烯烃催化裂解装置优化运行探讨.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 6 月第 46 卷第 3 期Jun.2023Vol.46 No.31烯烃催化裂解装置介绍烯烃催化裂解是将 C4、C5 烯烃在催化剂作用下转化为丙烯和乙烯等化工产品的工艺过程。某煤化工项目烯烃催化裂解（OCC）装置是利用甲醇制烯烃（MTO）装置副产的混合 C4 C5，通过催化裂解烯烃催化裂解装置优化运行探讨宋艳红，于泳（中安联合煤化有限责任公司，安徽淮南 232090）摘要：介绍烯烃催化裂解装置主要工艺流程，分析催化裂解反应切换周期、反应温度、塔系回流比对装置运行的影响，对烯烃催化裂解装置优化运行提出改进建议。通过对比分析认为反应器最佳切换周期为 5d；反应后期操作温度提高 510可提高双烯收率；脱丙烷塔回流比调整为 2.57，脱丁烷回流比调整为 0.72 最为经济。关键词：催化裂解切换周期反应温度回流比优化运行收稿日期：2023-03-14；收到修改稿日期：2023-05-25。作者简介：宋艳红，女，1980 年 11 月出生，硕士研究生学历，高级工程师，2006 年毕业于华中科技大学无机化学专业，现在中安联合煤化有限责任公司技术质量部从事技术管理工作。联系电话：[phone]；E-mail：。将低附加值的 C4 C5 转化为高附加值的乙烯、丙烯产品，同时副产重烯烃及粗丁烷。装置设计规模为年处理 C4 C510.89 万吨，年产 5.82 万吨粗丙烯返回 MTO 装置。烯烃催化裂解装置工艺流程如图 1 所示。图 1烯烃催化裂解装置工艺流程LDS 脱过热低压蒸汽；LC 低压凝液；CWS 循环水供水；CWR 循环水回水；MS 中压蒸汽；MC 中压凝液烯烃催化裂解装置包括催化裂解反应单元、压缩单元和分离单元。来自 MTO 装置的混合液相C4 C5 送至原料缓冲罐加热汽化，汽化后的原料通过加热器加热到反应所需温度后进入反应器进行催化裂解反应，反应器出口产物进入反应产物压缩机，反应气相产物被增压至 1.9MPa 左右后送至脱丙烷塔，脱丙烷塔塔顶馏出物为气相粗丙烯，作为本装置的主产品送至 MTO 装置进一步精制分离，得到聚合级乙烯、聚合级丙烯产品。脱丙烷塔的塔釜物料进入脱丁烷塔，脱丁烷塔釜液为 C5 及以上馏分，作为本装置的副产品重烯烃送至界区；塔顶液相馏出物181第 3 期宋艳红等.烯烃催化裂解装置优化运行探讨作为本装置的副产品粗丁烷送至罐区。2影响催化裂解反应的因素在催化裂解反应过程中，影响反应性能的因素有：温度、压力、空速、烯烃浓度以及催化剂活性等。由于 C4 烯烃催化裂解过程中，既有向分子量减小方向的裂解反应（通常吸热），又有向分子量增大方向的缩合聚合反应（通常放热），反应较为复杂。对反应产物丙烯和乙烯的收率及选择性的影响，通常存在以下规律。2.1温度反应温度是影响 C4 烯烃催化裂解反应性能的最重要因素之一。仅从提高丙烯收率角度考虑，反应温度在较高温度区间可获得理想的丙烯收率1；但温度越高，催化剂结焦失活的速率越快，催化剂再生周期缩短。而较低的反应温度，尽管可获得较长的活性稳定周期2，但导致 C4 烯烃聚合反应加剧，裂解反应减少，丙烯收率降低，重组分增加。因此，最终反应温度的确定应综合丙烯收率及催化剂的再生周期等多种因素，而不宜追求单一目标最优的原则。尤其应遵循在确保丙烯收率的前提下，尽可能在较低的温度条件下操作。对本工艺而言，操作的反应温度为 530560。2.2压力C4 烯烃裂解是分子数增加、体积增大的反应。降低反应压力有利于化学平衡倾向分子数增加的一侧，同时，较低的反应压力对于抑制聚合、氢转移等副反应，提高目的产物的收率及选择性，延长催化剂的活性周期都比较有利。因而，C4 烯烃催化裂解过程中，应尽可能保持在较低的压力条件下操作。2.3空速空速是影响 C4 烯烃催化裂解过程非常重要的因素，空速的高低不但影响反应器的大小、催化剂的负荷，而且对催化剂的寿命及目的产物的收率、选择性均产生重要影响。对于 C4 烯烃催化裂解而言，在温度、压力、烯烃浓度、催化剂型号等因素一定的条件下，空速过低，烃类分子在反应器内的停留时间较长，烃类分子二次反应的概率高，尤其是已经生成的乙烯及丙烯可能进一步反应生成非目的产物，影响目的产物的收率及选择性。而空速过高时，烃类分子在反应器内的停留时间过短，相应与催化剂的接触概率较小，可能来不及反应就离开反应器，烯烃转化率较低3；同时，对催化剂的寿命以及床层压降等均产生不利影响。