沈 鑫 俞 輝 趙英凱 李麗娟

(南京工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引言

流程模擬是過程系統(tǒng)工程中最基本的技術(shù)，能為工程設(shè)計(jì)和流程分析等提供強(qiáng)有力的工具。它既可以判斷一個(gè)裝置性能的優(yōu)劣，也可以對(duì)開發(fā)新的工藝提供可靠的預(yù)測，有助于研究人員提高工作效率。

常壓塔各個(gè)側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量難以在線測定，且各個(gè)側(cè)線產(chǎn)品的抽出量與溫度之間耦合嚴(yán)重。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)際生產(chǎn)中各側(cè)線產(chǎn)品的抽出量比較保守，這就導(dǎo)致收率較低。

基于以上問題，以某煉油廠原油蒸餾裝置為工程背景，研究了初餾塔和常壓塔的流程模擬問題，建立了符合實(shí)際的機(jī)理模型;并在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了操作條件，實(shí)現(xiàn)了常頂石腦油和常一線產(chǎn)品之間的清晰切割。

1 工藝流程模擬

1.1 流程模擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

加工原油為沙特輕質(zhì)油(原油性質(zhì))，處理量取350萬t/a，脫后原油含水0.2%，初餾塔塔頂壓力為0.19 MPa，常壓塔塔頂出口溫度為110℃，塔頂壓力為0.12 MPa，常壓塔設(shè)置有常一線、常二線和常三線共3個(gè)側(cè)線抽出。

1.2 工藝分析

常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序。根據(jù)原油中各組分的沸點(diǎn)(揮發(fā)度)不同，采用加熱的方法從原油中分離出各種石油餾分的裝置稱為常減壓蒸餾裝置。常壓蒸餾法蒸餾出低沸點(diǎn)的汽油、煤油和柴油等組分，而沸點(diǎn)較高的蠟油和渣油等組分則被留在未被分出的液相中。將常壓渣油經(jīng)過加熱后，送入減壓蒸餾系統(tǒng)，使常壓渣油在避免裂解的較低溫度下進(jìn)行分餾，分離出潤滑油料和催化料等二次加工原料，剩下組分進(jìn)行減壓渣油。

精餾系統(tǒng)中的各種原油精餾塔具有相同的工藝特點(diǎn)，其根本特點(diǎn)是原油精餾塔處理的是復(fù)雜混合物——原油，生產(chǎn)的也是復(fù)雜混合物——各種餾分產(chǎn)品。在常減壓裝置的常壓蒸餾系統(tǒng)中，原油被切割成常頂石腦油，常一、常二、常三線油以及常壓重油等5種產(chǎn)品。按照多元精餾原理，需要使用4個(gè)精餾塔才能夠把這些產(chǎn)品分離出來，所以常壓塔是由4個(gè)精餾塔逐級(jí)疊加而成的復(fù)合塔［1］。

初底油在常壓爐中加熱到進(jìn)料溫度后進(jìn)入常壓塔，進(jìn)料溫度應(yīng)根據(jù)煉制原油的性質(zhì)(如原油實(shí)沸點(diǎn)曲線等)、各餾分產(chǎn)品的質(zhì)量要求(如干點(diǎn))、過汽化度要求及汽化段的油汽分壓來決定。進(jìn)料溫度太高會(huì)浪費(fèi)能量，且會(huì)增加塔的汽相負(fù)荷，降低塔的處理量;而進(jìn)料溫度太低，則會(huì)造成輕油收率下降。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常壓爐出口溫度總是加熱到最高限度，以保證足夠的汽化率和穩(wěn)定裝置操作，但這會(huì)導(dǎo)致塔的能耗增大、效率降低。

為了保證各餾分產(chǎn)品的質(zhì)量，通常在常壓塔旁設(shè)置汽提塔，采用過熱水蒸氣汽提，以降低側(cè)線產(chǎn)品中輕質(zhì)組分的含量;在常壓塔底注入過熱水蒸氣，從而降低油汽分壓，幫助塔底重油中輕質(zhì)油的汽化，同時(shí)提高進(jìn)料在汽化段中的汽化率和餾分油的收率。由于水的分子量較油品的分子量要小得多，少量的汽提蒸汽具有較大的體積，如果不控制汽提蒸汽量，它將在相當(dāng)大程度上加大常壓塔的汽相負(fù)荷。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，汽提蒸汽的量由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

