乙烯焦油综合利用项目中树脂油填料塔的控制分析

□葛兰兰

一、引言

乙烯裂解重油是乙烯原料高温缩合的产物，主要为芳烃化合物，富含茚及其同系物、萘、甲基萘以及碳氢比相对较高的烷基芳烃类化合物，各馏分段均是有机合成的重要化工原料。目前，兰州石化公司乙烯裂解重油年产量约为8.0万吨，其中1.5万吨用作石化厂开工锅炉和丙烯腈焚烧炉燃料，其余6.5万吨作为燃料油外销。随着燃料油附加税征收的实施，不仅经济效益较差，而且会对环境造成污染。而通过进一步深加工生产的石油萘、树脂油、重组分油、古马隆树脂可用于有机化工的原料[1，2]。在提高产品附加值的同时，有利于环境的保护。项目中以乙烯裂解重油为原料，通过精密精馏分离，生产出具有良好市场前景的化工产品，如树脂油、工业石油萘等。由于所用原料乙烯裂解重油组成复杂，粘度较大，同分异构体及同系物较多，且具有热敏性，高温下容易结焦，所以分离工艺技术要求较高[3]。项目中设有树脂油填料塔和粗萘填料塔作为核心分离设备，在选用高效填料和塔内件的基础上，为了以较高的分离效率来保证产品的质量和节省投资，本文以树脂油填料塔为例，通过主要精馏参数的变化来探讨精馏塔的控制系统，从而保证精馏过程能够高效稳定的操作。在化工单元操作中，精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作[4]，在石油化工工业中得到广泛应用，精馏是在能量驱动下，进行传热和传质的过程。也是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联[5]，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。精馏塔的控制目标是[1，6]，在保证产品质量合格的前提下，尽可能提高产品的产率并设法降低装置的能耗，使塔的总收益最大或总成本最小。精馏塔的控制要求保持全塔的物料平衡(1)和能量平衡(2)。

F、D、B、V分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量，塔内上升蒸汽量;Zf、XD、XB分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量;β为塔的特性因子

精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。在树脂油塔的控制系统中，塔处于沸腾状态，乙烯焦油作为固定进料，塔顶得到轻组分树脂油，塔底得到重组分粗萘，在塔运行时，可以被操纵的变量有以下几个，塔压、乙烯焦油进料流量、进料组分和进料温度、加入的热量(再沸器)、塔底重组分粗萘流量、塔顶带走的热量(回流)、树脂油流量。

图1 树脂油塔的操作变量

二、塔压控制

由于树脂油塔要分离的乙烯焦油沸点较高，粘度较大，高温下容易结焦，在常压下要进行树脂油和粗萘的分离所需要的温度达到220℃以上，为了降低操作温度，采用减压精馏[8]。减压状态下的操作温度控制在120/170℃(塔顶/塔底)。另一方面考虑到经济性，采用冷却水作为塔顶冷凝剂，蒸汽作为塔底加热介质，所以树脂油塔顶、塔釜操作压力为0.015/0.025Mpa(A)。采用的压力控制方案如下，利用真空泵抽真空，在真空抽出线上接氮气线，通过调节氮气量来控制真空度(如图2所示)。在树脂油塔的控制中，压力是最重要的控制指标，一旦塔压波动过大，就会破坏全塔的热量平衡和汽液相平衡，影响树脂油产品质量。在进出料保持平衡，回流比不变的情况下，塔压差基本上是不变的。如果塔压发生了变化，要找出具体原因进行调节，以下因素会引起塔压的波动:塔顶温度、塔釜温度、进料组成、进料量、回流量、冷剂量及冷剂压力。另外，仪表故障、设备和管道的冻堵，也可能引起塔压的变化。常用的调节方法有三种:一是在乙烯焦油进料不变的情况下，可改变塔顶树脂油的采出量来改变压差。采出多压差小;采出少，塔压差会愈来愈大。二是在树脂油取出不变时，用进料来调节压差;进料量大，塔压差上升，反之下降。三是可通过釜温的变化来调节压差;提高釜温，压差上升;降低釜温，压差下降，但是由于物料的热敏性，只能在较小范围内进行调节塔釜温度，这种方法通常不会用到。

