催化汽油醚化装置的安全联锁特点
Outline:
温世昌
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孙方宪
,
刘成军
,
许新刚
收稿日期：2011-07-13
作者简介：
温世昌：男，1983生，2008年毕业于中国石油大学(北京)，硕士，工程师。主要从事加氢与醚化方面的工艺设计工作。地址：(266071)山东省青岛市南区华严路2号，电话：15820082635，E-mail:
wenshichang@cnpccei.cn.
摘要：国内某炼厂新建的催化汽油醚化装置引进国外技术，其工艺流程及安全联锁方案与国内其他醚化装置相比具有一定的特点。该文主要介绍讨论了该装置重要的安全联锁方案，包括通用的烃类隔断联锁、加热炉联锁、压缩机及离心泵相关的联锁。同时描述了该装置特有的联锁保护方案，如加氢蒸馏塔的安全联锁、醚化反应器及异构化反应器的联锁。这些安全联锁方案的设置对催化汽油醚化装置的设计和安全操作具有重要作用，并有效避免了工艺过程中的潜在危险。
关键词：催化汽油 醚化 加氢 异构化 安全联锁 工艺流程
Safety interlocking characteristics of FCC gasoline etherification unit
Outline:
Wen Shichang
,
Sun Fangxian
,
Liu Chengjun
, et al
CPECC East-China Design Branch, Qingdao 266071, Shandong
Abstract: The foreign process technology is introduced to build a new FCC gasoline etherification unit in a refinery. The process flow and safety interlocking scheme have some special characteristics compared to the other etherification units. Important safety interlocking systems of the unit are introduced and discussed, including the normal hydrocarbon inventory isolation interlocking, the heater interlocking, the compressor interlocking and the pump interlocking. Meanwhile, the special interlockings of the unit are described, including the hydrogenation column interlocking, the etherification reactor and isomerization reactor interlockings. These safety interlockings are important to the design and safe operation of the FCC gasoline etherification unit, which can avoid the potential danger in the process.
Key words:
FCC gasoline etherification hydrogenation isomerization safety interlocking process flow
汽油醚化工艺不仅能将催化汽油中的烯烃转化为醚类，从而降低催化汽油烯烃含量和饱和蒸汽压，提高其辛烷值，还能将低附加值的甲醇转化为高价值的汽油产品，经济效益显著，是实现汽油质量升级的较佳选择之一[1]。
国内某炼厂引进国外技术建成一套催化汽油醚化装置，其工艺流程包括催化汽油的选择性加氢和轻/重汽油分离部分、轻汽油醚化部分及碳五烯烃异构化部分[2]。该流程设置了大量的安全联锁系统，显著地削减了工艺过程中潜在的风险。目前采用国内技术建成的催化汽油醚化装置也有若干套，但是流程均较为简单，安全联锁系统的设置也较为薄弱。因此，了解该催化汽油醚化流程中安全联锁的设计特点，对国内醚化装置的设计和安全运行均具有一定的借鉴意义。以下对该引进技术的工艺流程特点和重要的安全联锁方案进行介绍和探讨。
