粗苯乙烯塔工艺条件研究

袁 宏，王 海

（中国石油兰州石化公司合成橡胶厂，甘肃兰州 730060）

本装置于1960 年建成投产，经改造后生产能力达到6.0 万t/a。通过烷基化反应、烷基转移反应、乙苯脱氢、乙苯精馏、苯乙烯精馏，完成苯乙烯生产制造过程[1]。本文针对苯乙烯精馏过程中，粗苯乙烯塔工艺操作困难，对系统运行影响较大，研究粗苯乙烯塔各工艺条件，寻找粗苯乙烯塔工艺操作的最优条件，指导生产。

1 原理分析及问题

1.1 粗苯乙烯塔工艺简介

1.1.1 粗苯乙烯塔工艺原理 粗苯乙烯塔操作真空为32 kPa～36 kPa（绝压）。粗苯乙烯加料（重关键组分苯乙烯浓度54%～62%，轻关键组分乙苯浓度为40%～38%）通过加料口加入塔中[2]。乙苯和苯乙烯易形成二元共沸物，当乙苯由液相变为气相时，苯乙烯也会出现部分汽化形成后向上气流。上升的气体在塔顶冷凝器冷凝后，经补冷器的冷却，通过回流泵打回流进入塔内，经每层填料分布器的均匀分布后在填料层上形成向下的液体流股。这样在填料层上上升气体和下降的液体经逆向多级接触，并在相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（乙苯、甲苯、苯）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分（苯乙烯及更重组分）由气相向液相中迁移，最终达到上升的气体中苯乙烯含量越来越少，下降的液体中苯乙烯含量越来越多，最终塔顶、塔釜得到合格的产品[3-7]。

1.1.2 粗苯乙烯塔工艺流程 粗苯乙烯经粗苯乙烯塔的第四层填料上方加入塔内。塔顶馏分经塔顶冷凝器冷凝，再经补冷器冷却后，不凝气经进尾冷却器后进一步冷却，进入真空泵，从真空泵出口高位排空。冷凝物料依靠位差自流进入回流槽，通过回流泵一路回流，另一路作为塔顶产品送出系统。塔釜物料经釜液泵分两路：一路塔釜循环，另一路作为塔釜采出送出。塔釜再沸器以0.32 MPa 蒸汽作为加热介质，为塔釜物料提高热量，蒸汽凝液排至精馏单元蒸汽凝液系统[1]。

流程简图（见图1）。

1.2 问题的提出

粗苯乙烯塔在操作时，粗苯乙烯塔顶、塔釜质量主要依据T4 和T5 的温差来判断。判定依据为：温差在1.3 ℃～1.5 ℃时，苯乙烯纯度为99.3 %～99.5 %，温差为1.5 ℃～1.7 ℃时，苯乙烯纯度为99.5 %～99.7 %，温差为1.8 ℃～2 ℃时，纯度为99.8 %～99.9 %，同时塔顶回收乙苯中苯乙烯含量合格（小于0.5 %）；温差大于2.0 时纯度在99.9 %以上，依据以上规律可以将苯乙烯产品的纯度精确在0.1 %。

图2 预测纯度和实际分析纯度偏差趋势图

目前在苯乙烯精馏系统操作过程中，产品质量波动较大。2010 年1 月统计数据规律预测值和实际分析纯度偏差趋势图（见图2）。

从对比数据和偏差趋势图来看：依据T4 和T5 的温差来判断塔釜苯乙烯纯度的规律已经无法指导生产，生产结果与判断值偏差较大，产品质量波动大。为了保证粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量合格，必须重新寻找粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量的工艺控制条件。

2 粗苯乙烯塔质量控制依据的理论分析

2.1 温度分布分析

从精馏塔各温度分布点变化来看，由于受加料量、加料组成变化等影响因素影响，加料口填料层上下组分变化较大[3]，因此加料口下方的温度T3 变化比较明显，控制好T3 温度不仅可以控制好塔顶、塔釜产品的质量，也可以对精馏塔因外界因素影响造成的工艺波动提前预判并做出及时调整，保证粗苯乙烯塔的稳定运行。

2.2 实验方法

粗苯乙烯塔运行过程中，因塔顶真空度受加料负荷、环境温度、加料组成等因素影响而不断的变化，因此必须考虑真空度的变化对各测温点的影响[4]。所以在实验测试过程中要在每组记录中记录以下变量：塔顶真空P1、灵敏板温度（T3）、塔顶产品苯乙烯含量、塔釜产品苯乙烯含量。通过对以上数据对分析，找出真空度、塔顶产品、塔釜产品质量、灵敏板温度之间的关系，确定最佳工艺控制条件。

