烯烴催化裂解裝置反應(yīng)進料系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化
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時海濤*
（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101）
摘要：通過挖掘現(xiàn)有烯烴催化裂解技術(shù)在節(jié)能方面的潛力，提出了一種反應(yīng)進料先氣化，再作為膨脹機工質(zhì)做功，從而降低能耗的反應(yīng)進料系統(tǒng)。通過工程實例，對比現(xiàn)有技術(shù)方案和改進方案，證明改進方案可達(dá)到降低裝置能耗，節(jié)省操作費用的效果，同時不影響預(yù)加氫反應(yīng)和催化裂解反應(yīng)。
關(guān)鍵詞：烯烴催化裂解；進料系統(tǒng)；節(jié)能優(yōu)化；膨脹機
中圖分類號：TQ211 文章編號：0253 - 4320( 2016) 04 - 0146 - 04
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 036
1技術(shù)背景
烯烴催化裂解技術(shù)是利用乙烯裝置、MTO裝置或煉油裝置副產(chǎn)的碳四及更重組分作為原料，在催化劑作用下，催化裂解原料中所含的烯烴，獲得輕分子烯烴丙烯和乙烯的一種方法。為避免原料中夾帶的二烯烴、炔烴等在催化裂解反應(yīng)器內(nèi)積碳，造成催化劑失活、反應(yīng)周期縮短，及副反應(yīng)增多、反應(yīng)選擇性下降，通常設(shè)置反應(yīng)進料預(yù)加氫反應(yīng)器，去除二烯烴、炔烴等有害組分。
該技術(shù)的典型工藝如圖1所示。原料經(jīng)預(yù)加氫單元，去除二烯烴、炔烴等有害組分后，經(jīng)減壓閥減壓，再經(jīng)氣化單元被加熱氣化后，進入催化裂解反應(yīng)單元，原料中的碳四及更重烯烴轉(zhuǎn)化為丙烯、乙烯。
分析圖1所示流程可知，上述流程中各設(shè)備操作條件（操作壓力、操作溫度、介質(zhì)相態(tài)等）由預(yù)加氫反應(yīng)和催化裂解反應(yīng)的條件決定。預(yù)加氫反應(yīng)為液相的選擇性加氫反應(yīng)，反應(yīng)起始溫度較低，操作壓力較高，進料中烴類呈液相，少量氫氣呈氣相，反應(yīng)后氫氣大部分被消耗，剩余氫氣溶解在液相烴類中，故反應(yīng)產(chǎn)物呈液相。催化裂解反應(yīng)則是氣相且分子數(shù)增多的反應(yīng)，故反應(yīng)壓力較低，而反應(yīng)溫度較高。因此反應(yīng)進料系統(tǒng)的作用是將壓力較高的液相加氫產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫^低的氣相催化裂解反應(yīng)進料，即此部分要實現(xiàn)2步操作：①降壓；②氣化。
而從節(jié)能角度分析，上述流程采用了如反應(yīng)進出料換熱等節(jié)能措施，能量的利用似已較為充分，若要進一步挖掘節(jié)能潛力，在不改變反應(yīng)條件的前提下，如何利用好2個反應(yīng)之間的壓力差，成為節(jié)能優(yōu)化的突破口。
膨脹機是使氣體膨脹做功，同時產(chǎn)生冷量的機器。主要用于節(jié)能和制取冷量。國外的石化工藝技術(shù)專利商和透平膨脹機專業(yè)制造廠，均將余壓、廢熱的能量回收作為一個方向加以研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用。這些應(yīng)用實踐為回收余壓以降低能耗開辟了道路。
綜上所述，開發(fā)一種反應(yīng)進料流程，利用膨脹機代替減壓閥減壓，回收物料的壓力勢能，是本文中的主旨。
2改進方案
