石油化工行业技术发展推动炼油技术的进步, 各种化工产品的提炼与生产技术也越来越先进。对于仅次于乙烯的有机化工产品丙烯, 可以从中提炼生产出精丙烯、聚丙烯、异丙苯、戊烷馏分、丙烷馏分等重要化工原料。近几年全球经济的增长促使聚丙烯树脂工业快速发展, 聚合级丙烯 (纯度≥99.6%) 的需求量突然增加, 供不应求。而聚合级丙烯主要是通过分离催化裂化液化气获取的, 丙烯资源则通过乙烯装置和催化裂化装置生产的, 主要来源于石油馏分蒸汽裂解生产的丙烯和炼厂丙烯, 气体分馏装置用来实现液化气的催化裂化。对聚丙烯树脂需求量的增加使石化产品竞争日益激烈, 各个炼化企业都在不断优化工艺操作, 节能降耗, 降低成本增强企业的经济效益。
根据各组分挥发性能的差异将液体混合物中不同组份分离出来的操作被称为蒸馏, 工业方面蒸馏操作又分为简单蒸馏、平衡蒸馏、分子蒸馏和精馏等方法, 其中精馏应用最广泛, 通常可以获取高纯度的产品。精馏过程在精馏塔、冷凝器、再沸器等装置中进行, 再沸器供热后会将塔底存液加热至汽化, 蒸汽沿塔内板逐渐上升, 塔内液体沸腾状态下蒸汽在塔顶冷凝器中冷凝得到馏出液, 部分作为回流液逐板向下流回塔内, 塔中各板保持一定的液层。假设料液中仅两种组分, 在塔中部适当的位置处加入精馏塔, 料液中液相部分逐板向下流入再沸器, 气相部分沿着各板上升到塔顶冷凝器。加料板用来将料液加入到精馏塔中, 加料板以下部分属于提馏段, 以上的部分属于精馏段。精馏的整个过程利用回流使不同组分混合液不断汽化, 又经过部分冷凝, 在这个反复过程中, 易挥发的组分和难挥发的组分形成摩尔反向扩展, 实现料液分离, 从而提炼出高纯度的化工产品。作为精馏装置的核心, 精馏塔内完成气液两相接触传质, 塔底再沸器使塔底回流液再次蒸发汽化, 塔顶冷凝器则可以获取回流液得到液体产品[1]。
蒸馏技术研究的不断发展进步创造出巨大的经济效益, 精馏逐渐成为石油化工领域应用程度最高的传质分离操作, 技术发展也越来越成熟。
填料塔是一种新型高效的填料方式, 在减压和常压精馏中逐渐取代了进料板, 随着精馏塔中气液相分布研究技术的深入, 高性能液体分布器被开发出来有效的保证了大型填料塔的优良性能, 使填料塔从小塔逐渐发展到大型化。已经开发出可以预测填料塔气液相分布的模型, 能够帮助了解塔内传质情况, 这项技术可以帮助完成分布器设计、制作, 优化填料塔工艺。
有些物料普通的精馏难以将其分离, 逐渐开发出恒沸精馏、萃取精馏实现更高的分离工艺, 有时需要结合化学反应来精馏, 使气体分馏装置中进行的精馏范围逐渐扩宽, 精细化工技术发展的更加广泛。
充分了解分馏过程所应用的分离技术, 通过工业实践使精馏技术研究更加完善。研究多种分离方法的同时, 结合先进的精馏技术, 开发出更多的分离流程。将精馏和其他分离方法有机结合是分馏工艺发展的一个新方向, 比如精馏与膜技术结合后可用来分离酒精水溶液, 此方法用来制取高纯度酒精。精馏与吸附技术结合, 经过分馏装置连续精馏吸附试验可以分离氮和氩。
气体分馏装置的过程控制随着计算机应用技术的发展逐渐更新, 70年代早期以计算机直接数字控制和常规仪表监测为主, 控制的算法则用PID、比值、串级、分程、前馈控制等为主。70~80年代初, 大型生产装置多采用集散型控制系统。集中显示数据、监督等功能, 将控制回路分散化, 提高了硬件的可靠性, 但是控制算法方面无大的进展。80年代后开始在集散型控制系统的基础上进行优化, 实现高级控制过程。各种预测控制、模型建立、变量约束、人工神经元网络控制及应用技术都得到发展。乙烯分离装置优化、炼厂气分离装置优化使计算机控制技术有了重大突破, 展现出精馏过程控制的新景象, 产品质量有了明显提高, 获得了显著的经济效益。
