气体分馏装置改造为MTBE装置的工程实践

易金华，张 甫，赵丽京

（武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉430223）

主题词：气体分馏装置；MTBE装置；装置改造；催化蒸馏；工业推广

随着炼油装置的大型化，一些石油化工厂原有的小型气体分馏装置逐步被淘汰成为闲置资产。气体分馏装置与MTBE装置加工原料的物料性质比较接近，除反应以外的其它分离设备数量基本相当，主要设备选型材质相近。如果能够将闲置的小型气体分馏装置改造成MTBE装置，既可以使闲置的资产得到合理的利用，也可以降低MTBE装置的建设投资和建设周期。某公司将原7×104t/a气体分馏装置改造为5.5×104t/aMTBE装置，取得了良好的效果。原7×104t/a气体分馏装置为4塔流程，精馏塔包括1台脱丙烷塔、1台脱乙烷塔、2台丙烯塔（1台上塔、1台下塔）。化工型MTBE装置正好需要4台塔类设备，即2台催化蒸馏塔（1台上塔、1台下塔）、1台甲醇萃取塔、1台甲醇回收塔，可以对原气体分馏装置的塔类及其附属设备充分利用。

1 确定改造后装置规模

为充分利用原装置的主要设备，减少投资，减少施工的工程量，在满足产品质量要求的前提下，应确保原气体分馏装置的4台塔的塔体保持原位不动，仅改动塔的开口和更换塔内件。塔径与装置的处理量关系密切，塔高与产品的分离精度相关度高。由于气体分馏装置的精馏塔塔板数比较多，塔体都比较高，只要合理更换塔内件是可以满足分离精度要求的。因此要使得利旧塔体保持原位、原状态不大动，就要确定1个比较合适的装置处理量，经过核算并与同类装置主要设备对比，7×104t/a气体分馏装置改造为5.5×104t/a MTBE装置比较理想。

2 改造工艺技术方案

2.1 工艺技术方案选择

装置改造采用醚化反应+催化蒸馏合成MTBE化工型组合工艺，其中醚化反应采用混相床反应器。催化蒸馏与醚化反应器组合工艺，异丁烯总转化率高，可达到99.5%以上，产品MTBE纯度大于98%，可以提高异丁烯回收率，达到充分利用资源的目的［1-3］。原装置的2台丙烯塔可改造为催化蒸馏塔，使原装置的设备得到最大限度的利用。

催化蒸馏技术是把反应与分离2个过程结合在1组设备中同时进行。在反应进行的同时进行分馏过程，使生成物与反应物分离，破坏反应的平衡。1组设备内同时完成异丁烯的深度转化和产品分离，由于反应和分离同时进行，既实现了异丁烯的深度转化又充分利用了反应热［4］。

2.2 改造后的工艺流程

自罐区来的混合C4、甲醇分别进入装置内C4原料缓冲罐、甲醇原料罐，再分别用泵抽出后在管道内混合，经过加热器加热后进入进入醚化反应器，混合C4中的异丁烯与甲醇在醚化反应器中反应生成MTBE，醚化反应产物换热后再进入催化蒸馏塔。催化蒸馏塔分为催化蒸馏下塔和催化蒸馏上塔2部分。

（1）催化蒸馏下塔是催化蒸馏塔的提馏段，其作用是将产品MTBE、C4、甲醇分离，并保证产品MTBE纯度≥98%以上。底部流出物为MTBE产品，换热冷却后送往装置外MTBE产品罐贮存。

（2）催化蒸馏上塔包括精馏段、反应段。在催化蒸馏下塔中分离出的未反应的异丁烯与甲醇以汽相状态从催化蒸馏下塔顶流出，进入催化蒸馏上塔下部，在催化蒸馏反应段进一步反应，使异丁烯的转化率进一步提高，达到99.5%以上。

剩余甲醇与未反应C4形成低沸点共沸物从催化蒸馏上塔顶馏出，经过冷凝后流入催化蒸馏塔顶回流罐，部分作为催化蒸馏上塔的回流，其余部分作为出料冷却后进入甲醇萃取塔进行未反应C4和甲醇的分离。

甲醇萃取塔用水作为萃取剂，甲醇与未反应C4的混合物为分散相，萃取水为连续相，2相连续逆流接触，用水把甲醇从混合物中萃取出来，萃余液即不含甲醇的未反应C4借助塔的压力送至塔顶分水罐，然后用泵送出至罐区。萃取塔底含甲醇的水溶液送到甲醇回收塔回收甲醇，甲醇回收塔底净化水换热、冷却后循环到甲醇萃取塔做萃取剂［5-6］。工艺流程见图1。

图1 MTBE装置流程

3 主要改造内容

3.1 主要设备的改造方案

3.1.1 醚化反应器醚化反应器是MTBE装置的核心设备，异丁烯与甲醇90%以上的反应在醚化反应器中进行［7-8］。装置改造需要新增醚化反应器1台，内装醚化催化剂，反应器壳体材料选用复合钢板，内构件选用奥氏体不锈钢材质。