在不改變反應(yīng)進料系統(tǒng)操作目的（即降壓和氣化）的前提下，為利用膨脹機實現(xiàn)裝置的進一步節(jié)能，提出了改進的烯烴催化裂解反應(yīng)進料系統(tǒng)及方法。采取先將預(yù)加氫反應(yīng)出料加熱氣化，再用作膨脹機工質(zhì)驅(qū)動機泵的方法，代替?zhèn)鹘y(tǒng)流程先減壓再氣化的方法，利用預(yù)加氫反應(yīng)出料的壓力勢能做功，達(dá)到降低能耗，節(jié)省操作費用的目的。
這種烯烴催化裂解反應(yīng)系統(tǒng)如圖2所示。預(yù)加氫反應(yīng)出料不減壓直接被加熱氣化，氣化后經(jīng)膨脹機減壓至催化裂解反應(yīng)所需壓力。膨脹機通過軸承與機泵相連，軸承還連接電機或透平。膨脹機輸出功率與機泵需要功率相比，不足部分由電機或透平提供，此電機或透平在膨脹機無工質(zhì)時還充當(dāng)開工動力來源。
3工程實例
下面結(jié)合某烯烴催化裂解裝置實例，說明本文中所述改進方法的實施方案及效果。
某工程項目烯烴催化裂解裝置原工藝包采用如圖1所示流程：自上游來的原料（F-1）在預(yù)加氫進出料換熱器1與加氫反應(yīng)出料換熱冷卻，再經(jīng)預(yù)加氫冷卻器2冷卻至40℃，與氫氣(F-2)混合進入預(yù)加氫反應(yīng)器3。預(yù)加氫反應(yīng)器的操作壓力為2.9 M Pa，反應(yīng)溫升為9℃。預(yù)加氫反應(yīng)器出口物料，一部分經(jīng)預(yù)加氫循環(huán)泵4升壓，返回至預(yù)加氫冷卻器2，作為預(yù)加氫循環(huán)物料；一部分經(jīng)預(yù)加氫進出料換熱器1與原料（F-1）換熱升溫，作為預(yù)加氫反應(yīng)出料(F-3)送至下游。預(yù)加氫反應(yīng)出料（F-3）經(jīng)減壓閥5減壓后，送至催化裂解進料氣化罐6，減壓閥上游操作壓力為2. 69MPa，操作溫度為130℃，閥出口壓力為0. 49MPa，催化裂解進料緩沖罐的操作壓力為0. 49MPa,操作溫度為89℃。預(yù)加氫反應(yīng)出料在進料氣化器7被加熱氣化后，氣相再經(jīng)進料過熱器8加熱至104℃。過熱的預(yù)加氫反應(yīng)出料F_5在催化裂解反應(yīng)進出料換熱器10與催化裂解反應(yīng)器出料換熱升溫，再經(jīng)進料加熱器11被加熱至反應(yīng)溫度后，進入催化裂解反應(yīng)器12。進料加熱器操作壓力0. 32 M Pa，物料側(cè)出口溫度為575℃；催化裂解反應(yīng)器操作壓力0. 07MPa，反應(yīng)溫度為575℃。催化裂解反應(yīng)器出料與預(yù)加氫反應(yīng)出料（F-5）換熱后，再經(jīng)催化裂解反應(yīng)出料冷卻器冷卻至40℃，作為烯烴催化裂解反應(yīng)出料（F -6）送至下游分離單元。
應(yīng)用上述改進方法，采用如圖2所示流程。預(yù)加氫反應(yīng)出料（F-3）在進料氣化器7被加熱氣化，氣相(F -4’)進入膨脹機9作為工質(zhì)做功，驅(qū)動機泵。膨脹機以氣化后的預(yù)加氫反應(yīng)出料為工質(zhì)，預(yù)加氫反應(yīng)出料在膨脹機內(nèi)做功減壓并氣化。其他各步驟參數(shù)與原工藝包方案相同，綜合考慮管道阻力降等，確定預(yù)加氫反應(yīng)出料在膨脹機做功減壓后壓力為0. 36 M Pa。
4改進效果
采用通用的流程模擬軟件，對原方案及改進方案進行了模擬，并對反應(yīng)進料系統(tǒng)的能耗及操作費用進行了核算。原工藝包各物流組成見表1；反應(yīng)進料系統(tǒng)公用工程消耗、綜合能耗及操作費用核算見表2。改進方案各物流組成見表3，反應(yīng)進料制備系統(tǒng)公用工程消耗，綜合能耗及操作費用核算見表4。
對比表1、表3結(jié)果可知，改進方法既不會改變預(yù)加氫操作條件，也不會改變催化裂解進料條件，僅在預(yù)加氫與催化裂解之間的反應(yīng)進料制備過程中，物料的溫度、壓力及相態(tài)有所改變。
