成飛溫，一般來說，在一氧化碳含量過高、粗氫進(jìn)料乙烯超標(biāo)時要十分注意操作。

甲烷化出料分離罐的液位太高，氣水分離效果變差，過多的水分將進(jìn)入氫氣干燥器，使不能完全脫除的水分進(jìn)入氫氣產(chǎn)品。液位太低,生產(chǎn)波動時氫氣將竄進(jìn)急冷水塔。氫氣產(chǎn)品的壓力對前冷影響很大，需密切注意壓力變化。停爐、負(fù)荷降低時，要考慮切斷氫氣外送。甲烷化系統(tǒng)壓力高，因此現(xiàn)場要十分注意泄漏情況，遇有危急情況要果斷處理。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使其偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 根據(jù)反應(yīng)器入口溫度控制器升高或降低來調(diào)整溫度控制閥的開度，控制蒸汽加熱量(人工手動調(diào)節(jié)或DCS自動調(diào)節(jié)控制)。

b) 反應(yīng)器入口一氧化碳含量升高。此時需要聯(lián)系裂解爐崗位，控制裂解溫度，降低反應(yīng)器入口一氧化碳含量。

c) 反應(yīng)器入口碳二含量升高。此時應(yīng)聯(lián)系冷區(qū)，控制冷箱溫度，降低反應(yīng)器入口碳二含量。

d) 當(dāng)反應(yīng)溫度不論因何種原因高于280 ℃時，應(yīng)立即啟用切斷聯(lián)鎖，停止加熱及進(jìn)出料，同時打開放火炬的閥門。

此外，甲烷化催化劑由于是鎳基催化劑，尤其要注意低溫時會生成劇毒物羰基鎳。因此在開停車、卸出催化劑時應(yīng)謹(jǐn)慎操作。

2.6 乙烯精餾塔

乙烯精餾塔的靈敏板溫度過高，容易造成塔頂乙烯產(chǎn)品中乙烷含量超標(biāo)；靈敏板溫度偏低容易造成塔釜乙烷中乙烯含量增加，造成乙烯損失。靈敏板溫度和加熱量采用串級控制，回流量根據(jù)乙烯塔頂采出量采用比值調(diào)節(jié)控制。乙烯精餾塔塔頂產(chǎn)品純度是通過塔頂回流量和塔釜加熱量來控制的，該塔和乙烯壓縮機(jī)構(gòu)成開式熱泵系統(tǒng)，控制比較特殊，正常情況下通過調(diào)節(jié)塔釜加熱量和輔助回流量調(diào)整來控制塔頂乙烯中乙烷的含量。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使其偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 塔壓差高。造成的原因是凍塔、進(jìn)出料不平衡導(dǎo)致淹塔。通常需要立即注入甲醇解凍、加大塔釜采出和提高裂解深度。

b) 塔壓偏低。造成的原因是預(yù)脫甲烷塔靈敏板溫度高，碳二中碳三含量高、脫乙烷塔靈敏板溫度過高或冷劑量偏小、回流量偏小。此時需要調(diào)整預(yù)脫甲烷塔靈敏板溫度至正常、脫乙烷塔靈敏板溫度至正常、增加回流量。

c) 乙炔含量高。造成的原因是碳二加氫不合格。此時需要將不合格乙烯改送不合格乙烯儲罐，如所有乙烯儲罐裝滿，裝置減負(fù)荷，多余乙烯從塔頂放火炬，直到產(chǎn)品合格為止。此外，切斷進(jìn)料和乙烷送出停止熱泵出口氣相乙烯采出，高、低壓乙烯由罐區(qū)提供。維持熱泵循環(huán)操作及前系統(tǒng)的正常操作。將脫甲烷塔底產(chǎn)品送入不合格乙烯儲罐。

d) 乙烷含量高。造成的原因是回流/采出比小、靈敏板溫度設(shè)定過高。此時需要減小乙烯送出流量設(shè)定調(diào)整回流比、降低靈敏板溫度。此外，裝置在投油或者退爐時進(jìn)料會出現(xiàn)較大的波動，也會導(dǎo)致乙烷超標(biāo)。此時應(yīng)及時根據(jù)具體的生產(chǎn)負(fù)荷和生產(chǎn)情況調(diào)整塔的進(jìn)料。

2.7 丙烯精餾系統(tǒng)