由于常壓塔塔底無再沸器，進(jìn)塔熱量主要由進(jìn)料帶入，因此，回流比對(duì)常壓塔的精餾效果影響很大。如果塔頂?shù)幕亓髁窟^大，則過量的液相回流會(huì)使塔內(nèi)各個(gè)部位的蒸汽過多冷凝，造成塔內(nèi)各處的溫度普遍下降，產(chǎn)品組成普遍變輕，餾出油收率下降，常壓重油中所含輕質(zhì)油的含量增高;反之，塔內(nèi)各點(diǎn)溫度會(huì)全面上升，分餾精確度下降，產(chǎn)品的餾分組成變重，產(chǎn)品不合格。常壓塔有塔頂循環(huán)回流，中部有常一、常二中段循環(huán)回流，可克服常壓塔汽、液負(fù)荷分布的不均勻性［2］。

1.3 流程模擬方法

1.3.1 物性方法選擇

物性集是Aspen Plus用于計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)的方法和模型的集合［3］。選擇合適的物性集是模擬結(jié)果正確與否的關(guān)鍵。

在化工過程模擬中，常用的物性方法有以下4種:BK-10法、CHAO-SEA法、GRAYSON法和MXBONNEL法。BK-10法通常用于真空或低壓狀態(tài)，CHAO-SEA法和GRAYSON法通常用于高壓情形，GRAYSON法是在富氫體系中應(yīng)用范圍最廣的方法，MXBONNEL法適用于乙烯過程等輕烴類的混合物體系。

本文針對(duì)常減壓裝置進(jìn)行流程模擬，初餾塔和常壓塔是基于常壓工作，而減壓塔的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常壓，因此，對(duì)于各塔的計(jì)算均選擇BK-10法。

1.3.2 收斂方法選擇

Aspen Plus提供的收斂方法有WEGSTEIN法、DIRECT法、割線法、BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法和SQP法等。不同的模塊采用不同的收斂方法，本文流程模擬計(jì)算的收斂方法采用WEGSTEIN方法。這種方法可同時(shí)運(yùn)用于任何數(shù)目的流股，而且具有快速可靠的特點(diǎn)，適用于常減壓裝置的計(jì)算。

1.4 初餾、常壓塔模擬

1.4.1 初餾塔模型

初餾塔過程流程如圖1所示。

圖1 初餾塔過程流程圖Fig.1 Flowchart of forerunning tower

圖1中:MIXOIL為脫鹽脫水后的進(jìn)料流股;PDUSTM為初餾塔塔底蒸汽;SOW為含硫污水;NAPHTHA為初頂石腦油;SIDE-OUT為初餾塔側(cè)線抽出流股;CDU-FEED為常壓塔的進(jìn)料流股。

由圖1可知，初餾塔選用帶有塔頂冷凝器的塔模型，沒有塔底再沸器，并設(shè)置有兩個(gè)中段循環(huán)。

1.4.2 常壓塔模擬

常壓塔過程流程如圖2所示。

圖2 常壓塔過程流程圖Fig.2 Flowchart of atmospheric tower

圖2中:CU-STM1、CU-STM2、CU-STM3分別為常一線、常二線、常三線汽提蒸汽;CHANG-1、CHANG-2、CHANG-3分別為常一線、常二線、常三線產(chǎn)出;REDCRD為常底油;CU-TOPVA為自常壓塔頂回流缸出來的氣體;CTOP-TDW為常頂油至脫于烷塔進(jìn)料緩沖罐;CU-WATER為塔頂污水;HNAPHTHTHA為常頂石腦油;CPU-STM為塔底蒸汽。

常壓塔選用帶有常壓爐、塔頂冷凝器和汽提蒸汽塔的塔模型，沒有設(shè)置塔底再沸器，但設(shè)置有3個(gè)中段循環(huán)。常壓塔在設(shè)計(jì)時(shí)采用二級(jí)冷凝，其中，第一級(jí)冷凝可以由塔頂冷凝器來模擬計(jì)算，對(duì)于第二級(jí)冷凝器則由閃蒸模塊(V2104)進(jìn)行計(jì)算。閃蒸模型代表單級(jí)分離器，如排空罐。這些模型根據(jù)設(shè)定進(jìn)行相平衡閃蒸計(jì)算，可以進(jìn)行絕熱、等溫、恒溫恒壓、露點(diǎn)或泡點(diǎn)閃蒸計(jì)算。由于很難找到比常減壓裝置中塔底油溫高的介質(zhì)，而過熱蒸汽卻很容易獲得，所以在常減壓裝置中一般都采用經(jīng)過加熱爐對(duì)流段加熱的0.3～0.6 MPa、400～450℃的過熱蒸汽作為汽提介質(zhì)。但采用蒸汽汽提會(huì)使塔內(nèi)汽相負(fù)荷增加，影響塔的處理能力。

