异丁烯装置工艺的节能优化.pdf

齐鲁石油化工,2 0 2 3,5 1(2)：1 30-1 32工业技术QILUPETROCHEMICALTECHNOLOGY异丁烯装置工艺的节能优化马岩龙（万华化学集团股份有限公司山东烟台2 6 4 0 0 6）摘要：采用预分馏技术，解决了因异丁烯装置产物分离顺序不合理而造成地产物水洗及回收系统能耗较高的问题；而采用螺旋扭曲管换热器，可充分回收反应系统热量，降低反应系统的加热负荷。通过运用AspenPlus流程模拟软件对异丁烯装置工艺实施预分馏技术和螺旋扭曲管换热器的模拟优化并进行了工业应用，实现了装置的节能增效。关键词：异丁烯；预分馏；换热器；节能中图分类号：TQ221.23异丁烯作为一种重要的化工原料，可以用于生产聚异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、丁基橡胶等化工产品。目前，异丁烯装置的生产主要以甲基叔丁基醚（MTBE）裂解工艺为主，裂解产物经过分离精制得到异丁烯产品，副产物甲醇可作为MT-BE装置的原料继续循环使用 2 。在生产过程中,裂解反应系统常常因进出料换热系统压降大，换热不充分，导致反应系统加热负荷较大。同时，分离系统由于异丁烯与甲醇存在共沸现象,而无法通过简单的精馏将其分离，分离过程复杂且能耗较高,整个装置的能耗集中在裂解反应系统和精馏系统。在传统分离工艺中,裂解产物直接通过水洗的方式脱除甲醇，导致用水量较大，甲醇回收能耗高，精馏分离系统能耗占异丁烯装置能耗约7 0%。因此，通过优化异丁烯工艺流程从而降低异丁烯装置裂解反应系统和精馏系统的能耗具有重要的现实意义。1异丁烯装置工艺的优化1.1传统工艺异丁烯装置生产工艺通常可分为高压法和低压法,两种工艺区别为反应系统压力不同,高压法操作压力为0.5 0.7 MPa，低压法工艺操作压力为0.1 0.3MPa。高压法操作压力高,反应物料经过冷凝后气相组分无需经过压缩机升压，直接进人后续分离系统。低压法转化率可达9 7%以上，较高压法高约1 0%，因此当前异丁烯装置多采用低压法,其主要工艺流程如图1 所示。文献标识码：B文章编号：1 0 0 9-9 8 5 9(2 0 2 3)0 2-0 1 30-0 3精制MTBE1一进出料换热器;2 一加热器；3一反应器；4 一分液罐；5 一水洗塔;6 一甲醇回收塔；7 一压缩机;8 一脱轻塔;9 一脱重塔该工艺包括裂解反应、异丁烯精制和水洗及甲醇回收3个部分。反应产物主要为异丁烯、甲醇以及少量未反应的原料MTBE及副产物二甲醚等。MTBE经过加热后进人到反应器，所得反应产物经过冷却闪蒸后，液相甲醇做为副产品采出，气相组分则经过水洗塔水洗去除其中的甲醇，水洗后的甲醇水溶液进入甲醇回收塔回收副产物甲醇，而水洗水返回水洗塔循环使用。水洗后气相异丁烯通过压缩机加压后进人脱轻塔和脱重塔，去除反应副产物二甲醚和未反应的MTBE等轻、重组分，得到高纯异丁烯产品。然而，由于气相中甲醇质量分数高达9%以上，因此导致水洗及甲收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 2；修回日期：2 0 2 3-0 5-1 1。作者简介：马岩龙（1 9 8 5 一），男，工程师。2 0 1 2 年毕业于四川大学化学工程专业，现在万华化学集团股份有限公司从事研发工作。电话：0 5 35 30 32 7 7 4;E-mail：y a n l o n g ma 。甲醇轻组分异丁烯2循环水图1 传统异丁烯装置工艺流程示意重组分2023,51(2)醇回收系统负荷较大，从而使装置能耗较高。1.2预分馏工艺预分馏工艺是一种根据原料各组分沸点不同将原料进行组分切割的分离技术。本研究采用预分馏工艺，将沸点较高的组分分离,从而降低后续分离的难度。考虑到反应产物中甲醇和异丁烯沸点差较大的物性特点,反应产物中的甲醇和异丁烯可以通过预分馏技术实现粗分离，从而降低后续分离的能耗。