1 工艺技术特点
催化汽油醚化工艺流程见图 1。
催化汽油选择性加氢及轻/重汽油的分离在同一催化蒸馏塔内进行，称为加氢蒸馏塔。塔内装填有镍基和钯基催化剂，反应过程包括二烯烃选择性加氢、硫醇和二烯烃生成硫醚及烯烃异构化反应。塔顶循环氢经压缩机升压后与新氢混合进入塔内反应[3]。轻汽油从加氢蒸馏塔抽出后经水洗进入醚化部分。醚化部分包括三台沸点反应器和一台催化蒸馏塔，采用混相床+催化蒸馏组合工艺，活性碳五烯烃的总转化率可以达到95%，多余的甲醇通过甲醇回收系统回收后循环利用[4]。正构碳五烯烃异构化部分采用固定床反应器，内部装填分子筛催化剂，异构化反应的转化率可达70%。异构化部分设三台异构化反应器，两台并联操作，另外一台再生，并设有异构化加热炉和再生气加热炉、再生气压缩机等。异构化产物返回醚化部分继续反应，提高了醚化反应的总转化率。
2 装置重要的安全联锁
2.1 通用安全联锁
2.1.1 烃类隔断联锁
烃类隔断联锁在储存易燃易爆介质的容器与泵入口管线设置紧急切断阀门。其作用为：在发生泵的机械密封泄露或着火等紧急情况时，可以快速切断泵的进料，防止易燃易爆或有毒的介质持续泄露进入大气并阻止火势扩大。该联锁在DCS和现场均设有按钮，现场按钮距离泵至少15 m[5]。同时该紧急切断阀的阀位信号可作为泵开启的前提条件，泵只有在阀门打开的时候才能启动，保护泵的安全运行。
近期国内炼油企业发生多起由于泵机械密封泄露而着火的事故。对于介质运行温度高于其自燃点的高温油泵或液化气泵等，烃类隔断联锁的设置可以有效防止事故的扩大，是非常必要的。
催化汽油醚化装置中的介质甲醇不仅闪点低，而且有一定毒性。轻汽油和碳五组分的饱和蒸汽压较高而闪点较低，这些介质一旦泄漏，会迅速引起火灾并具有一定毒性。因此汽油醚化装置应注意烃类物流隔断联锁的设计，将安全隐患彻底杜绝。
2.1.2 加热炉的安全联锁
该催化汽油醚化装置有两台加热炉，分别是异构化加热炉和再生气加热炉。以异构化加热炉为例，说明加热炉部分的安全联锁设计特点，主要包括以下四个部分。
(1) 加热炉主燃料气管线的联锁。主燃料气管线设有三取二的压力指示报警器，当其压力超过正常范围时，关闭主燃料气管线的两个紧急切断阀，并自动打开两阀间的放空管线泄放至火炬。在切断主燃料气管线的同时，触发工艺联锁Ⅰ：关闭异构化加热炉入口及异构化反应器出口管线，将加热炉和反应器从流程中隔离，并同时打开加热炉入口氮气管线和反应器出口放火炬管线，使用氮气对加热炉炉管和反应器内部进行紧急吹扫放空，从而保护异构化加热炉和异构化反应器。
(2) 长明灯管线的联锁。长明灯管线亦设有三取二的压力指示报警器，当其压力超过设定范围时，关闭长明灯管线的两个紧急切断阀，并自动打开两阀间的放空管线泄放至火炬。同时该联锁将触发主燃料气管线的联锁，并引发后续的工艺联锁，将装置与潜在的危险彻底隔离。该联锁可防止加热炉长明灯点火不成功或中途熄火对装置造成的安全威胁。
(3) 空气部分的联锁。当引风机出口空气管线压力低低时，打开燃烧器环形风道上的快开风门，将燃烧器从强制通风改为自然吸风，避免停炉。
(4) 紧急停炉联锁。该联锁为ESD(Emergency Shutdown)联锁，在现场和控制室均设有紧急停炉按钮(硬件按钮)。在发生意外情况需要紧急停炉时手动触发该联锁。除以上联锁外，还可为每台燃烧器配置一台紫外线火焰检测器，精确判断燃料器的点火和运行情况。当无火焰信号时，联锁切断主燃料气和长明灯管线并触发相关联锁，实现对加热炉和装置的保护。
2.1.3 压缩机的联锁
该醚化装置共有两台压缩机：包括加氢部分的循环氢压缩机和异构化部分的再生气压缩机。以循环氢压缩机为例，说明压缩机部分的联锁设置有：
(1) 工艺方面的联锁。循环氢压缩机设置工艺安全联锁的目的是防止压缩机发生机械损坏或介质泄漏进入大气引起火灾。主要包括：①只有当压缩机出口紧急切断阀的阀位指示处于开启状态，才允许压缩机开机，属于条件限制行为联锁；②自动停机联锁：当压缩机入口分液罐液位高高，或压缩机出口温度高高时，自动停机。同时在现场和控制室均设有紧急停机按钮。
(2) 机组部分联锁。①停机联锁：润滑油供油总管压力过低，或电机定子温度过高时，自动停机；②启机联锁：润滑油供油总管压力高于设定，或供油总管温度高于设定值，允许启动主机；③控制联锁：软化水供水总管压力低于设定值时启动辅助水泵，润滑油供油总管压力低于设定值时启动辅助油泵。
2.1.4 塔顶超压联锁