图2 树脂油塔塔顶压力控制

三、进料控制

树脂油塔的进料控制包括对进料流量、组分和温度三个变量的调节。进料流量通常是在进料管线上安装一个调节阀来达到控制的目的。树脂油塔的进料来自原料蒸发器的气相，它的流量调节是通过将调节阀安装到原料蒸发器的加热蒸汽管线上来实现的。若进料量波动范围不超过树脂油塔顶冷凝器和塔底再沸器的负荷范围时，只要调节得当，对顶温和釜温不会有显著变化，而只影响塔内上升蒸汽速度的变化。若进料量变动的范围超过了树脂油塔顶冷凝器和塔底再沸器负荷范围时，不仅影响塔内上升树脂油蒸汽速度的变化，而且会改变塔顶、塔釜温度，致使气液平衡组成改变，直接影响塔顶树脂油产品的质量。总之，进料量过大的波动，将会破坏塔内正常的物料平衡和工艺条件，造成一系列的波动。获得稳定操作的最好方法之一是要求进料流量恒定。树脂油塔中的乙烯焦油进料，来自兰州石化乙烯装置，其组成受到前面工序的综合制约，进料组成直接影响精馏操作，如当进料中重组分增加时，精馏段负荷增加，易造成粗萘等重组分带到塔顶，使塔顶采出的树脂油不合格，若进料中轻组分增加，提馏段负菏就会加重，容易造成釜液中树脂油损失加大。进料组成的变化，还会引起物料平衡和工艺条件的变化。但是进料组成在精馏塔中不容易得到校正，在实际生产中，可通过调节回流比的办法来补偿组分变化。例如，当进料中轻组分下降时，若保持回流比和树脂油的采出率(塔顶)不变，塔内树脂油的上升量将减少，则塔顶树脂油组成和塔釜粗萘组成也随之下降。要维持塔顶树脂油的纯度。可采取增大回流比或减少塔顶采出率的方案。另外，进料温度也是影响精馏操作的重要因素之一。如果进料温度低，使上升蒸汽的一部分冷凝成液体，向下流增加了提馏段的负担，使再沸器蒸汽负荷增加，引起釜采粗萘质量下降，甚至不合格。若进料温度高，进料气体直接上升，进入精馏段，造成顶采树脂油质量下降，甚至不合格。当进料热状态变化时，应根据冷凝器和再沸器的负荷能力调节回流量和塔釜的汽化量。

四、再沸器的控制

塔压一定时，只有保持一定的釜温，才能保证一定的塔底残液组成，树脂油塔釜温波动通常会受到以下几个因素的影响:一是乙烯焦油进料组成变化。二是回流比变化也会引起釜温变化，如回流比加大，则轻组分压入塔釜，釜温下降。三是塔的真空波动也会引起釜温变化。树脂油塔采用了以下方式进行釜温的控制(见图3):将流量调节器装在输送加热蒸汽的管线上与塔釜温度形成连锁控制，若调节使得大量的蒸汽进入再沸器，则再沸器中液体沸腾速率增大，釜温上升;减少蒸汽量，釜温下降。

图3 树脂油塔塔釜温度控制

图4 通过控制回流实现对塔顶温度的调节

五、回流量的控制

由物料平衡和能量平衡的理论可知，顶压一定时，塔顶温度高低就反映了塔顶树脂油产品组成，只有保持一定的塔顶温度才能保证一定的产品质量。然而顶温主要是通过回流管线上的调节阀和塔顶温度连锁调控来实现的(见图4)。顶温低时，应减少回流量，具体操作应提高塔顶树脂油采出量。顶温高时应适当加大回流量，减少塔顶树脂油采出量。所以采出量调节阀与回流罐的液位形成一个连锁，达到通过采出控制回流的目的控制(见图4)。在整个树脂油塔的操作中，通过改变回流比的大小，以满足产品的质量要求是经常遇到的问题。当塔顶萘含量增加时，常采用加大回流的方法将萘压下去，以使产品质量合格。当精馏段的树脂油轻组份下到提馏段造成塔下部温度降低时，可以用适当减少回流比的方法以使釜温度提起来。但是回流比的增加是有代价的，在提高树脂油产品质量的同时，却要降低塔的生产能力，增加水、电、气的消耗。因此，对回流比的调节是有限度的。

[1]王冀程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版杜，1990

[2]曹群，陈海丽，李艳芳，李太衬.综合利用乙烯焦油的分析[J].科技传播，2010，7:20 ～21

[3]莫贤娣.影响精馏操作的主要因素及精馏节能技术浅析.化学工程与装备，2011，1:71～72

[4]谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理(下册)[M].北京:化学工业出版社，1998

[5]陆振东.化工工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社，1996，第2版

[6]周春晖.化工过程控制原理[M].北京:化学工业出版社，1998

[7]匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].北京:化学工业出版社，2002

[8]夏清，陈常贵.化工原理(下册)[M].天津:天津大学出版社，2005