因此，选用合适的空速甚为重要。本工艺质量空速为 1530h-1。2.4催化剂活性烯烃裂解催化剂的反应活性中心是分子筛上的酸性中心，因此，凡是能与酸性中心反应，引起催化剂酸性快速减弱或加速催化剂结焦的物质，都可认为是催化剂毒物。影响烯烃裂解反应的毒物主要为硫化合物及碱氮化合物、双烯等，这些化合物易导致催化剂快速结焦失活，影响反应的性能和稳定性。因此含毒物的原料必须进行纯化处理。本工艺控制总硫含量不大于 510-6，总氨氮含量不大于 1010-6。双烯分子如丁二烯，由于其易结焦倾向，原料丁二烯含量控制在不大于 0.5，因此在实际生产过程中反应器应定期进行切换再生。其他如金属，特别是碱性金属化合物会造成催化剂永久失活，绝对要避免接触。3周期内经济性分析烯烃催化裂解装置固定床反应器催化剂使用周期为 1a。按照专利商提出的技术要求，反应器切换周期 3d，反应温度控制在 530560，切换周期内装置双烯收率保证值不小于 43%；而作为烯烃催化裂解装置实际生产运行，在考虑双烯收率的同时，如何选择切换周期，确保装置节能降耗，实现装置效益最大化才是根本。以下对 1 个切换周期内催化剂性能及经济性进行分析。3.1周期内双烯收率衰减分析选取 OCC 装置 1 个切换周期（6d）稳定运行工况下每小时的平均数据，分析双烯收率衰减变化趋势，相关数据如表 1 所示。表 1OCC 装置双烯总收率统计项目第 1d第 2d第 3d第 4d第 5d第 6d新鲜 C4、C5 进料 （th-1）15.4214.5515.3915.3815.3815.36粗丁烷 （th-1）2.031.312.192.462.823.28重烃 （th-1）6.386.226.466.56.576.49粗丙烯 （th-1）7.017.026.746.425.995.59粗丙烯中双烯质量含量，%88.8682.8289.5991.4292.3492.83新鲜进料烯烃质量含量，%86.4188.5688.6787.9488.1889.00双烯总收率，%46.7745.1244.2543.3940.7837.961822023 年第 46 卷装置双烯（丙烯+乙烯）总收率按下列公式计算：Y=（C2+C3）C1100%式中：Y 双烯总收率，%；C1 新鲜原料中 C4、C5 烯烃总质量，t；C2 去 MTO 装置粗丙烯中乙烯质量，t；C3 去 MTO 装置粗丙烯中丙烯质量，t。由表 1 数据得出双烯总收率衰减情况趋势如图2 所示。图 2双烯总收率衰减情况趋势由图 2 可以看出，双烯总收率随着反应时间增加而减少。随着反应进行，在运行至第 5d 时，催化剂性能变化明显，双烯总收率已达不到设计保证值43%。装置实际运行工况为另一台反应器自再生开始至具备投用条件，至少需 4d，考虑装置实际切换周期及双烯总收率第 4d 为最佳切换时间。3.2不同切换周期经济性对比由表 1 得知，固定床反应器催化剂反应初期活性高，主产品粗丙烯产量较多（但此时由于选择性低，粗丙烯中乙烯与丙烯含量较低），副产品粗丁烷、重烃产量较少，随着催化剂反应时间增加，催化剂表面积碳逐渐增加，反应活性降低，选择性增加，主产品粗丙烯产量降低，副产品粗丁烷、重烯烃产量增多4。从理论上说，收率高点切换反应器，生成主产品多，但切换烧焦再生，不但损失工艺气量（再生置换时需将反应器工艺气放火炬置换），而且再生所需低压氮气和工厂风消耗增加，氮气循环压缩机和电加热器的电量消耗增加，装置能耗及生产成本增大。2021 年对反应器分别在 4d、5d、6d 切换周期内主副产品月度（按 30d）产量变化及公用工程消耗等综合经济指标方面进行分析，摸索反应器最佳切换周期。3.2.1不同切换周期产品产值影响表 2OCC 装置不同切换周期月度产品产值统计项目切换周期 4d切换周期 5d切换周期 6d丙烯+乙烯 t4455.094386.624298.82粗丁烷 t1486.531608.531746.90重烃 t4754.164780.944789.14产品产值 万元3876.823878.413869.39按照 2021 年上半年丙烯、乙烯产品价格均价5200 元 t，粗丁烷、重烃产品价格均价 2500 元 t计算，不同周期产品产值如表 2 所示。由表 2 可以看出，选取切换周期 5d 的产品产值最高。3.2.2不同切换周期能耗费用分析反应器再生一次能耗统计如表 3 所示。