甲醇制丙烯装置中丙烯质量控制的影响因素

苏 慧, 庄 壮, 王 峰，雍晓静, 罗春桃

（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司研发中心，宁夏 银川 750411）

甲醇制丙烯装置中丙烯质量控制的影响因素

苏 慧, 庄 壮, 王 峰，雍晓静, 罗春桃

（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司研发中心，宁夏 银川 750411）

针对神华宁煤甲醇制丙烯（MTP）装置分离系统的实际运行情况，重点分析了影响丙烯质量控制的关键因素：C3分离塔塔顶压力波动、进料状态、回流比、塔顶冷凝器冷后温度变化及塔釜温度波动等，其中塔顶压力波动是造成丙烯质量不合格的主要原因，并对C3分离塔提出优化与改进措施。生产实践表明，优化后的C3分离塔能够更好地提高丙烯产量，同时确保塔压的易调控。

MTP；C3分离塔；质量；改进；优化

2011年4月神华 宁夏煤业集团煤基聚丙烯项目产出合格聚丙烯产品并进入生产阶段，装置主产50万t·a-1丙烯，副产18.4万t·a-1汽油、4.1万t·a-1液化石油气和2万t·a-1乙烯。该项目主要包括煤气化、甲醇合成、甲醇制丙烯（MTP）和丙烯聚合等生产单元。其中，C3分离塔作为MTP装置的重要精馏系统，直接分离出丙烯和丙烷产品，控制着丙烯产品的质量和产量。C3分离塔的原料以丙烷和丙烯气相混合物为主，由于二者的相对挥发度小，分离难度大。为了满足后续聚合单元的生产要求（聚合级丙烯纯度≥99.6%），C3分离塔需要较多的塔板和较大的回流比，同时消耗较多的能量。既使C3分离塔达到甲醇制丙烯工艺设计的要求，在实际运行过程中丙烯于塔釜馏出物中依然占有较高的比例；且与塔釜产品丙烷相比，塔顶产品丙烯能够作为基础原料用于生产下游高附加值的衍生产品，更具经济价值，而塔釜丙烷一部分作为原料回到原料炉进行回炼，另一部分作为副产液化石油气（LPG）的组分。因此，如何降低C3分离塔塔釜中丙烯的含量，同时提高分离塔塔顶丙烯的含量，对神华宁夏煤业集团煤基甲醇制丙烯项目具有重要的现实意义[1]。本文针对C3分离塔现状及存在的问题，探讨了丙烯质量控制的影响因素，通过分离塔塔顶冷凝系统的技术改造实现分离塔塔压的调控，有效提高了C3分离塔塔顶丙烯的产量，同时控制了分离塔的塔压。

1 丙烯/丙烷分离系统现状及存在的问题

C3分离塔在MTP装置运行初期正常。但是，随着装置运行时间的累积，且循环水水质出现问题，导致分离塔塔顶冷凝器内部管束出现严重的结垢，从而造成冷凝器换热效率下降，使得分离塔塔顶丙烯产品冷后温度高达50℃，塔顶压力最高可达2.21MPa，严重超出了C3分离塔塔顶的正常操作值（2.10～2.14MPa）。尤其，当夏季循环水水温稍涨后，C3分离塔塔压随之升高，严重影响C3分离塔的稳定操作，影响塔顶丙烯的含量，同时造成塔釜丙烯含量超标，造成丙烯的严重损失。为了尽量降低分离塔塔顶回流罐的操作温度，在装置的运行期间，需要及时清洗循环上水过滤网，清洗完毕后，换热效果略有改善。随着MTP装置工况的调整以及C3分离塔负荷相应的增加，由清洗过滤网带来的效果变得不明显，如果频繁地更换和清洗过滤网，不仅增加分离工段的劳动强度，而且延误丙烯当月的产量任务。因此，寻找和分析装置操作过程中影响C3分离塔的主要因素，能够最大限度地解决分离塔存在的问题。

