镇海炼化——对二甲苯装置实现芳烃资源最大化利用的改造策略
对二甲苯装置实现芳烃资源最大化利用的改造策略
周彬
（中国石化镇海炼化分公司）
摘 要： 某炼油厂为优化全厂产品结构,对其对二甲苯装置进行换剂适应性改造,异构化路线从乙苯转化型改为脱乙基型,在减少芳烃损失的同时,将芳烃资源最大化转化为对二甲苯和苯,提高芳烃资源利用率,同时回收副产的富乙烷气体作为高附加值的乙烯原料,实现效益最大化。改造策略包括催化剂功能优化、工艺流程调整、热联合等,以期为同类装置的改造提供一些借鉴。
关键词： 装置改造 催化剂 热联合 芳烃资源 对二甲苯 富乙烷气
国内外新能源的快速发展对传统燃料型炼油厂业务造成较大的冲击。国际能源机构(IEA)预计发展中国家电动车的普及和燃油车能效提高,将促使2030年前其交通用油达峰[1]。而相应的市场对化工原料需求却在不断增长,其中对二甲苯、苯等芳烃产品仍呈现供小于求的局面,我国纯苯进口依存度不降反升,从2019—2020年的11.6%增加至2021年的14.1%,对二甲苯2021年的进口依存度为39%[2],说明增产芳烃仍是炼化一体化企业的优化方向之一。
对二甲苯装置作为连续催化重整装置的下游装置和聚酯产品的原料生产装置,成为了炼化一体化原油加工方案的核心装置之一。以某炼化企业595 kt/a对二甲苯装置的改造项目为例,综合分析探讨催化剂功能类型、工艺流程设置、低温热利用等对装置资源利用率及效益发挥的作用,为炼油厂进一步深化“油转化”提供参考。
1 装置简介
某炼化企业595 kt/a对二甲苯装置采用进口的吸附分离技术,由洛阳工程公司负责设计,于2003年首次开工投产。该装置以重整装置生产的C7+重整生成油及歧化装置生产的混合二甲苯为原料,生产对二甲苯、邻二甲苯等芳烃产品,该装置包括二甲苯分离、对二甲苯吸附分离、二甲苯异构化3个工艺单元。
2022年8月该对二甲苯装置进行国产化工艺改造,其中吸附分离单元改用中石化自主开发的新一代芳烃成套技术,于2022年12月12日装置一次开车成功。
规划大修改造项目,主要涉及到吸附剂和异构化催化剂的更换、最大化芳烃资源利用的适应性改造以及节能降耗的低温热综合利用等内容。
2 装置问题分析
随着某炼化企业产能扩大及产品结构的优化调整,副产的芳烃资源同步增加,其中包括大于400 kt/a的混合二甲苯、大于300 kt/a的甲苯等资源暂无出路,只能用于调合汽油,不仅影响汽油质量升级,还会造成效益的损失。而该炼油厂对二甲苯装置于2012年经过一轮大的改造,至2022年已运行10年,也难以满足“油转化”的需要,该装置主要存在以下问题。
2.1 催化剂性能不匹配
催化剂体系包含进口的吸附剂和乙苯转化型异构化催化剂,已运行近十年,初末期的运行参数及性能指标分别见表1和表2。从表1和表2可见,对二甲苯收率和对二甲苯产量到末期时大幅降低,说明使用的催化剂性能明显下降,已经到寿命末期,需要更换。
在催化剂寿命末期通过降低对二甲苯产品收率的方式,确保产品纯度达标,末期的装置物料平衡情况如表3所示。从表3可见,副产的高芳烃汽油产量较大,严重制约了“油转化”的优化进程。
表1 吸附分离单元运行工况
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表2 上周期异构化催化剂性能
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表3 催化剂寿命末期对二甲苯装置物料平衡数据 w,%
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2.2 副产轻烃的利用率低
该装置副产不凝气约1 000 m3/h,组成见表4。从表4可见,不凝气中C2+组分含量高,回收价值高,却因直接放空而未得到有效的回收利用。
副产的轻烃约为9.5 t/h,其组成见表5。从表5可见,轻烃中苯质量分数为3.56%、总芳烃质量分数约为19%,不适宜用于调合汽油或作为乙烯生产原料,普遍作为重整料在大芳烃流程中循环,造成产品的整体利用率偏低,单位产品的能耗偏高。
表4 异构化副产不凝气组成 w,%
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表5 异构化副产轻烃组成 w,%
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2.3 装置运行能耗高
该装置受限于吸附剂和异构化催化剂的性能衰减,大量的混苯中间物料在整个大芳烃加工流程中循环,精馏塔负荷居高不下,造成燃料气消耗偏高。同时塔顶冷凝器交换低温余热因品位较低(80～150 ℃),难以在装置内部得到利用,只能采用空气冷却器或水冷却器冷却[3],装置运行能耗见表6。从表6可见,按对二甲苯+邻二甲苯目的产品进行能耗摊销后,整体能耗仍偏高。