与传统工艺相比，在不增加设备的前提下，优化了分离序列,减少了进入水洗系统的甲醇量,将反应产物的气相水洗改为液相萃取工艺,从而提高了甲醇的吸收效率。通过优化,降低了吸收剂的循环量，从而降低了装置的运行能耗，具体流程如图2 所示。反应产物经过压缩机加压后首先进人预分馏塔，将产物中的甲醇与异丁烯进行初步分离，同时也实现了异丁烯脱重的目的。塔底得到粗甲醇产品,塔顶分离的液相异丁烯产物经过水洗塔，萃取脱除异丁烯中少量共沸的甲醇。甲醇水溶液进入甲醇回收塔,塔顶采出甲醇产品，甲醇回收塔塔底工艺水返回水洗塔循环使用。经过水洗后的异丁烯经过脱轻塔，得到精制异丁烯产品。轻组分精制MTBE图2 预分馏异丁烯装置工艺流程示意1一进出料换热器；2 一加热器；3一反应器；4 一压缩机；5一预分馏塔；6 一水洗塔7 一甲醇回收塔；8 一脱轻塔1.3预分馏工艺与传统工艺技术对比以W企业2 0 kt/a异丁烯装置为研究对象，通过运用AspenPlus流程模拟软件分别对预分馏工艺和传统工艺进行模拟 3,重点从进入水洗系统物料组成和水洗甲醇量、气相组分的压缩处理及甲醇回收系统3方面进行比较。传统工艺与预分馏工艺水洗塔进料的组分对比见表1。由表1 可知：在传统中艺中异丁烯装置反应器出口物料组成主要为异丁烯和甲醇,反应产物经过冷却至4 0,并在0.1 5 MPa下进行一级闪马岩龙异丁烯装置工艺的节能优化蒸,闪蒸后的气相组分中甲醇质量分数为9.34%，占反应产物总甲醇含量的32.5 0%。而经过预分馏后，进入水洗系统的异丁烯中甲醇质量分数为3.2 5%。预分馏后的异丁烯经过水洗后,进入异丁烯脱轻塔,脱除裂解反应的二甲醚等副产物,得到合格的异丁烯产品。与传统工艺相比,经过预分馏后异丁烯中甲醇质量分数降低了60%，从而使后续甲醇水洗塔中水洗量大幅降低。表1 异丁烯装置模拟物料组成质量分数/%水洗塔进料组分反应产物甲醇34.96异丁烯61.79二甲醚0.72其他2.53合计100在传统工艺中，反应产物中气相组分经过压缩机升压到0.5 5 MPa后进行冷凝至4 0,液相组分则由输送泵送入后续分离系统。而在预分馏工艺中，气相组分则直接经压缩机升压至0.5 5MPa，压缩机出口8 0 的高温气相组分直接进入预分馏塔，这充分利用压缩功并提高进人预分馏甲醇塔的气相温度,从而降低预分馏分离系统的能耗。预分馏塔在预分馏工艺中不仅起到了异丁烯8脱重的目的,还能够对反应产物进行粗分离。相23131.传统工艺预分馏工艺9.343.2588.8794.180.792.051.000.52100100比传统工艺流程，在不改变设备数量的基础上，预分馏塔可以减少反应产物水洗水用量、降低甲醇循环水异丁烯粗甲醇回收塔系统的循环水量以及蒸汽和机泵的用电量消耗。通过将大部分反应产生的甲醇分离出来，预分馏塔减小了水洗塔和甲醇回收的处理规模，从而降低了装置运行成本，甲醇回收系统能耗降低约 6 0%。2反应进出料换热器优化异丁烯的裂解反应为吸热反应，反应温度为250280。在反应前,原料需被加热至反应温度,在催化剂的作用下发生裂解反应；而反应产物则需被冷却至4 0 后再进行后续的压缩和分离工序。为了充分利用反应高温物料的热量,采用进出料换热器回收热量用以加热原料，不足部分则通过加热导热油补充。在传统工艺中,采用管壳式换热器进行原料与产物的换热。由于换热器齐鲁石油化工132QILUPETROCHEMICALTECHNOLOGY进出口传热温差为6 0，反应热量损失严重。为了充分回收热量并降低导热油的加热负荷，装置采用了多台换热器串联操作。然而，这导致了换热系统压降大于4 0 kPa,从而使裂解反应转化率降低约1%。为了充分利用反应产物作为原料加热,且尽量降低系统压降,对换热设备进行了优化设计，避免了管壳式换热器传热系数较低且换热器占地面的大的缺点。采用螺旋扭曲管换热器代替传统的管壳式换热器,无需折流板，从而使介质在换热器内端流流动，有效地提高了换热器的传热系数,降低了压降且换热面积减小，可提高传热效率2 倍以上。