2 MTP装置丙烯生产工艺流程

图1是C3分离塔的工艺流程示意图。从脱乙烷塔底来的C3混合物先后进入保护床和过滤器，依次脱除气相混合物中的二甲醚（DME）和杂质后，从第90层或第122层塔板进入C3分离塔。由急冷水泵来的急冷水将C3分离塔塔釜的料液部分汽化，作为塔釜的气相回流。C3分离塔底部的丙烷产品经塔底冷却器冷却后，直接送至LPG罐区。而C3分离塔顶丙烯产品经过塔顶冷凝器冷却后，再进入回流罐，其中一路作为回流进入C3分离塔内，另一路作为丙烯产品，经过丙烯冷却器冷却后，直接送往界区外丙烯储罐。

图1 C3分离塔工艺流程示意图

3 丙烯质量控制的关键影响因素

3.1 C3分离塔塔顶压力的波动

由于MTP装置C3分离塔塔顶冷凝器的冷凝效果差，导致冷后温度偏高，塔顶压力持续较高，使分离效果下降，严重影响了C3分离塔的操作，造成塔顶底产品质量不合格。当塔顶温度、塔底温度、回流温度以及塔釜热负荷和塔顶冷负荷都在控制指标范围内时，取操作稳定的一个周期，分析塔压的持续升高对C3分离塔整个系统的影响，从而找出影响塔顶产品质量不合格的因素，平稳操作时期C3分离塔压力与丙烯质量的关系图见图2。

图2 C3分离塔塔顶压力与丙烯质量的关系图

从图2中可以看出，在其他操作条件基本保持不变时，随着C3分离塔塔顶压力升高，分离塔塔底丙烯含量呈上升趋势，最高可达到19%左右，在正常操作时塔底丙烯百分比含量应小于3.6%，若大于3.6%则会造成塔底产品中丙烯的严重超标；塔顶丙烯含量随着C3分离塔塔顶压力的升高而增加，最高值可达到99.86%，图中出现塔顶丙烯含量的波动主要是由MTP装置操作工艺调整所致。由此可知，C3分离塔塔压变化是直接影响塔顶丙烯含量的关键因素之一，当塔顶压力控制在2.11～2.16MPa范围内，C3分离塔塔顶丙烯含量（装置要求大于99.40%）符合后续聚合工艺的生产。

3.2 C3分离塔进料状态

对于C3分离塔而言，丙烯/丙烷进料状态的变化能够直接影响丙烯质量和丙烯损失量。由上述工艺流程可知，C3分离塔的进料属于气相进料，从脱乙烷塔底来的丙烯和丙烷的混合物，经过防护床和过滤器后，除去DME等杂质后再进入C3分离塔内。以下分别从进料量和进料温度来分析进料状态对C3分离塔塔顶丙烯质量的影响。

3.2.1 进料量的大小

当C3分离塔进料量不超过塔顶冷凝器负荷和塔底再沸器负荷时，分离塔塔顶温度和塔釜温度均不会产生显著变化，也不会造成分离塔内上升蒸汽速度的变化；当分离塔进料量超过塔顶冷凝器负荷和再沸器负荷后，C3分离塔塔内上升蒸汽的速度会受到影响，同时影响分离塔塔顶温度和塔釜温度，致使塔板上的气液平衡发生变化，从而直接影响丙烯质量和丙烯损失量。因此，进料量的变化能够破坏整个C3分离塔内物料的平衡，在未达到新的物料平衡前，造成C3分离系统的波动。

3.2.2 进料温度

较低的进料温度能够升高塔釜的热负荷，降低塔顶冷凝器的冷负荷，反之，较高的进料温度导致塔釜热负荷降低、塔顶冷负荷升高。当C3分离塔进料温度发生较大的波动时，整个C3分离塔的温度随之发生变化，导致分离塔内气液平衡的变化。此外，分离塔进料温度的变化，必将引起进料状态、精馏段冷负荷、提馏段热负荷的变化，致使整个分离塔内物料平衡随之而变。

