赵国成,吕仪军,肖敦峰,李振宇

(中国五环工程有限公司,武汉 430223)

为了保证原料的纯度,在很多化工和石化装置中需配置精制剂装填的固定床来脱除原料中的CO、CO2、H2O和O2等小分子杂质,如氮气的脱氧罐、氢气的脱CO罐、丙烯和乙烯的脱水罐等。这些精制剂一般在使用一段时间后,会对杂质失去精制作用,即出现所谓的“穿透”床层,此时需要对床层进行再生处理。这些固定床精制剂基本上都设计了“一用一备”的双床层或者带有旁路的单床层,并配置了再生系统,当其中一个床层吸附饱和后进行再生,系统切换至另一床层操作或者直接走旁路,以保证不间断生产。目前,精制剂再生系统设计有开路和闭路两种形式。

1 再生的原理

2 再生的步骤

再生过程一般有切换、泄压、置换、加热、冷却和升压等步骤。切换步骤主要是改变阀门的开关状态,使一个罐处于正常运行状态,而另一罐处于再生状态;泄压和升压步骤的速率控制很关键,一般泄压和升压速率都不大于0.3 MPa/min[1];而加热和冷却步骤是最主要的两个步骤,需在再生系统设计时重点研究。

3 再生系统的设计

3.1 再生气的选择

再生气一般要具有易获得、廉价、惰性、环保等特点,原料气、工艺废气、氮气等都可以作为再生气,不过目前装置中普遍采用氮气作为再生气,以下论述的再生气均按氮气考虑。

3.2 再生温度的选择

根据再生过程的原理,理论上来说,再生温度肯定是越高越好,因为温度高有利于脱附。但是,温度高意味着装置的能耗高,设计时不宜任意提高再生气的温度。再生温度常根据精制剂特性确定,一般是确定进入床层的再生气入口温度来控制再生温度。对于有化学反应参与的第一种再生过程,再生气的入口温度取决于反应温度,通常取反应温度加上床层热损失温度。对于无化学反应参与的第二种再生过程,再生气的入口温度取决于脱杂质的深度,脱杂质程度越深,就要求入口温度越高。对于用于脱水的分子筛,该温度不能超过315 ℃[1],温度过高会导致分子筛烧结,从而缩短其使用寿命。

3.3 再生系统压力选择

再生系统的压力常根据再生气来源的压力、再生气的去向、系统的阻力降等综合确定,在满足上述要求的前提下尽量选择低压,因为低压有利于脱附。

3.4 再生氮气流量的确定

因为再生过程的加热步骤和冷却步骤都需要氮气,所以应分别计算再生加热气的流量和再生冷却气的流量。确定加热气的加热目标温度和冷却器的冷却目标温度后,对整个床层(包括精制罐、精制剂、瓷球、附件等)进行热量衡算,分别计算出加热步骤需要的热负荷和冷却步骤需要的热负荷Q,以及每千克再生气给出或带走的热量q,并根据初步确定的加热时间和冷却时间t,从而得到再生气的流量m=Q/t/q;初步确定时,加热时间宜为总再生时间的1/2～5/8,冷却时间少于加热时间。通常加热氮气量和冷却氮气量不相等,但是考虑到气量的波动不但会对装置的平稳运行造成影响,且对再生系统设备选型造成不便,设计时都会通过调整加热时间和冷却时间的方式使加热氮气量和冷却氮气量相等。

如果装置内有几个床层都需要再生,一般是考虑在生产过程中让这几个床层的再生过程不同时进行,再生氮气的量取这几个床层再生量的最大值。反之,几个床层同时再生时所需的氮气量应叠加,导致再生氮气量显著增加,不但会使再生系统的设备投资大大增加,也会使上游供氮设施能力增大。

3.5 加热方式的选择

再生氮气加热器是再生系统中的核心设备,其主要有热载体加热、加热炉加热和电加热三种加热方式。对于大型连续加热的流程,加热炉加热有明显优势,而对中小型或非连续的流程,电加热和热载体加热有优势[2],因而电加热器目前被广泛采用。电加热器通常是由几组热电阻组合构成的加热元件,这些加热元件能做到可控硅调功,可以方便实现温度的连续调节,而且能使温度偏差控制在±1 ℃。由于再生过程中每一个步骤需要的温度可能会不同,特别是当有几个精制床层需要再生时,每一个床层再生温度可能都不相同,所以温度可以方便且精确地调节至关重要。