3.1.2 催化蒸馏塔催化蒸馏塔的作用1是完成产品分离，2是提高异丁烯的转化率。催化蒸馏塔利旧原7×104t/a气体分馏装置的2台丙烯塔改造。丙烯塔下塔改为催化蒸馏下塔，即催化蒸馏塔的提馏段；丙烯塔上塔改为催化蒸馏上塔，即催化蒸馏塔的精馏段、反应段。改造为催化蒸馏塔后，原丙烯塔塔体材质满足催化蒸馏塔的材质要求，工艺计算结果表明原塔的塔径足够，塔高也有富裕。只是催化蒸馏塔下塔的操作温度高于原丙烯塔的设计温度，但丙烯塔设计压力2.0 MPa以上，远高于催化蒸馏塔的设计压力，按温压组合条件进行校核后发现原设备的壁厚远远高于新工况下需要的设备壁厚。综上考虑后只需要对2台丙烯塔塔内件进行改造就可达到催化蒸馏塔的要求。改造前后塔体设计参数对比见表1。

表1 丙烯塔与催化蒸馏塔参数对比

3.1.3 甲醇萃取塔甲醇萃取塔利旧原气分装置脱丙烷塔改造，改造前后塔体设计参数对比见表2。

表2 脱丙烷塔与甲醇萃取塔参数对比

经核算、分析利旧原脱丙烷塔作为甲醇萃取塔时，塔体材质、设计温度、设计压力、塔径及塔高均能满足可满足设计要求，但要更换塔内件满足甲醇萃取塔的操作工况下的工艺要求。原设备设计压力高，考虑到设备使用时间已经比较长，正好可以降压使用以确保安全。

3.1.4 甲醇回收塔甲醇回收塔利旧原气分装置脱乙烷塔改造，改造前后塔体设计参数对比见表3。利旧原脱乙烷塔改造为甲醇萃取塔设计压力足够，但甲醇回收塔的设计温度要高于原脱乙烷塔。按温压组合核算后满足作为甲醇回收塔的设计强度要求，并且设备壁厚富余较多。旧设备材质、塔径、塔高均满足甲醇回收塔需要，但要更换原塔塔内件以满足新操作工况的工艺要求。

表3 脱乙烷塔与甲醇回收塔参数对比

3.1.5 主要容器催化蒸馏塔顶回流罐、甲醇萃取塔顶未反应C4分液罐、甲醇回收塔顶回流罐均可利旧原塔顶回流罐改造，C4原料缓冲罐可以利旧原装置进料缓冲罐改造。利旧的原容器类设备的停留时间、材质、设计压力和设计温度均满足改造后的设计和操作条件，少部分设备的接管开口要做少许改造。装置需要增加1台开停工罐。

3.1.6 冷换设备除增加1台甲醇萃取塔进料冷却器外，其它冷换设备均可以利用装置原有设备。

3.1.7 机泵机泵类少量利旧外，大部分要更换。主要原因：（1）原有泵有些已拆走；（2）型号太老，备件无法购买；（3）部分泵的流量、扬程不合适。

3.2 其它改造内容

装置仪表、电气等均随工艺进行适应性改造。土建改造内容主要是新增设备的基础，原有土建框架主体结构可以基本不动，也不新增土建构架，改造工程量非常小。为适应装置改造后的工艺流程，需要新增、更换部分管道，但大部分可以利旧。

3.3 工程投资

不计及催化剂投资，装置改造新增工程费用约1 300×104元，不到1套新建同类、同等规模装置工程费的50%。工程费主要集中在新增醚化反应器、更换塔内件、仪表新增和改造、更新机泵等。

4 装置生产数据及改造效果分析

4.1 装置C 4原料性质

混合C4进料生产实测组成见表4。

表4 混合C4=进料生产实测组成

4.2 产品性质

（1）装置开工生产后MTBE产品质量满足指标值要求，MTBE实测性质见表5；

表5 MTBE产品性质

（2）装置副产品未反应C4（醚后C4）也达到规定的指标值要求，其实测性质见表6；

表6 未反应C4性质

（3）装置开工生产后主产品和副产品均可达到质量标准。

4.3 装置生产实际能耗

装置生产实际能耗为117.12 kg标油/tMTBE，合4 903.46 MJ/t的MTBE，低于《炼油装置工艺设计规范》（SH/T3121）异丁烯含量18%混相床常规转化能耗值5 000 MJ/tMTBE。

原料异丁烯含量18%深度转化时能耗标准应更高，该装置属于深度转化工艺，在原料异丁烯含量只有18%左右的情况下，不到5 000 MJ/tMTBE的能耗是可以接受的。

装置能耗主要来源于蒸汽消耗，其占总能耗98%以上。

装置长期生产实测数据显示，原料中异丁烯转化率高，生产平均值大于99.5%,最高99.8%。

装置废水、废气均可达标排放。

改造后装置生产运行稳定，处理量、操作弹性均能达到设计要求。装置生产实际能耗见表7。

表7 装置生产实际能耗值（标定数据）

5 结论

（1）气体分馏装置改造为化工型MTBE装置原装置的设备、材料、土建结构的利用率非常高，改造工程量小。

（2）在原装置界区内就可完成改造，不需要新增用地，主要设备均可就地实施改造。

（3）改造周期短、见效快，不到6个月即可完成全部的工程改造并投入运转。

（4）投资省，如不考虑催化剂的投资工程建设投资不到新建装置50%。

（5）从改造效果来看，改造装置的生产稳定性、产品质量、装置能耗等生产各项技术指标均与同规模同工艺路线的新建装置相当。

（6）利用闲置的小型的气体分馏装置改造为MTBE装置具有非常好的工业推广价值。