對比表2、表4結(jié)果可知，改進方法單位時間能耗可比原方案減少44.15 kg標(biāo)油；單位時間操作費用可降低236.4元，按年操作8 000 h計，每年可節(jié)省操作成本189. 12萬元。因增設(shè)膨脹機及進料氣化器等設(shè)備壁厚增加所產(chǎn)生的投資增量也可在短時間內(nèi)收回。
5討論
根據(jù)烯烴催化裂解裝置特點，即預(yù)加氫反應(yīng)壓力高、溫度低且為液相反應(yīng)，而催化裂解反應(yīng)壓力低、溫度高且為氣相反應(yīng)，順勢而為，采取先將反應(yīng)物料氣化再用作膨脹機工質(zhì)的方法，回收物料的壓勢能，達(dá)到了節(jié)能降費的目的。
改進方法的實施效果受到多種因素的影響，這些因素大體可分為2類，一類影響節(jié)能效果，另一類則影響降費效果。
(1)影響節(jié)能效果的因素。根據(jù)上述工程實例，原工藝方案反應(yīng)進料系統(tǒng)的能耗為進料氣化器和進料過熱器的蒸汽消耗；改進方案的能耗為進料氣化器的蒸汽消耗，同時膨脹機回收電能。比較2種方案，改進方案的蒸汽總耗量略有增加，但是卻能回收一定量的電能。因此改進方案的節(jié)能效果由回收電量與蒸汽消耗增加量的差值決定。蒸汽消耗量增加是由氣化壓力的提高造成的，而回收電量則取決于膨脹機進出口壓差。因此，兩者從根本上說是由預(yù)加氫反應(yīng)壓力和催化裂解反應(yīng)壓力決定的。對于本裝置來說，反應(yīng)是最為關(guān)鍵的，反應(yīng)操作條件首先被確定，其他設(shè)備操作條件乃至工藝流程，都要圍繞反應(yīng)來設(shè)計。因此，一旦反應(yīng)操作條件確定，則改進方案的最大節(jié)能效果就已確定。而改進方案的實際節(jié)能效果由膨脹機進出口壓差占兩反應(yīng)壓力差的比值決定，比值越接近1，即膨脹機進出口壓差越接近兩反應(yīng)壓力差，節(jié)能效果越好。也就是說，盡量降低預(yù)加氫反應(yīng)器至催化裂解反應(yīng)器之間的設(shè)備及管路壓降，有利于取得更好的節(jié)能效果。具體的工程措施包括：選擇低壓降換熱器，采用低催化劑床層壓降反應(yīng)器及優(yōu)化設(shè)備布置，盡量減少管線長度等。
(2)影響降費效果的因素。當(dāng)膨脹機進出口壓差確定后，改進方案的降費效果則由當(dāng)?shù)氐碾姾驼羝膬r格決定。因此，改進方案更適合那些電價貴而蒸汽價格便宜的企業(yè)。當(dāng)不同品位（壓力）的蒸汽價格不同時，則還需考慮蒸汽價差對降費效果的影響。對于本文中的實例，當(dāng)?shù)蛪赫羝麅r格降為150元／t，而中壓蒸汽價格仍為200元／t時，原方案單位時間操作費用降為715. 35元/h，低于改進方案費用，即改進方案無降費效果，但節(jié)能效果依舊。
6結(jié)語
通過挖掘現(xiàn)有烯烴催化裂解技術(shù)的節(jié)能潛力，提出了改進工藝流程，達(dá)到了如下效果。
(1)降低裝置能耗
通過將預(yù)加氫反應(yīng)出料在較高壓力下氣化，用作膨脹機工質(zhì)驅(qū)動機泵，回收利用物料的壓力勢能，全部或部分替代機泵所需蒸汽或電，從而降低裝置能耗。
(2)減少操作費用
本文中所述方法與傳統(tǒng)方法相比，由于總體公用工程消耗量降低，裝置操作費用可明顯減少；新增膨脹機及催化裂解進料氣化罐等部分設(shè)備設(shè)計條件提高所增加的投資，可在較短時間內(nèi)回收，改進方案經(jīng)濟效益明顯。
(3)不影響預(yù)加氫反應(yīng)和催化裂解反應(yīng)
本文中所述方法不需改變預(yù)加氫反應(yīng)和催化裂解反應(yīng)操作條件，對兩者無影響。
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