与传统的换热器相比，换热温差大幅降低,从而有效降低装置能耗。运用AspenPlus流程模拟软件模拟W企业2 0 kt/a异丁烯装置采用螺旋扭曲管换热器的情况 4 ,并将其与管壳换热器进行对比,结果见表2。表2 螺旋扭曲管换热器与管壳换热器模拟参数对比项目螺旋扭曲管换热器管壳换热器设备台数1设备尺寸/mmmm700 9 000设备材质S32168设备压降/kPa10传热温差/10回收热量/kW280设备造价/万元10.3由表2 可知：相比管壳换热器的进出口温差为6 0,采用螺旋扭曲管换热器可将换热器的进出口温差降低至1 0。通过使用螺旋扭曲管换热器，回收的热量增加了到1 6 0 kW，同时最大程度地回收了热量，降低了导热油系统的燃气消耗量，节省了公用工程消耗成本。尽管设备投资费用有所提高，但节能效果显著,测算结果表明,采用螺旋扭曲管换热器可节省燃料气用量（标准态）约30 m/h，设备及改造费用约为5 0 万元，按照燃料气价格4.5 m/元计算，半年即可回收成本。3效果W企业于2 0 1 9 年在2 0 kt/a异丁烯装置进行了预分馏优化工艺和反应进出料换热系统的优化改造，水洗塔进料组成见表3，公用工程消耗对比2023,51(2)数据见表4。表3优化前后水洗塔进料组成项目改造前甲醇9.78异丁烯87.96二甲醚1.21其他1.05合计100结合表1 和表3可以看出：优化实施后，异丁烯装置实际运行情况与模拟结果基本吻合。其中二甲醚的含量升高,这主要是由于实际生产中,为了达到较高的反应转化率，提高了裂解反应温度设定值从而导致裂解甲醇缩合副反应增多,进而造成二甲醚含量升高。表4 优化工艺前后公用工程消耗项目改造前改造后循环水量/(th-l)4253蒸汽消耗量/(th-1)600 6 000天然气消耗量（标准态)/(m3h-1）Q345R40601207.8质量分数/%改造后2.9692.653.740.651003906.13.8180150由表4 可知：优化实施后，异丁烯装置每小时可节约循环水1 35 t、蒸汽2.3t、天然气（标准态）30m。以循环水价格为0.4 5 元/t、蒸汽价格为150元/t以及天然气价格为4.5 m/元计算，每年可为装置增加经济效益约4 32.6 万元。4结语通过对W企业2 0 kt/a异丁烯装置进行了分离系统序列优化和反应系统螺旋扭曲管换热器的应用,使得异丁烯装置工艺更加合理，提升了装置的节能水平,并取得了显著的经济效益。该优化方案在异丁烯装置应用的可行性得到了验证，同时也为同类装置的节能改造提供借鉴，参考文献1王玉瑛异丁烯生产技术及国内外市场分析 J上海化工，2 0 0 9,4(7)：33-37.2梁搏云MTBE裂解制异丁烯装置模拟与节能研究D青岛：青岛科技大学,2 0 1 2.3王超，高帅帅，陈光，等.基于Aspenplus模拟优化(下转第1 37 页）2023,51(2)约天然气和甲烷用量分别为1.6 h和3.2 7 h，还可节约循环水用量为7 9 7.6 2 t/h，综合节约能耗(标油)为6.4 7 t/h,节能效果显著。（3）转产混合二甲苯后，通过炼化一体优化实现了停止外购混合二甲苯，装置降低了原料成本，从而实现效益最大化，每年增效约1.5 9 亿元。表9 改造前后经济效益对比万元/h项目改造前产品产值48.47原料成本36.37燃料消耗1.33公用工程2.46边际贡献8.32朱宏林。芳烃装置转型生产混合二甲苯技术分析3蒋翠萍,李成益国内对二甲苯新增产能竞争力分析J.石油化工技术与经济,2 0 2 1,37(4）：2 4-30.改造后差量48.750.2836.03-0.340.33-1.002.090.3710.311.99 137.参考文献1杨俊泽,米多混合二甲苯国内外市场分析 J化工科技市场,2 0 0 9,32(8):1 1-1 4.2刘秋芳,王邓军,田文莉对二甲苯生产新技术分析J.广东化工,2 0 1 7,4 4(35 6):1 0 8-1 0 9.4宗弘元,陈亮.