側(cè)線汽提塔可以看作是只有提餾段的蒸餾塔。側(cè)線產(chǎn)品自汽提塔頂部進(jìn)料，汽提塔底部通入過熱蒸汽，將產(chǎn)品中的輕組分蒸發(fā)出去，通過氣相回到主塔里，以提高側(cè)線產(chǎn)品的初餾點(diǎn)和閃點(diǎn)。在常減壓裝置中，提餾的方法大多采用蒸汽汽提。當(dāng)向汽提塔塔底通入過熱蒸汽時(shí)，自下往上的蒸汽和從上往下流的液相重組分逆流接觸，降低了氣相的油氣分壓，使得被提餾油品中的輕組分汽化上升并返回主塔，從而達(dá)到了提餾的目的。

1.5 模擬計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行了流程模擬計(jì)算。實(shí)際工況流程模擬模型是根據(jù)所煉原油和各種操作條件的不同來調(diào)節(jié)塔模型的參數(shù)，得到能夠良好描述實(shí)際生產(chǎn)過程的流程模擬模型。由于實(shí)際生產(chǎn)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此在工況的選取上盡可能選用操作穩(wěn)定的工況，并采用一段時(shí)間內(nèi)的平均值作為模型的輸入，以提高模型的準(zhǔn)確性［4］。

根據(jù)工廠的工藝指標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的閃點(diǎn)、初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)等，一般而言，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)衡量的標(biāo)準(zhǔn)主要是產(chǎn)品的終餾點(diǎn)。在已建立的流程模擬模型中輸入相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，終餾點(diǎn)模擬結(jié)果比較，溫度、壓力及質(zhì)量流量數(shù)據(jù)比較分別如表1、表2所示。

表1 終餾點(diǎn)模擬結(jié)果比較Tab.1 Comparison of simulation results of final boiling point

表2 溫度、壓力及質(zhì)量流量數(shù)據(jù)比較Tab.2 Comparison of temperature、pressure and mass flow

由表1、表2可知，模擬計(jì)算結(jié)果中主要產(chǎn)品干點(diǎn)基本上與實(shí)際工況運(yùn)行的結(jié)果相吻合。這說明該模型可以很好地體現(xiàn)常減壓裝置實(shí)際運(yùn)行的狀況，具有較高的精度和準(zhǔn)確性，從而為操作人員提供了指導(dǎo)，為生產(chǎn)提供了科學(xué)準(zhǔn)確的參考。

2 操作條件優(yōu)化

2.1 靈敏度分析工具

Aspen Plus中的靈敏度分析工具是用來研究當(dāng)某一流股或操作條件(如溫度、壓力、汽提蒸汽流量、循環(huán)回流取熱等)發(fā)生變化時(shí)，出口質(zhì)量指標(biāo)將如何進(jìn)行變化的一種手段［6］。靈敏度工具可以方便地確定產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)等對(duì)關(guān)鍵操作變量和設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)，即確定一個(gè)或多個(gè)流股變量變化對(duì)其他流股變量造成的影響。這是一種形式為“If…Then”的研究工具，可以使用靈敏度分析工具來驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)在操作變量的變化范圍內(nèi)是否有解，也可以用來處理一些過程優(yōu)化問題。

2.2 序貫二次規(guī)劃算法

在對(duì)常減壓裝置的流程模擬計(jì)算中，本文選擇了快速可靠的Wegstein方法;而對(duì)于操作優(yōu)化，本文選擇采用序貫二次規(guī)劃(sequential quadratic program，SQP)算法。它是優(yōu)化操作的默認(rèn)算法，用于等式或不等式約束的流程優(yōu)化問題。

在化工過程的優(yōu)化問題中，SQP算法的應(yīng)用越來越廣泛，給復(fù)雜大系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了突破性的進(jìn)展。

2.3 產(chǎn)品分離技術(shù)結(jié)果

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般使用脫空度和重疊度來衡量精餾塔的分離精度［7］。脫空是指上下兩個(gè)側(cè)線的餾程沒有交叉，通常采用上一側(cè)線95%點(diǎn)和下一側(cè)線的5%點(diǎn)之間的溫度差來表示。如果兩點(diǎn)交叉，則稱之為重疊。從蒸餾的目的來說，各產(chǎn)品之間最好都能脫空［8］。