该醚化装置共有三台蒸馏塔：加氢蒸馏塔、醚化蒸馏塔和甲醇回收塔。如果发生停电故障，三台塔的回流泵及塔顶空冷器将无法正常工作，由此导致的火炬泄放量非常巨大。为了降低事故工况下的总泄放量，在塔顶均设置了超压联锁。当塔顶压力高高时(三取二)，自动切断相应的重沸器入口导热油，停止向塔内输入热量，从而减少塔顶的火炬泄放量。在设计中考虑该联锁后，装置内火炬总管的管径可以有一定程度的减小，从而节约投资。
2.2 装置特有的安全联锁
2.2.1 加氢蒸馏塔的安全联锁方案
(1) 保护塔内催化剂的安全联锁。加氢蒸馏塔内设有三段催化剂床层，由于反应会放出热量，故需通过合适的塔顶回流液来浸润催化剂表面并带走热量，否则如果催化剂床层液相回流量不足，反应温度会急剧升高，从而导致选择性加氢反应失控，催化剂产生局部“热点”，造成催化剂失活。这一工艺特点决定了塔顶的回流对于加氢蒸馏塔的正常操作至关重要，因此流程中设置了安全联锁方案用以保护催化剂。其联锁触发条件包括三个催化剂床层中任一床层的温度高高(三取二)或塔顶回流泵的出口流量低低(三取二)，而联锁触发结果为紧急切断进入加氢蒸馏塔的新氢和循环氢，阻止反应进一步发生。回流泵出口流量低低的信号持续1 min，将触发备用泵自启动的联锁，既保证回流液不会间断太长时间，又在一定程度上防止由于信号误差或误操作引起的不必要的联锁触发。
(2) 防止轻汽油抽空的安全联锁。加氢蒸馏塔塔顶为全回流操作，从塔上部某层塔盘抽出轻汽油。为了防止轻汽油抽空，在此处设置了低液位安全联锁。当抽出斗中的液位低于设定值时，自动切断轻汽油抽出线，防止抽空。
2.2.2 醚化反应部分的安全联锁方案
(1) 防止醚化反应器超温的安全联锁。醚化反应器入口设有一台进料/产物换热器和一台进料预热器，将反应进料温度维持在合适的范围。由于醚化反应也是放热反应，因此也存在反应失控导致反应温度急剧升高从而造成催化剂失活的情况。为此流程中设置了防止醚化反应器超温的安全联锁。联锁条件为反应器入口温度高高或出口温度高高，联锁结果为切断进料预热器的热源，同时打开进料/产物换热器的热流旁路，从而停止对醚化反应进料的加热，使反应器温度逐步降低。
(2) 防止醇烯比过低的安全联锁。醇烯比的控制对于催化汽油醚化装置的正常操作非常重要。一旦发生醇烯比过低(如甲醇泵不上量的情况)，在酸性树脂催化剂作用下，轻汽油中的烯烃会发生聚合反应生成二聚物甚至多聚物，导致醚化反应超温并使催化剂结焦失活。因此流程中设置了防止醇烯比过低的联锁，一旦醇烯比低于某一限定值，自动切断轻汽油进料，保护反应器中的催化剂。
2.2.3 异构化反应部分的安全联锁方案
(1) 正常操作时防止异构化反应器超温的联锁。烯烃异构化反应温度较高(约400 ℃)，且为气相放热反应。如果温度超出可控范围，将会造成分子筛催化剂结构的破坏。因此流程中设置了防止反应超温的安全联锁。当反应器温度超温时，紧急切断异构化反应器进料线，同时打开入口氮气吹扫线和出口管线上的排火炬线，对反应器内物料进行吹扫降温，从而达到保护异构化催化剂的目的。
(2) 再生时防止异构化反应器超温的联锁。虽然异构化反应器中的主反应为碳五烯烃的异构化反应，但是不可避免会发生相对分子质量较大的烯烃裂解的副反应，这将导致催化剂表面结焦并使催化剂最终失活。因此异构化反应器需要通入空气进行烧焦再生。为防止催化剂再生过程中发生超温，设置了相应的安全联锁。当再生过程中反应器温度高高时，紧急切断再生系统的补充空气，同时将异构化反应系统和再生气系统切断隔离，并打开反应器入口氮气管线对反应器进行吹扫降温，吹扫介质从反应器出口排向大气。
3 结语
催化汽油醚化装置存在氢气、碳五及甲醇等易燃易爆有毒的介质，其生产和操作过程具有一定的危险性。安全联锁系统的设计对于装置的长周期安全运行具有重要意义。采用国外技术设计的醚化装置，其安全联锁的设置比较完善，对生产中可能出现的安全隐患均配置了联锁保护措施，将装置运行的安全风险降至最低。与此同时大量的安全联锁系统也会造成装置投资大幅攀升。因此设计过程中应结合国内具体情况，综合考虑安全、风险、投资等各方面因素，系统分析装置内各联锁的安全等级并确定最终的安全联锁方案。
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中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50160-2008.石油化工企业设计防火规范[S].
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2012, Vol. 41