3.3 回流量大小的影响

在C3分离塔操作过程中，回流量是影响整个分离塔塔顶丙烯含量的另一个关键因素。生产中经常采用回流比来调节和控制塔顶丙烯含量。当精馏段中重组分含量增加时，常采用加大回流比的方法，降低塔顶重组分含量，增加塔顶轻组分的含量，以便保证丙烯产品质量合格。当提馏段中轻组分含量增加时，塔底下部温度降低，通过适当减小回流比提高塔釜温度。对从塔顶得到产品的精馏塔而言，回流比的增加能够提高塔顶产品含量，降低精馏塔的生产能力，且增加公用工程的消耗。当回流比增加过大时，将会造成塔内物料的循环量过大，甚至导致液泛，破坏塔的正常操作[2]。

图3是平稳操作周期内C3分离塔回流量与丙烯含量的关系图。从图3中可以看出，C3分离塔塔顶丙烯含量随着回流量的增大而不断上升，为了满足装置生产合格丙烯的要求（丙烯含量应大于99.4%），在实际生产中一般控制塔顶回流量在845～855 t/h。当回流比增大时，塔顶丙烯含量增加，这是由于加大回流量时，塔顶轻重组分更易冷凝到塔釜，而重组分比轻组分冷凝量多，因此提高塔顶丙烯含量的同时增加塔釜丙烯的含量，影响丙烯产品的采出量。反之，当回流比减小时，塔内物料平衡遭到破坏，造成重组分上移至精馏段，导致塔顶丙烯产品质量不合格，此时只能增加回流量或降低外送量，待塔内物料重新达到平衡后，酌情增加丙烯外甩量，如果不减少丙烯外送量，将会导致回流罐液位下降，同时由于外送量较大，塔顶丙烯质量难以达到合格的要求。

图3 回流量对丙烯产品质量的影响

3.4 塔釜热负荷和塔顶冷负荷的影响

在精馏操作过程中，为了保持塔釜热源温度的稳定，需要根据塔的热负荷大小，调整热载体流量，从而将塔釜温度控制在一定范围内[3]。同时，塔顶冷凝量的大小也会引起回流量和回流温度的变化。塔顶冷凝量增加，回流量随之增加，导致塔顶温度下降；塔顶冷凝量降低，回流量随之减小，导致塔顶温度升高。因此，适当的塔釜热负荷和塔顶冷负荷是确保精馏塔正常操作的前提条件。C3分离塔塔釜温度为62～65℃，一定工况下，塔釜温度对塔顶丙烯含量和塔釜丙烯含量的影响如表1所示。

表1 C3分离塔塔釜温度对塔顶丙烯含量和塔釜丙烯含量的影响

从表1可以看出，当C3分离塔塔釜温度从62.26℃升至65.41℃时，塔顶丙烯含量由99.60wt%降至99.39 wt %，塔釜丙烯含量由4.03 wt %降至1.32 wt %，由此说明塔顶丙烯含量与塔釜内丙烯的损失量均减少；反之，当塔釜温度降低时，塔顶丙烯含量与塔釜丙烯的含量均增加。在C3分离塔工艺调整中，塔釜温度的增加使得塔内上升蒸汽的速度增加，有利于提高分离塔内的传质效率。但是，如果塔釜温度过高，则塔釜内的丙烷容易带入塔顶，影响塔顶丙烯的含量。因此，在实际操作过程中，必须综合考虑丙烯收率、塔釜损失、塔顶丙烯含量等影响因素，选择适宜的塔釜温度。通常C3分离塔塔釜温度尽量控制在63～64℃为宜。