3.6 开路形式和闭路形式的选择

3.6.1开路形式

开路形式配置较简单(见图1)。在加热步骤中,再生气经过加热器升温到再生温度后进入床层,出床层后直接排向大气或火炬(有可燃气体时);冷却步骤中,加热器停止工作,再生气进入床层进行冷却,出床层后直接排向大气或火炬。所以采用开路系统时,需要连续不断的新鲜再生气供应,为了节省再生气的消耗量,常在排大气或火炬管线前增加限流孔板,限制排放气的排放速率。当再生气排向大气时,常在管线末端增加消音器,以减少噪音污染。

图1 开路形式

3.6.2闭路形式

闭路形式除需配置加热器外,还需配置冷却器、分离罐、鼓风机等(见图2):加热步骤中,再生气经过加热器升温到再生温度后进入床层,出床层后,其中小部分排向大气或火炬以保持再生氮气的纯度,大部分依次经过冷却器冷却降温、分离罐分离颗粒和冷却后的游离水、鼓风机升压以补充再生气在系统中流动的压损,从而进行循环利用,同时需再补充新鲜再生气以弥补排向大气或火炬的小部分再生气的流量损失。这样,每次再生循环都有大部分再生气被回收利用,从而节省了再生气的消耗。

图2 闭路形式

3.6.3开路形式和闭路形式经济性比较

本文以公称能力为50万t/a HDPE装置为例,有乙烯、己烯、ICA、氮气等6个精制罐床层需要再生,再生氮气平均流量为3 000 Nm3/h,每个床层间隔2个月再生一次,全年再生次数为36次,每次再生时间48 h。以下对开路形式和闭路形式的经济性进行比较。

(1)若采用开式系统,无需额外增加投资,每年氮气消耗的成本为155.5万元。

(2)若采用闭式系统,需要在开式系统的基础上增加鼓风机、冷却器、分离罐等设备,投资增加约90万元。与开式系统比较,新增冷却器的循环水消耗和鼓风机的电消耗,按照最低可以回收70%的再生氮气量考虑,则再生氮气平均流量为900 Nm3/h,其成本见表1。

表1 采用闭式系统增加的成本

再生时闭式系统总成本为309元/h,则年总成本为53.4万元,比开式系统每年节省成本约100万元,所以增加的90万元投资不到一年即可收回成本。

所以,从投资和生产成本综合比较,闭路形式的经济性优于开式系统。

3.6.4形式选择考虑因素

(1)再生气的总消耗量。取决于再生氮气消耗量和再生时间这两个因素;如果再生消耗量小或再生时间短,选择使用开路形式为宜。

(2)再生周期。如果精制剂的再生周期很长,再生系统使用的频率比较低,一般会选择开路形式。

(3)工厂的制氮能力。如果工厂的制氮能力很大,氮气经常富余,且富余量大于再生期间氮气消耗的峰值量,选择开路形式为宜。一般情况下,煤化工企业由于配备了大型的空分装置,氮气富余量很大,都选择采用开路形式。而石油化工企业氮气量相对不富余,会选择采用闭路形式。

(4)经济性。由上述计算可知,采用开路系统需配置的设备和管道较少,所以工程建设费用低,但是再生过程会有连续不断的新鲜再生气排掉,从而使生产成本升高,而采用闭路系统正好相反。一般情况下,闭路形式的经济性优于开路形式。

至于最终选择什么样的再生形式,需要在工程设计阶段综合考虑并进行比较,找到建设和投资的最佳平衡点。

4 结论

在精制剂再生系统的工艺设计时,需要进行再生气的气源、温度、压力、流量、设备选型、开路形式或闭路形式的选择。而开路形式还是闭路形式的选择又是最关键的,因为它关系到再生系统的配置、后期的生产运营成本甚至工厂的空分装置的设备选型等,所以应在项目的设计前期阶段就综合考虑各方因素确定采用开路形式还是闭路形式。