对二甲苯装置节能与扩能技术探讨J.石油化工,2 0 1 5,4 4(5):5 2 9-5 35.5杨德明,顾强,朱碧云,等.基于MVR热泵和热集成的混合二甲苯节能精馏工艺 J现代化工,2 0 1 7,37(2):165-168.TECHNICAL ANALYSIS OF MIXED XYLENE PRODUCTIONTHROUGH AROMATIC HYDROCARBON UNITZhu Honglin(Qilu Branch Co.,SINOPEC,Zibo Shandong 255400)Abstract:In response to the problems such as small scale,low production capacity,old e-quipment,outdated process flow and poor efficiency existing in an aromatics unit of a petro-chemical enterprise,the Cg resource optimization technology was applied to transform the unitfor mixed xylene production.Optimization of raw materials and product structure was realized,and economic effectiveness of the unit was improved.Key words:aromatic hydrocarbon unit;transformation;xylene;renovation(上接第1 32 页）MTBE裂解制高纯异丁烯工艺 J石油炼制与化工，2022,53(8):103-109.PROCESS ENERGY SAVING OPTIMIZATION OF(Wanhua Chemical Group Co.Ltd.,Yantai Shandong 264006)Abstract:By use of prefractionation technology,the problem of high operating cost in thewater washing and recovery system caused by unreasonable product separation sequence inisobutene units was solved.The use of spiral twisted tube heat exchanger can fully recover theheat of the reaction system and reduce the heating load.Through simulation optimization of ap-plication of the prefractionation technology and spiral twisted tube heat exchanger in isobuteneunit was executed by use of Aspen Plus process simulation software,industrial applications werecarried out,achieving energy conservation and fficiency enhancement of the unit.Key words:isobutylene;prefractionation;heat exchanger;energy conservation4梁搏云.MTBE裂解制异丁烯装置换热网络节能研究J.山东化工,2 0 1 2,4 1(4):5 7-6 0.ISOBUTENE PLANTMa Yanlong