4 C3分离塔的改造与优化措施

4.1 塔顶压力的调整与优化

精馏塔在正常操作是基于一定压力进行的，如果塔的操作压力发生波动，对塔的产品质量、物料平衡、操作温度都有重要影响[4]。当精馏塔塔压发生变化时，塔内气液平衡受到破坏, 与压力相对应的各种平衡关系随之受到破坏，整个塔的操作将随之改变。换言之，塔的压力升高，则塔顶馏分产量减少，轻组分浓度增加，塔釜产品产量增加，纯度降低。反之则塔顶馏分产量增加，轻组分浓度降低，塔釜产品浓度提高，液相量相对减少[5]。MTP装置C3分离塔处理的是带压的液化气混合物料，液化气沸点低，当分离过程中塔压发生微小变化后, 塔釜丙烷组分即以较快的速度挥发并产生携带现象, 或气相迅速凝结致使C3分离塔内气液相分布发生较大的变化,并对丙烯与丙烷的分离产生直接影响。因此，塔压是C3分离塔操作的重要参数之一，表2为C3分离塔塔压过低/高时出现的现象、原因及处理方法。

表2 C3分离塔塔压低/高时的现象、原因及优化措施

4.2 塔压调整后的效果

在神华宁夏煤业集团MTP装置的运行过程中，丙烯分离系统主要采取稳定C3分离塔进料量、稳定C3分离塔塔顶压力、稳定C3分离塔的产品采出量、调整塔釜温度、合理控制回流比、定期清洗和检修C3分离塔塔顶冷却器等措施，实现了C3分离塔“安稳长满优”的运行，并取得了显著地经济效益。并且在MTP装置检修过程中，分别对C3分离塔塔顶冷却器、塔底再沸器进行了清理和更换管束，从而保证装置的平稳运行。

图4 C3分离塔检修前后同一时期塔压对比图

图4为C3分离塔在检修前后（2013年4月至5月）塔压对比图。由图4可以看出，在生产中采取相应措施后，C3分离塔塔顶压力明显下降，实现C3分离塔负荷的降低，有利于塔顶丙烯的采出，确保MTP装置丙烯收率的提高。

5 结语

在精馏操作中，严格控制塔的各项参数是十分重要的，尤其对于神华宁夏煤业集团主产50万t/a丙烯的装置，塔压的易控与平稳是至关重要的。只有在正常范围内调控各项操作参数，才能保证C3分离塔塔顶丙烯质量合格和产量最大化。通过对C3分离塔塔顶冷凝系统的技术改造，改善了分离塔塔顶冷凝效果，提高了塔顶丙烯的产量，同时有效控制了分离塔的塔压，提高了丙烯分离系统产品质量。

[1] 邓凯，杜军驻，仇汝臣.丙烷丙烯分离塔操作优化研究[J].山东化工，2012，41(3) ：91-94.

[2] 邓传芸，虞文良.对精馏塔顶部产品质量影响因素的评述[J].安徽化工，1982 (2)：34-38.

[3] 何海.优化丙烯精馏系统操作提高丙烯收率[C].第四届广东油气发展论坛(节能降耗减排专题)论文集[A].广州：广东省科学技术协会科技交流部，2007：82-87.

[4] 唐锦文，唐宏青.甲醇制烯烃的流程模拟与分析[J].石油化工设计，2001，18 (1)：30-33.

[5] 鲍杰，严国祥，周学俊.气体分离装置压力波动对能耗的影响[J].石油炼制与化工，1998，29 (4)：42-47.

Influence Factors of Propylene Quality Control in Methanol-to-propylene Process

SU Hui, ZHUANG Zhuang, WANG Feng, YONG Xiao-jing, LUO Chun-tao
(Research and Development Division,S henhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd., Yinchuan 750411, China)

文献标识码：B

1671-9905(2015)03-00 -

苏慧（1987-），女，宁夏回族自治区中宁县人，毕业于宁夏大学应用化学专业，硕士，工程师，主要从事催化剂开发及应用研究，电话：13895176874，E-mail：nxsuhui001@126.com

2015-01-09