聚丙烯装置丙烯净化塔性能与操作分析

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【摘要】通过对聚丙烯装置丙烯净化塔的理论论证和现实运行情况分析，验证了丙烯净化塔的实际操作性能：虽不能将原料丙烯的纯度提升到一个明显的新高度，但其对脱除原料丙烯中的易挥发杂质和毒物的效果显著。并通过分析影响丙烯净化塔性能的各项因素，总结出不同运行状况下适宜选取的操作方法，以达到节能减排的效果，为企业争取利益最大化。

【关键词】丙烯净化塔 精馏 性能 操作方法

对原料丙烯进行净化处理是聚丙烯装置的重要工序，原料丙烯的纯度对维持聚丙烯聚合反应稳定运行和提高产品质量有重大影响。因此明晰丙烯净化塔的性能并掌握正确的操作方法对聚丙烯装置具有十分重要的意义。现以大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司聚丙烯装置的丙烯净化塔为例，分析其性能与操作方法。流程见图1。

液体混合物的蒸馏分离，是利用物系中各组分挥发度不同的特性而实现的。在一个理想的两组分物系中，液相总是符合拉乌尔定律（式1），而气相在外压不太高时总是符合道尔顿分压定律（式2）[1]。

公式中可以看出，在一定的外压条件下，理想两组分体系气液两相中各组分的摩尔分数仅与平衡温度有关。精馏是一个多级分离过程，相当于在精馏塔内进行多次平衡蒸馏。平衡状态下，精馏塔内的每一层塔盘，其塔盘上的溶液及溶液上方的气相都可以看作一个单独的平衡体系，在外压稳定的条件下，其平衡组分摩尔分数仅与其平衡温度有关。因此，一个稳定操作的精馏塔中，精馏塔的产品组分组成变化可通过观察塔顶及塔底的温度变化来进行判断。

2 丙烯净化塔设计参数分析

此丙烯净化塔设计理论塔板数为20，进料板为第9层。而此塔实际塔板数为32（包括塔底再沸器和塔顶冷凝器），实际进料板为第14层，塔板效率在60%左右[2]。此塔各塔盘平衡温度和液相各组分摩尔分数设计值如表1所示。从表中可以看到，塔顶操作压力为2.249MPa时，塔底设计温度为53.51℃，塔顶设计温度为44.13℃，温度变化并不是典型的精馏塔变化曲线。当塔盘上液相中轻组分摩尔分数增加时，其对应的平衡温度随之降低，因此可用塔顶温度和塔底温度来反应塔底塔顶的组成[3]。其中第一层塔盘和第二层塔盘之间的温度变化最大，组份变化也相对较大，其它塔盘之间温度变化并不十分明显，因此可以认为此塔的灵敏板是第一板，可用其变化来监控各塔盘的组分变化情况。另外，我们也可以看出，丙烯净化塔对原料丙烯（塔底产品）的提纯效果并不明显，但对于C2以下的轻组分的分离效果比较突出，因此我们在操作时应重点调节丙烯中C2以下的轻组分含量。

3 影响因素 3.1 进料状况对丙烯净化塔产品组成的影响

进料状况一般包括进料的组成和进料的热状态，在稳定的料组成下，对于一个操作稳定良好的精馏塔来说，其塔顶、塔低组分会受到进料热状态的影响。对于此丙烯净化塔来说，在正常运行时，丙烯进料温度在26℃-32℃之间，属于冷物料进料，且物料温度变化不是很大，因此进料热状态对于丙烯净化塔组分的影响基本可以忽略不计。

当进料温度确定以后，进料组成的变化（表2）会同时影响塔顶组分组成和塔底组分组成。一般情况下，进料组成xF（进料中易挥发组分摩尔分数）增加时，塔顶、塔底液相中易挥发组分将同时增加，反之同时减少。