炼油厂气体分馏装置主要是将催化裂化装置经脱水、脱硫化氢、脱硫醇反应之后的液态烃根据精馏原理, 经过脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯精馏塔等装置分离成不同的馏分。丙烯精馏塔塔顶可分离出99.6%以上的聚合级精丙烯, 塔底可分馏得到高浓度丙烷。提高丙烯精馏塔内产品的回收率, 降低能耗可以有效的提高气体分馏装置的经济效益, 所以对气体分馏装置的设计和参数选择需要进行不断优化。其中对关键组分回收率、回流比、操作压力和进料时的热状态等参数进行优化可有效提高气体分馏装置的效能。
精馏塔最终产物的总价值和总费用之间的差值所对应的回收率即为关键组分回收率, 差值最大时所对应的回收率为最佳回收率。回收率越大越好, 但在实际生产过程中受到产品价格、水、电、设备等工程、原材料、相对挥发度等因素变化, 需要优化精馏设计来获得更好的分离程度。气体分馏装置的回流比关系到设备投资和花费, 需要核算准确。回流比增大之后, 冷凝器的冷却剂消耗和再沸器的加热剂消耗都会增加, 操作的费用也相对增加[2]。因此需要平衡数据和效率, 综合考虑各项因素来选择合适的回流比。气体分馏装置的操作压力会影响塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜的加热温度, 还会影响各组分之间的相对挥发度, 对传质的分离效率也有影响, 同时也对塔的造价和操作费用产生一定的影响。塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜加热温度都会随压力的增大而逐渐上升, 压力减小时则出现下降。需要根据塔内压力进行经济核算, 才能准确选择合适的操作压力。压力升高相对挥发度会减小。气体的密度与压力成正比, 气体质量流率一定时, 压力高的条件下可以减小体积流量, 这代表塔径可以相对减小, 这样投资费用就可以减少, 压力不同时塔壁的厚度需要合理设计, 因此造价会发生改变。板式塔中压力对常压塔和加压塔的板效率影响不大, 但在减压精馏的过程中则会降低板效率。加压精馏时塔的喷淋密度提高传质效率却出现降低, 因此分馏装置操作压力的设置需要多方面考虑, 根据实际需要来综合计算。加料热状态会影响精馏段和提馏段的气液相流率变化, 进一步影响最小回流比, 因此需要考虑加料板温度对装置反应的影响。
对气体分馏装置的工艺操作优化, 应综合考虑安全、环保、产品质量和投资成本等多方面的因素, 选用合适的工艺方法, 优化相关参数设置, 降低装置的能耗, 提高装置经济效益和产品精度, 使工艺操作技术方案更加经济合理, 提高应用的范围。
摘要：气体分馏装置的回流比、操作压力、操作温度、原料组成等参数设置都影响整个装置的投资费用和能耗及操作控制过程, 需要调整到最佳的工艺条件, 优化工艺操作的控制, 才能使气体分馏装置更好的发挥出经济效益, 提高精馏产品的质量。
关键词：气体分馏装置,工艺优化,操作参数
[1] 黄富, 张杨, 彭国峰, 朱连盷.气体分馏装置优化运行技术措施[J/OL].炼油, 2015, 45 (10) :21-24. (2015-10-12) [2017-08-04].
[2] 王相峰.气体分馏装置的工艺操作优化[J/OL].科技与企业, 2014, (05) :303. (2014-03-25) [2017-08-04].