3 数据分析

3.1 采集数据说明

为了寻找最佳工艺控制条件，采集了2 月粗苯乙烯塔顶真空、灵敏板温度、塔顶产品、塔釜产品质量的数据。

3.2 P1 指示在33 kPa～34 kPa 试验数据分析

P1 指示在33 kPa～34 kPa 时，T3 温度与塔顶、塔釜产品质量（见图3）。

图3 T3 温度与塔顶、塔釜产品质量折线图

P1 指示在33 kPa～34 kPa 时，从趋势图可得出以下结论：（1）T3 温度在106.7 ℃～108.7 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜均合格；（2）T3 温度低于106.7 ℃时，塔釜苯乙烯纯度小于99.7 %，纯度不合格；（3）T3 温度大于108.7 ℃时，塔顶产品中苯乙烯纯度大于0.5 %，塔顶产品不合格；（4）为了保证产品质量，T3 温度在107 ℃～108.5 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量均合格。

3.3 P1 指示在34 kPa～35 kPa 试验数据分析

P1 指示在34 kPa～35 kPa 时，T3 温度与塔顶、塔釜产品质量关系（见图4）。

P1 指示在34 kPa～35 kPa 时，从趋势图可得出以下结论：（1）T3 温度在107.8 ℃～109.9 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜均合格；（2）T3 温度低于107.9 ℃时，塔釜苯乙烯纯度小于99.7%，纯度不合格；（3）P1 指示在34 kPa～35 kPa 时，塔顶产品中苯乙烯纯度大于0.5 %，塔顶产品不合格；（4）为了保证产品质量，T3 温度在108 ℃～109.5 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量均合格。

图4 T3 温度与塔顶、塔釜产品质量管线图

3.4 P1 指示在35 kPa～36 kPa 试验数据分析

P1 指示在35 kPa～36 kPa 时，T3 温度与塔顶、塔釜产品质量关系（见图5）。

图5 T3 温度与塔顶、塔釜产品质量关系

P1 指示在35 kPa～36 kPa 时，从趋势图可得出以下结论：（1）T3 温度在108.2 ℃～110.9 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜均合格；（2）T3 温度低于108.2 ℃时，塔釜苯乙烯纯度小于99.7 %，纯度不合格；（3）T3 温度大于110.9 ℃时，塔顶产品中苯乙烯纯度大于0.5 %，塔顶产品不合格；（4）为了保证产品质量，T3 温度在108.5 ℃～110.5 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量均合格。

3.5 P1 指示在36 kPa～37kPa 试验数据分析

P1 指示在36 kPa～37 kPa 时，T3 温度与塔顶、塔釜产品质量关系（见图6）。

图6 T3 温度与塔顶、塔釜产品质量关系

P1 指示在36 kPa～37 kPa 时，从趋势图可得出以下结论：（1）T3 温度在109.1 ℃～111.5 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜均合格；（2）T3 温度低于109.1 ℃时，塔釜苯乙烯纯度小于99.7 %，纯度不合格；（3）T3 温度大于111.5 ℃时，塔顶产品中苯乙烯纯度大于0.5 %，塔顶产品不合格；（4）为了保证产品质量，P1 指示在35 kPa～36 kPa 时，T3 温度在109.1 ℃～111.5 ℃时，粗苯乙烯塔顶、塔釜产品质量均合格。

4 结论

通过生产过程中实验数据的采集和数据分析，得出：

（1）真空度在33 kPa～34 kPa 下，温度操作范围为107 ℃～108.5 ℃。

（2）真空度在34 kPa～35 kPa 下，温度操作范围为108 ℃～109.5 ℃。

（3）真空度在35 kPa～36 kPa 下，温度操作范围为108.5 ℃～110.5 ℃。

（4）真空度在36 kPa～37 kPa 下，温度操作范围为109.1 ℃～111.5 ℃。在此工艺条件下，到达塔顶、塔釜的产品质量均合格，同时保证了系统工艺的平稳运行，取得了良好的效果。

［1］ 兰州石化合成橡胶厂.6 万吨/年苯乙烯装置操作规程［S］.2009.

［2］ 刘淑梅，等.乙苯/苯乙烯精馏塔在线模拟与优化操作系统优化［J］.北京化工大学学报，1999，（3）：85-86.

［3］ 李楠楠，韩言青，黄国强，陈宁，许力强，李鑫钢.苯乙烯精馏技术中的问题及解决途径［C］.2005 年全国塔器及塔内件技术研讨会会议论文集，2005.

［4］ 于美红，丛林，宋守刚，郭东荣.苯乙烯工艺技术改进及应用［J］.现代化工，2010，（10）：90-91.

［5］ 张彩丽.6 万吨/年苯乙烯装置技术改造分析［J］.石化技术，1999，（4）：13-17.

［6］ Clough D E，Ramirez W F. Mathematical modeling andoptimization of the dehydrogenation of ethylbenzene to form styrene［G］.A I ChE J，1976，22（6）：375-378.

［7］ Sundaram KM,Sardina H，Fernandez 2Baujin J M，et al.Styrene plant simulation and optimization［G］.Hydrocarbon-Processing，1991，（1）：501-508.