扬子芳烃吸附分离装置运况分析与调优.doc

吸附分离装置的运况分析与调优陈松林 夏中才（中国石化扬子石化股份有限公司芳烃厂）摘 要：文章介绍了近年来对吸附分离装置所进行的技术攻关与技术改造，并依据模拟移动床吸附分离理论，对目前吸附分离装置的运况进行分析，提出对吸附分离装置进一步调优的设想。 关键词：吸附分离 攻关与改造 运况 调优 扬子石化股份公司芳烃厂吸附分离装置是采用美国环球油品公司（UOP）开发的Parex模拟移动床工艺技术，生产高纯度对二甲苯（PX）的装置。吸附塔共装填K-Ba-X型分子筛吸附剂1406.25吨（t），体积1599.4m3，装填密度0.8096t/m3，装填效率74%，其中选择性体积14.5%，非选择性体积59.5%。自1990年3月装置开车以来，装置不断通过技术攻关和技术改造，消除瓶颈，进行升级扩能， PX产量由最初设计的45万吨/年提高到55万吨/年，PX 纯度可控制在99.50%（重）以上，PX单程理论收率（以下简称单收）可控制在92.00%（重）以上 。但吸附剂已投用14年，其吸附分离性能呈下降趋势，装置超负荷运行时，PX单收较低，同时吸附分离装置中关键设备和关键调节阀的运况也不甚理想，因此必须对吸附分离装置进一步调优，从而实现装置运行最佳化。1 UOP Parex模拟移动床工艺原理 UOP Parex法是利用吸附剂的选择性吸附性能，从二甲苯的同分异构体、乙苯及非芳烃的烃类的混合物中选择性吸附PX，再通过解吸剂（对二乙基苯）将其解吸出来，送入精馏系统进行分离，生产高纯度PX的连续分离方法。 模拟移动床工艺采用2个串联的立式吸附塔，由2台循环泵维持塔内的液体向下流动，每个吸附塔分为12个床层，每个床层用床层管线与旋转阀连接，通过旋转阀分配7股物料同时进出吸附塔，旋转阀周期性步进旋转，进行吸附塔床层管线依次向下切换，接连不断地改变吸附塔床层进料口位置，模拟吸附剂向上运动，实现了固相的分子筛吸附剂与液相物料的逆向传质。图1 模拟移动床圆环形操作示意图 吸附塔通过七股物料的进出，将吸附塔24个床层按一定规律划分为吸附区(7)、精制区(9)、解吸区(5)、缓冲区(3)（见图1）。吸附分离效果主要取决于吸附塔四个主要流程性能变量即循环比值(相当于筛油比)、精制区回流比、解吸区回流比和缓冲区回流比的控制。2 历年技术攻关和技术改造情况 吸附分离装置循环泵的计算控制器和旋转阀控制系统是采用20世纪70年代初UOP Monirex专利技术，装置故障发生的频率高，1994年6月对循环泵的计算控制器和旋转阀控制系统进行了DCS控制系统改造。并针对PX单收较低的情况，利用DCS控制系统以程序控制的方式将一次冲洗液流量与被冲洗的床层管道体积相关联，以每次冲洗的床层管线的实际体积倍数确定当前的一次冲洗液流量，实现一次冲洗液流量精确控制，在纯度不变的条件下PX单收提高到92.00%（重）以上，PX产量提高了11以上。为消除夏季装置高负荷生产的瓶颈，同年10月对抽出液塔DA-604和抽余液塔DA-603塔顶冷却方式进行了改造，在DA-604塔塔顶空冷后新增加一台冷凝器；利用解吸剂冷却循环流程冷却DA-603塔塔顶回流泵出口部分物料。 为提高PX产品质量，1995年10月对旋转阀转子板进行了改造，将吸附精制区床层数由原来的5增加到6，解吸区床层数由原来的5减少到4，PX纯度达到99.50%（重）以上。 为消除装置高负荷生产的瓶颈，1997年8月对吸附分离装置进行了改造，精馏系统新增一抽出液塔，将原抽出液塔改造为PX成品塔，原DA-603塔为A塔并新增四台塔顶空冷器和塔底新增两台解吸剂直接去缓冲罐泵，原PX成品塔改造为DA-603B塔。为减少公共吸入口死区的物料，吸附系统对公共吸入口管线上阀门进行了改造，将公共吸入口阀改为电动阀；为减少封头物料进入吸附塔内，吸附系统对封头冲洗控制方式进行了改造，将封头冲洗部分物料引出至DA-603A塔，并由调节阀控制。