表 3OCC 反应器再生一次能耗统计物料名称周期累计用量折合标煤 kg电 kWh217602674.30工厂风 m34955198.20低压氮气 m34934910575.49合计13447.99根据标准煤热值 29.26MJ kg，则 1kg 原煤折合标煤 0.7143kg。按照 2021 年上半年原煤均价700 元 t 计算，反应器在不同切换周期，每月烧焦再生所需能耗费用如表 4 所示。表 4OCC 反应器不同切换周期月度再生能耗费用统计项目切换周期 4d切换周期 5d切换周期 6d反应器切换再生次数 次7.56.05.0折合标煤 kg94135.9380687.9467239.95折合原煤 kg131787.67112960.8694134.05费用 万元9.237.916.593.3不同切换周期综合效益分析通过以上对 OCC 装置不同反应切换周期内产品产值、能耗损失进行分析，计算月度装置综合效益，如表 5 所示。表 5OCC 反应器不同切换周期月度综合效益项目切换周期 4d切换周期 5d切换周期 6d综合效益 万元3867.593870.503862.81从表 5 中可以看出，对比 6d 切换周期，选择 5d切换周期每月可节约费用 7.7 万元，年节约费用约92 万元，反应器切换周期为 5d 时，装置综合效益最好。4反应温度的影响及优化反应温度是影响 C4 烯烃催化裂解反应性能的重要因素之一。反应温度的确定应综合丙烯和乙烯收率、催化剂的再生周期等因素，选取在相同反应时间内（30d），不同反应温度与粗丙烯产量、双烯总收率关系，为床层温度控制提供依据，相关数据如表 6所示。183第 3 期宋艳红等.烯烃催化裂解装置优化运行探讨表 6不同反应温度与双烯总收率关系床层温度 粗丙烯产量 t双烯总收率，%5304852.844.255355011.244.755405090.745.26由表 6 可知，床层温度升高有利于双烯收率，但高温易导致催化剂结焦而降低收率，因此反应后期建议可通过提高反应温度（510），以提高双烯收率。5回流比的影响及优化5.1装置目前回流比运行情况脱丙烷塔、脱丁烷塔设计回流比与实际运行回流比情况如表 7 所示。表 7两塔回流比设计值与实际运行值项目设计值实际运行值脱丙烷塔3.633.37脱丁烷塔0.580.89由表 7 可看出，脱丙烷塔实际回流比与设计回流比较为接近，根据 AspenPlus 软件建立脱丙烷塔的模拟模型，还有进一步优化空间；而脱丁烷塔实际回流比与设计回流比相差较多，增加了装置能耗和操作费用。5.2优化运行方案5.2.1脱丙烷塔优化方案脱丙烷塔实际运行回流比为 3.37，回流比降低，系统能耗降低，但同时产品质量也会降低。利用AspenPlus 软件建立脱丙烷塔的模拟模型，设置回流比在 2.402.60，分析一个生产周期（2021 年 3 月38 日）不同时段，脱丙烷塔塔顶乙烯+丙烯质量分数和塔底 C3 及以下组分质量分数随回流比的变化，取可以满足生产要求（塔顶乙烯+丙烯组分含量不小于 70%，塔底 C3 及以下组分含量小于 0.1%）的最小回流比，相应的灵敏度曲线分别如图 3 和图 4所示。图 3一个生产周期内脱丙烷塔塔顶乙烯丙烯产品质量分数随回流比变化灵敏度曲线由图 3 可知，随着回流比降低，脱丙烷塔塔顶乙烯丙烯质量分数不断降低。当回流比在 2.42.6变化时，脱丙烷塔塔顶乙烯丙烯产品质量分数始终大于 80%，满足生产要求。图 4一个切换周期脱丙烷塔塔釜 C3 及以下 产品质量分数随回流比变化灵敏度曲线由图 4 可知，随着回流比降低，脱丙烷塔塔底C3 及以下质量分数不断升高。当回流比低于 2.57时，反应初期塔底 C3 及以下质量分数大于 0.1%，不再满足生产要求。因此，为保证全周期内塔釜 C3 及以下质量分数小于 0.1%，最小回流比不能低于 2.57。综上所述，在保证产品质量满足要求的情况下，将回流比由 3.37 降至最低回流比 2.57，以尽可能降低再沸器和冷凝器热负荷。回流比降为 2.57，整个切换周期内脱丙烷塔塔顶冷凝器、塔底再沸器及公用工程节约值如表 8 所示。