图2？次日丙烯净化塔运行状态

对比表1、图1以及图2，可以看出，记录的第一日，原料丙烯中C2以下的易挥发组分摩尔分数远高于设计进料组成，此时，对应的丙烯净化塔操作状态如图1所示。在这种进料组成下，塔顶温度仅为38.90℃，远低于设计操作温度44.13℃，说明此时塔顶易挥发组分摩尔分数已远高于设计值；塔底温度为51.97℃，亦低于正常水平，说明此时塔低易挥发组分同样高于正常水平。对比次日进料状态和丙烯净化塔操作状态，当进料中易挥发组分减少时，同样的操作压力下，塔顶温度升至48.79℃，塔底温度上升至52.48℃，实际变化与理论相符。因此，丙烯净化塔在脱除原料丙烯中轻组分的同时，还可监测原料丙烯的质量，并及时做出调整。当操作条件未改变时，塔顶、塔底温度同时下降，说明此时原料丙烯中轻组分含量增加，应加大顶部排放量，脱除轻组分；而当进料易挥发组分减少，塔顶、塔底温度升高，此时塔底组分和塔顶轻组分会相应减少，可适度减少排放，减少浪费；当塔顶温度上升到一定值时（十分接近此时压力下丙烯饱和蒸汽压），说明此时进料丙烯纯度已较高，且由于丙烯净化塔分离能力的限制，已不能继续分离出易挥发组分，此时可以考虑关闭放空。

3.2 操作条件对丙烯净化塔产品组成的影响

精馏塔的操作条件一般包括塔压、回流比[4]、塔温、物料平衡等。由于塔压总是随着平衡温度的变化而变化，且塔压变化不超过20%-30%时，x-y平衡曲线变动不会超过2%，因此在正常操作中，塔压变化不是很大时，可以认为塔压是一个恒定值。而丙烯净化塔在后续负荷变化不是很大、很频繁时，可认为物料一直处于平衡状态。

图3？丙烯净化塔操作温度变化趋势

设计初期，对进料、出料进行物料衡算，若所需产品的质量确定，精馏塔的塔底温度和操作压力就已经确定。从图3中可以看出，塔底温度的变化总会引起塔顶温度和塔压的相应变化。降低塔温时，塔压随着降低，组分相对挥发度增加，此时物系更易分离。但当操作压力过低时，塔顶温度过低，塔顶冷凝困难，精馏过程将无法继续进行，丙烯得不到精制。提高操作温度时，塔压随之升高，组分相对挥发度减小，分离变得困难。当塔压过高时，塔底产品很难提纯，产品质量得不到保证，同时塔顶排放产生浪费。因此，正常操作时，应尽量维持塔压稳定，通过塔顶、塔底平衡温度的变化来控制操作。而当原料纯度较高时，分离将变的很难，此时可适度地选择低塔压操作，以节约水、汽用量。

4 结论

（1）塔温的变化会引起塔压的变化，对塔顶、塔底组分组成有一定影响。在对丙烯净化塔进行操作时，应首先通过调节再沸器蒸汽流量和塔顶冷却水量来维持稳定的塔压；在塔压稳定的情况下，根据平衡温度的变化来选择合适的顶部放空量，以确保塔底产品的质量。

（2）当进料丙烯轻组分含量明显升高时，塔顶及塔底的轻组分含量均会随之升高，应及时增加顶部排放量，以维持塔底产品的质量；当进料丙烯轻组分含量较少时，顶部温度与丙烯对应压力下平衡温度相差不大，应关小排放量，减少丙烯损失。在确保丙烯净化塔塔底产品质量同时，也可适度选择较低塔压操作，以减少蒸汽和冷却水的用量，达到经济效益最大化。

参考文献

[1] 天津大学物理化学教研室编.化工原理[M].天津大学出版社，2005

[2] 钱建兵，朱慎林.影响精馏塔板效率因素探讨[J].化工时刊，2003

[3] 吕江平，伍家卫，王晓萍，刘哲.精馏塔顶温度与塔顶产品组成关系探讨[J].广东化工，2012

[4] 唐继国，殷福河，赵文，王晓红.操作型精馏塔影响因素的分析[J].青岛化工学院学报，1995.

作者简介

赵庆雯（1986-），女，汉族，吉林人，2008年毕业于吉林化工学院化学工程与工艺专业，助理工程师，现就职于大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司，从事化工管理工作。