装置的处理能力因此提高了21.56%。 针对PX成品塔DA-605塔顶PX含量过高的情况，1998年4月对PX成品塔DA-605灵敏板重新核算，确定第十四块塔板为灵敏板，并采用温差与塔顶回流进行串接控制，从而消除塔压波动影响，使控制参数运行平稳，塔顶PX含量控制由5%（重）降低到在2%（重）以内。 为进一步提高DA-603A塔的运行质量，2001年8月对DA-603A塔实现先进控制，塔运行更加平稳，解吸剂被OX污染的频率和塔运行能耗进一步降低。 为进一步降低解吸剂循环量，2003年4月，在吸附分离装置中安装了吸附分离调优控制软件，实现在线运行，将一次冲洗液流量和解吸剂流量与各床层管道体积相关联，实现解吸剂流量精确控制，从而使解吸区区域流量稳定，解吸剂循环量因此减少5%（重）以上。 为防止原料中过量的水对吸附剂伤害，2004年4月，在吸附分离装置C8A原料管线上安装水含量在线分析仪，实时监控吸附原料中的水含量。3 装置的运况分析3.1 原料中乙苯含量超标原因及对产品纯度的影响分析 2001年大检修后，二甲苯生产装置已连续运行三年，异构化反应催化剂也已超期运行到末期，乙苯（EB）的转化率降至1822%（重）（设计值26%），导致吸附分离装置C8A原料中乙苯（EB）平均含量超过设计指标13.00%（重）。原料中C8A组分组成见表1，其中对二甲苯（PX）、间二甲苯（MX）和邻二甲苯（OX）含量基本符合要求。在吸附分离装置中吸附剂对混合二甲苯的吸附选择性次序为PXEBOXMX ，因此C8A原料组成中EB含量直接影响着PX纯度，EB含量超标，可通过对吸附塔四个主要流程性能变量进行组合优化，实现 PX纯度和单收的达标。表1 原料组成中碳八芳烃组分正常和目前状态的分布 %（重）原料中C8A正常状态目前状态乙苯（EB）11.5012.5012.6014.34对二甲苯（PX）18.0019.0018.0019.50间二甲苯（MX）44.5046.5044.9446.75邻二甲苯（OX）13.0014.0013.1014.143.2 抽出液和二次冲洗液流量的控制分析吸附分离装置中抽出液流量和二次冲洗液流量是恒量，而吸附塔各床层管道体积是不等的，因此控制精确度不够。抽出液流量是以尽可能抽出被解吸下来的PX产品来确定的，其流量过低，PX单收低，其流量过高，抽出液中的解吸剂含量高，装置能耗高；二次冲洗是辅助冲洗，是对一次冲洗的补充，尽可能提高PX单收，冲洗流量过高PX单收反而降低，其冲洗流量是以某一代表性床层管道体积倍数来确定的。3.3 塔压波动原因及对吸附分离效果的影响分析 吸附分离装置在运行过程中，旋转阀步进进行吸附塔床层切换瞬间，压控阀和泵送流量调节阀动作相对缓慢，吸附塔塔压波动很大。另外吸附塔进出物料流量计或调节阀故障也会造成塔压波动。吸附塔塔压在UOP Parex法中有着严格的控制，塔压波动大易造成吸附塔各区划分不清, PX 纯度和PX单收下降; 塔压波动巨大易造成吸附塔格栅变形，吸附剂松动错位，导致吸附剂填充密度不均匀，从而影响到床层内液体的流速分布，造成区内吸附性能差异性。3.4 吸附剂吸附分离性能下降原因分析 吸附塔经过14年的运转使用，吸附剂吸附分离性能呈下降趋势，表现在吸附剂的吸附容量实际在下降，吸附剂吸附性能操作曲线上移。吸附剂吸附分离性能下降的主因是吸附剂吸附的总传质速率下降，而总传质速率下降又主要表现在单位吸附剂的比表面降低、孔容变小，吸附的总传质速率方程为： q = Ks×ap× (q*-q)式中： q 吸附剂上吸附质的含量，kg吸附质/kg吸附剂；q 时间，s； 每千克吸附剂的吸附速率，kg/s.kg ap吸附剂的比表面，m2/kg； Ks总传质系数，kg/s.m2；q*与吸附质浓度为某值的流体，呈平衡的吸附剂上的吸附质含量。 