表 8脱丙烷塔全周期节能潜力项目3 月 3 日3 月 4 日3 月 5 日3 月 6 日3 月 7 日3 月 8 日优化前冷凝器热负荷 kW-2401-2505-2837-2671-2609-2168优化前再沸器热负荷 kW297830303407321731652788优化后冷凝器热负荷 kW-1833-1914-2165-2037-1990-1667优化后再沸器热负荷 kW240924382735258325462275冷凝器热负荷减少 kW568590672634619502再沸器热负荷减少 kW569592672634619513节约冷却水 （th-1）36.3137.7743.0140.6139.5932.101842023 年第 46 卷表 9脱丁烷塔全周期节能潜力日期3 月 3 日3 月 4 日3 月 5 日3 月 6 日3 月 7 日3 月 8 日优化前再沸器热负荷 kW244624802241231623212388优化前冷凝器热负荷 kW-1897-1925-1748-1800-1806-1868优化后再沸器热负荷 kW215921841993204420652139优化后冷凝器热负荷 kW-1611-1630-1500-1528-1550-1621再沸器热负荷减少 kW287296248272256249冷凝器热负荷减少 kW286295248272256247节约冷却水 （th-1）18.3518.9215.8717.4116.4015.87节约中压蒸汽 （th-1）0.500.520.430.400.450.43由表 8 可知，整个切换周期内减少冷却水用量38.23t h、减少 7丙烯冷剂用量 4.0t h、减少低压蒸汽用量 1.01t h。低压蒸汽价格为 100 元 t，冷却水的价格为 0.84 元 t，7丙烯冷剂价格为24.5 元 t。按年开工操作时间 8000h，使用该方案每年可节约操作费用 186 万元。5.2.2脱丁烷塔优化方案脱丁烷塔实际运行回流比为 0.89，维持其他操作条件不变的情况下，再沸器负荷随回流比降低而降低，但回流比降低同时会使产品纯度降低。因而需要得到满足生产要求（塔顶液相产品 C5 质量分数不大于 5%；塔底重烃中 C4 及以下质量分数不大于 0.5%）的最低回流比，以降低系统能耗。在一个生产周期内（2021 年 3 月 38 日），设置回流比在0.600.80，利用 AspenPlus 软件模拟可得不同时段重烃中 C4 及以下产品以及塔顶液相产品中 C5 组成质量分数随回流比变化的灵敏度分析曲线，分别如图 5 和图 6 所示。图 5一个周期内脱丁烷塔重烃中 C4 及以下产品质量分数随回流比变化的灵敏度曲线由图 5 可得，随着回流比降低，塔釜重烃中 C4及以下质量分数不断升高。当回流比减小至 0.72时，塔釜重烃中 C4 及以下质量分数始终小于 0.5%，回流比继续减小至 0.71 时，反应末期，塔釜重烃中C4 及以下质量分数大于 0.5%，不再满足生产要求。因此，为保证塔釜重烃满足生产要求，回流比不能小于 0.72。图 6一个周期内脱丁烷塔塔顶液相 C5 质 量分数随回流比变化灵敏度曲线由图 6 可得，回流比不低于 0.72，塔顶液相中C5 质量分数始终小于 5%，满足生产要求。综上所述，为保证切换周期内脱丁烷塔塔顶及塔釜产品满足质量要求，同时尽可能降低塔设备能耗，可以将回流比由 0.89 降至最低回流比 0.72。回流比降为 0.72 后，全周期内脱丁烷塔塔顶冷凝器、塔底再沸器及公用工程节约值如表 9 所示。由表 9 可知，切换周期内减少中压蒸汽用量0.46t h，减少冷却水用量 17.14t h。中压蒸汽价格 120 元 t，冷却水价格 0.84 元 t。年开工操作时间 8000h，使用该方案每年可节约操作费 56 万元。续表 8脱丙烷塔全周期节能潜力项目3 月 3 日3 月 4 日3 月 5 日3 月 6 日3 月 7 日3 月 8 日节约 7丙烯冷剂 （th-1）3.803.954.504.254.143.36节约低压蒸汽 （th-1）0.961.001.141.071.040.87注：“-”表示冷凝，下同表 9。185第 3 期宋艳红等.烯烃催化裂解装置优化运行探讨6结束语根据烯烃催化裂解装置目前实际运行情况，综合装置不同切换周期经济性对比分析，反应器最佳切换周期为 5d。根据相同反应时间内不同反应温度与粗丙烯产量、双烯总收率关系，建议反应后期操作温度提高 510可提高双烯收率。结合 AspenPlus 软件建立脱丙烷塔及脱丁烷塔的模拟模型，建议脱丙烷塔回流比调整为 2.57，脱丁烷回流比调整为 0.72 最为经济。