表6 装置能耗
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1)1 kgEO=41.8 MJ;2)单位为kW·h/d。
3 改造效果
3.1 异构化催化剂选择
该装置换剂主要针对吸附剂和异构化催化剂,其中新吸附剂的选择仍以提高吸附分离效率为主要考虑因素,本次选用中石化石油化工科学研究院有限公司开发的RAX系列吸附剂,吸附剂改造前后的工况对比见表7。从表7可见,换剂后可有效减少整个大芳烃加工流程中循环的芳烃物料。
表7 改造前后吸附分离单元运行工况对比
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在异构化催化剂的选择方面,该装置原为进口的乙苯转化型,此次寿命到期,新剂选用活性更高、工况适应能力更强,更加匹配该公司未来发展规划的脱乙基型异构化催化剂[4]。同时国产脱乙基型异构化催化剂的研发及工业化[5-6]已取得了优异的成绩,成为此次更换催化剂的选择,可有效增加反应产物中对二甲苯的含量,提高吸附分离的效率,异构化催化剂更换前后的性能指标见表8。
表8 改造前后异构化催化剂性能对比
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从表8可见,脱乙基型异构化催化剂相比乙苯转化型异构化催化剂有更高的乙苯转化率,有效降低了反应产物中乙苯含量,对二甲苯的质量分数增加了超过2百分点,效果显著。与此同时,采用新剂时有更低的芳环损失,对提高芳烃资源利用率也起到了更为积极的作用。
3.2 副产品的利用策略
由于异构化催化剂的选择不同,装置改造前后的轻烃和副产的气体在量以及组成方面均有较大的不同,改造前后的物料平衡情况见表9,改造前后的轻烃和副产的气体组成对比分别见表10和表11。
表9 改造前后物料平衡对比
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表10 改造前后副产轻烃组成对比 w,%
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从表9可见,由于脱乙基型异构化催化剂具有更高的乙苯转化率,轻烃产品和副产的干气收率明显高于改造前的工况,而对二甲苯+邻二甲苯的收率有所降低;但受益于该剂更低的芳环损失以及乙苯转化过程的高选择性,获得的轻烃油富含苯,干气中则富含乙烷,使产出价值得以提升。
表11 改造前后副产干气组成对比 x,%
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从表10和表11可见,轻烃产品中苯质量分数可达到82.2%,且非芳烃含量极低,通过芳烃抽提装置已得到合格的苯产品,可直接作为下游化工装置的优质原料,减少苯资源的外采量。干气产品中乙烷质量分数为68.65%,乙烷+丙烷质量分数达到79.85%,送蒸汽裂解制乙烯装置作原料,推进乙烯原料的轻质化,显著提高了整体芳烃资源的利用率。
3.3 节能降耗措施
对二甲苯装置作为“燃料气大户”,其燃料气消耗量的降低以及整体热量的高效利用对全厂节能降耗起到非常显著的作用。此次换剂在吸附分离处理能力以及异构化反应转化效率方面已经有了明显的提高,有效减少了中间物料在整个大芳烃加工流程中的循环,燃料气的单耗显著下降,改造前后的能耗对比见表12。
表12 装置改造前后能耗对比
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1)单位kW·h/d。
从表12可见,随着对二甲苯产能的进一步提高,燃料气的总消耗量仍然较大,装置低温热资源非常丰富,通过提高操作塔压等手段[7],热媒水取热可控制不小于140 ℃的较高温位,装置自身无法全部利用,需扩大至全厂范围内寻找热阱。如本次改造通过对二甲苯装置与蒸汽裂解制乙烯装置、动力中心和2套裂解C5分离装置进行热联合,降低中低压蒸汽的消耗量,达到节能目的。
目前低温热联合仅投用1套裂解C5分离装置,供热量未完全利用,待全部热联合投产后预计可实现输出热量1 800 TJ/a,进一步降低总体能耗。
4 结 论
(1)进行了对二甲苯装置换剂适应性改造,把装置异构化路线从乙苯转化型改为脱乙基型,对炼化一体化企业而言,在减少芳烃损失的同时将芳烃资源最大化转化为对二甲苯和苯,提高芳烃资源利用率,同时回收副产的富乙烷气体作为高附加值的蒸汽裂解制乙烯原料,可实现效益最大化。
(2)对二甲苯装置低温热资源极其丰富,在低温热利用中不能只着眼于装置内部优化,而是扩大到全厂范围内进行不同区域、板块之间的热联合,为一体化炼油厂低温热利用提供借鉴思路。