裝置生產(chǎn)丙烯產(chǎn)品將送往下游聚烯烴裝置用于生產(chǎn)聚丙烯，聚丙烯的生產(chǎn)對丙烯的純度要求較高。主要控制回路是塔頂?shù)谋┊a(chǎn)品純度。一般而言，丙烯精餾塔塔頂丙烯產(chǎn)品純度需要大于99.60%。通常通過控制丙烯汽提塔的塔釜加熱量及丙烯精餾塔的回流量及丙烯精餾塔頂冷凝器等來調(diào)節(jié)產(chǎn)品純度。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使其偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 塔的回流減小。此時需要根據(jù)丙烯產(chǎn)品的采出量，調(diào)整回流調(diào)節(jié)閥，調(diào)整回流比。

b) 塔的加熱過大。此時需要調(diào)整加熱量。

c) 塔壓過低。此時需要通過減小丙烯精餾塔冷凝器循環(huán)水閥門的開度，減少循環(huán)水用量來提高塔壓。

d) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)丙烯精餾塔塔頂丙烯產(chǎn)品純度降低時，需要立即判斷發(fā)生的原因并采取必要的解決措施。產(chǎn)品純度不達(dá)標(biāo)的主要原因有急冷水調(diào)節(jié)閥失控導(dǎo)致加熱量過大，或急冷水的溫度突然升高。此時應(yīng)馬上停止將不合格丙烯送往聚丙烯裝置，改送至不合格丙烯球罐或放火炬。

2.8 脫丁烷塔系統(tǒng)

脫丁烷塔壓力是保證脫丁烷塔達(dá)到設(shè)計分離效果的基礎(chǔ)條件。如果塔壓升高，會造成精餾塔兩個關(guān)鍵組分相對揮發(fā)度降低，所需理論分離板數(shù)增加，造成塔頂塔釜產(chǎn)品不合格，如果塔壓過低，物料飽和溫度降低，會造成塔頂溫度降低，嚴(yán)重時塔頂產(chǎn)品不合格。脫丁烷塔系統(tǒng)的塔壓一般采用熱旁通A閥與排火炬的B閥分程控制方式。

在正常操作中，易出現(xiàn)一些影響因素使其偏離正常運(yùn)行參數(shù)。具體影響因素和調(diào)整方法如下。

a) 靈敏板溫度高，使碳四產(chǎn)品中碳五含量超標(biāo)。此時需要降低熱媒低壓蒸汽量。

b) 塔釜液面過高或過低，使再沸器加熱效果不好。此時需要控制塔釜液面維持在50%左右。

c) 塔頂不凝氣含量高，使碳四產(chǎn)品中碳三含量超標(biāo)。此時需要開大不凝氣返回閥的開度。

d) 塔壓高。可能造成的原因是進(jìn)料中碳二含量較高或是冷卻水溫度高/壓力低。此時需要調(diào)整低壓脫丙烷塔的加熱量或調(diào)整冷卻水的進(jìn)水溫度/壓力。

e) 塔壓差高?？赡艿脑蚴撬P堵塞或塔釜再沸器加熱量過大。此時需要停車清理塔盤或調(diào)整再沸器加熱量。

f) 靈敏板溫度低?？赡艿脑蚴窃俜衅鹘Y(jié)焦嚴(yán)重、再沸器凝液罐排液不暢通或是低壓蒸汽壓力低。此時需要切斷再沸器、檢查凝液罐液位控制閥位和凝液總管壓力或提高低壓蒸汽管網(wǎng)設(shè)定壓力。

g) 塔釜碳四含量超標(biāo)?？赡艿脑蚴窃俜衅鹘Y(jié)焦嚴(yán)重靈敏板溫度提不上造成釜溫偏低。此時需要切換再沸器進(jìn)行處理。

h) 正常操作中，當(dāng)塔頂裂解碳四和塔釜裂解碳五產(chǎn)品不合格時，要及時通知下游裝置，同時將不合格產(chǎn)品改送不合格產(chǎn)品罐。同時要查明原因，盡快調(diào)整產(chǎn)品合格。

3 結(jié)語

乙烯裝置是典型的化工生產(chǎn)裝置，流程長且復(fù)雜。既有高溫裂解反應(yīng)，又有催化反應(yīng)，高溫高壓和低溫低壓同時存在，物料大多為甲類危險品，易發(fā)生著火爆炸的事故。此外，含有硫化氫、二氧化碳、一氧化碳等有毒有害氣體會給人身安全帶來危險；催化劑、干燥劑粉塵和水合物等會造成冷箱的凍堵；結(jié)焦堵塞的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，為確保裝置安全、穩(wěn)定生產(chǎn)和重要設(shè)備的安全運(yùn)行，乙烯裝置需采取必要的聯(lián)鎖手段和控制措施，能夠及時響應(yīng)并正確應(yīng)對，確保裝置的“長穩(wěn)安”運(yùn)行。