参考文献1任丽萍，腾加伟，赵国良，等.不同温度区间碳四烯烃催化裂解制丙烯的反应规律 J.化学反应工程与工艺，2015，31（1）：86-88.2刘琰，齐静，雍晓静.C4 烯烃催化裂解制丙烯的研究进展 J.合成材料老化与应用，2020，49（5）：123-126.3王定博，焦海超，邵华伟，等.碳四烯烃制丙烯催化剂及其工业应用 J.工业催化，2019，27（10）：67-72.4杨榕，魏莎，张超.C4+烯烃催化裂解技术研究进展 J.化工管理，2019（21）：114-115.A STUDY ON OPTIMIZATION OF OLEFIN FCC PLANT OPERATIONSong Yanhong，Yu Yong（Zhangan United Coal Chemical Co.，Ltd.，Huainan232092）Abstract：ThemainprocessflowofolefinFCCplantwasintroduced.TheinfluenceofFCCreactionshiftcycle，thereactiontemperature，andtherefluxratioofcolumnstotheoperationoftheplantwasanalyzed.TheoperationoptimizationplanforolefinFCCwaspresented.Theanalysisshowsthattheoptimalshiftcycleisfive（5）days；raisingthetemperature510 atthelateroperationperiodcanincreasetheolefinyield；therefluxratioofdepropanizerbeingadjustedto2.57anddebutanizerto0.72willyieldthebesteconomicbenefit.Key words：FCC；shiftcycle；reactiontemperature；refluxratio；operationoptimization2陈毓民，王波，汪飞，等.壳牌煤气化装置磨煤机密封气体研究J.广州化工，2013，41（15）：215-216.OPTIMIZATION OF SEALING MODE OF MIDDLE SPEED COAL MILL IN SE-GASIFIERYang yang（Zhongan United Coal Chemical Co.，Ltd.，Huainan232090）Abstract：ThispapermainlyanalyzedthecharacteristicsofthesealingsystemofcoalmillinSEpulverizedcoalgasificationunit，analyzedthemainreasonsforlargenitrogenconsumptionandthedifficultyinoxygencontentcontrolduringthecommissioning，andputforwardsuggestionsforoptimizingthesealingsystem.Throughcomparisonandanalysis，thecoalmillcaneffectivelyreducetheuseoflowandlowpressurenitrogen，realizethepurposeofenergysavingandconsumptionreduction，andalsoreducethedifficultyofoxygencontentcontrolinthesystem.Key words：SE-Gasifier；coalmill；sealinggas；oxygencontent（上接第 161 页）工业领域碳达峰碳中和标准体系建设指南（2023 版）（征求意见稿）发布近日，工业和信息化部组织编制完成 工业领域碳达峰碳中和标准体系建设指南（2023 版）（征求意见稿）。指南 指出，到 2025 年，工业领域碳达峰碳中和标准体系基本建立。针对低碳技术发展现状、未来发展趋势以及工业领域行业发展需求，制定 200 项以上碳达峰急需标准。工业领域碳达峰碳中和标准体系框架包括基础通用、核算与核查、技术与装备、监测、管理与评价等五大类标准。本刊