吸附剂的比表面降低、孔容变小的原因有：（1）原料中的杂质如C9A重芳烃日积月累占据更多的有效选择吸附剂孔，不易解吸；解吸剂中的杂质如高沸物和烯烃类等不饱和物质易在吸附孔内形成聚合胶状物。（2）设备和操作因素导致水含量过高，会造成吸附剂水热作用破坏；吸附塔床层局部区域压力骤降，会造成吸附剂孔内物料汽化，使少量吸附剂粉末化。3.5 DA-603B塔波动原因及影响分析 吸附分离装置精馏系统中，DA-603B塔是抽余液辅助塔，其运行性能很不稳定，塔底解吸剂常被OX轻度污染，该塔的解吸剂损耗也大。因为DA-603B塔处理量仅有100 m3/h，塔的操作灵敏度非常高，其塔底再沸量由二甲苯分离塔DA-804塔塔顶提供，由流量调节阀控制，易受DA-804塔塔压波动影响。DA-804塔塔压一旦有稍大的波动， DA-603B塔波动尤大，而且DA-603B塔不易调整至正常。 4 装置进一步调优的设想 在吸附分离装置中原料的处理量受吸附剂吸附和解吸速度及流体速度分布等因素的限制2, 吸附剂孔穴内吸附的循环量决定原料的处理量，原料进料中PX的流率与吸附剂孔穴内吸附的循环量比值决定PX单收（见图2），两者均受旋转阀的步进时间限制即PX进入吸附剂孔穴传质速率的限制。因此，保持PX纯度所需的临界控制值，实现装置超负荷运行，减少解吸剂循环量，提高PX单收是装置进一步调优的目标。 对二 甲 苯 单 收 (重)% 1 2 3 Sf 0.75 0.90 1.0 A/Fa 图2 对二甲苯单收与 A/Fa的关系 1-A/Fa<Sf孔穴限制区；2 -操作区；3 -A/Fa1.0传质限制区 4.1 抽出液流量和二次冲洗液流量实现精确控制在吸附塔的进出物料平衡中，解吸区流量L3的物料平衡公式为：L3 = L2 X + E 固定循环时间、原料进料量、各区回流量、一次冲洗液流量，式中，当二次冲洗液流量下降X时，抽出液流量可降低E（E=X），吸附塔的解吸剂循环量降低X。因此吸附分离装置中可采用程序控制的方式将一次冲洗液流量与被冲洗的床层管道体积相关联，以每次冲洗的床层管线的实际体积倍数确定当前的二次冲洗液流量，实现二次冲洗液流量精确控制，从而减少吸附塔的解吸剂循环量，同时保持吸附区吸附剂吸附的PX量也相对稳定。为克服二次冲洗液流量程序控制所造成的区域流量变化，可将抽出液流量和二次冲洗液流量相关联，实现流量程序控制，确保区域流量不变，使吸附塔各床层压差和各床层吸附和解吸效果稳定，PX单收进一步提高。4.2 吸附塔实现先进控制 运用多变量预测控制软件（已在DA-603A塔中成功运用），将吸附塔操作中的部分变量根据其性能分为受控变量、操作变量和干扰变量，通过推测将要发生的压力与流量变化，确定要改变开度的调节阀，进行系统协调控制，并不断滚动优化和反馈校正，从而实现对塔压和泵送循环流量的精确控制。同时软件中可设计当压力与流量波动超出一定值时，及时报警提示，可达到及时处理和预防事故的目的。4.3 DA-603B塔塔底再沸量控制方式改进 DA-603B塔塔底再沸量是由流量调节阀控制，可在流量调节阀前增加一压力控制调节阀，从而消除DA-804塔塔压波动对其影响，并实现两调节阀对DA-603B塔塔底再沸量进行组合控制。5 结论（1）通过对装置不断进行的技术攻关和技术改造，已提高了装置的产能和改善装置运行运况。（2）严格控制工艺参数和物料中的杂质含量，可以延缓吸附剂的吸附性能下降趋势。（3）通过对抽出液流量和二次冲洗液流量的精确控制，并实现吸附塔先进控制和DA-603B塔塔底再沸量控制方式改进，装置进一步调优是可行的。 参 考 文 献1 陈洪钫 刘家祺编报 化工分离过程 化学工业出版社 1995年5月2 叶振华编著 化工吸附分离过程 中国石化出版社 1992年12月