為了得到分布相對(duì)狹窄的側(cè)線產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)降低各側(cè)線產(chǎn)品之間重疊度甚至脫空的優(yōu)化目標(biāo)，本文應(yīng)用Aspen Plus靈敏度分析工具來研究常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量分別對(duì)常頂/常一線產(chǎn)品重疊度的影響，即選擇常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量為調(diào)節(jié)變量，常頂95%點(diǎn)和常一線5%點(diǎn)為輸出變量進(jìn)行單變量靈敏度分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 分析結(jié)果Fig.3 Analyzing results

由圖3(a)可知，隨著常頂采出流量的增加，常頂95%點(diǎn)和常一線5%點(diǎn)溫度同時(shí)升高，但常一線5%點(diǎn)溫度比常頂95%點(diǎn)溫度升高得更快，因而其重疊度隨常頂產(chǎn)品流量增加而降低。隨著常一線采出流量的增加，常一線5%點(diǎn)溫度略有增加，而常頂95%點(diǎn)溫度基本不變;隨著常一線汽提蒸汽流量增加，常頂95%點(diǎn)溫度下降，而常一線5%點(diǎn)溫度則是迅速增加。

由圖3(b)可知，從增加常頂采出量對(duì)常頂95%點(diǎn)和常一線5%點(diǎn)的影響可知，兩者基本上隨常頂采出量增加呈線性升高關(guān)系，只是常一線5%點(diǎn)升高得更快。其原因在于常頂采出量增加，使得常頂產(chǎn)品中沸點(diǎn)高的組分增加，而一線產(chǎn)品中沸點(diǎn)低的組分減少;增加一線產(chǎn)品采出流量則會(huì)使其中重組分含量增加，一線產(chǎn)品5%點(diǎn)溫度也將相應(yīng)增加，而常頂產(chǎn)品95%點(diǎn)則基本不受影響。因而增加常頂產(chǎn)品采出量和一線產(chǎn)品采出流量均對(duì)降低常頂產(chǎn)品/一線產(chǎn)品重疊度的作用有限。

由圖3(c)可知，汽提蒸汽流量從零逐漸增加到300 kg/h時(shí)，常一線5%點(diǎn)溫度顯著升高，常頂95%點(diǎn)溫度也有較大降低;但是當(dāng)汽提蒸汽流量進(jìn)一步增加時(shí)，常一線5%點(diǎn)仍有明顯升高，而常頂95%點(diǎn)卻已經(jīng)沒有明顯變化。這是因?yàn)槌Ｒ痪€汽提蒸汽流量增加會(huì)降低常一線汽提塔中油氣分壓，使得油氣中的輕組分更容易被汽提到常頂產(chǎn)品中，常頂產(chǎn)品的95%點(diǎn)也就自然會(huì)有所降低，因而增加汽提蒸汽流量可以優(yōu)化分離效果。

研究結(jié)果表明，提高一線汽提蒸汽流量對(duì)降低常頂石腦油/常一線油重疊度效果顯著，甚至能達(dá)到脫空的效果。

3 結(jié)束語

本文按照實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)，對(duì)初餾塔和常壓塔進(jìn)行了流程模擬，并按照工藝機(jī)理，選擇BK-10狀態(tài)方程和Wegstein收斂算法［9］對(duì)其進(jìn)行分段模擬，最終模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際工藝質(zhì)量指標(biāo)大致符合。同時(shí)，研究了常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量分別對(duì)常頂/常一線產(chǎn)品重疊度的影響［10－11］。

利用該結(jié)果可以有效地指導(dǎo)生產(chǎn)，對(duì)提高產(chǎn)量以及側(cè)線產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品有著積極的指導(dǎo)意義。

［1］葛玉林.常減壓蒸餾流程模擬與優(yōu)化及換熱網(wǎng)絡(luò)綜合［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［2］殷衛(wèi)兵，羅雄麟，史偉.原油常減壓蒸餾塔的流程模擬［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(5):88 －93.

［3］張健中.3.5Mt/a常減壓裝置的流程模擬及操作優(yōu)化研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］高倩，蘇宏業(yè)，褚健.石油蒸餾過程仿真研究與探討［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2003，37(3):368 －371.

［5］Lang P，Szalmas G，Chikany G，et al.Modeling of a crude distillation column［J］.Computers ＆ Chemical Engineering，1991，15(2):133 －139.

［6］張哲，盧濤.基于Aspen Plus的常壓蒸餾裝置流程優(yōu)化［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，36(z1):110－112.

［7］趙琛琛.工業(yè)系統(tǒng)流程模擬利器-ASPEN PLUS［J］.電站系統(tǒng)工程，2003，19(2):57 －58.

［8］范天博，譚學(xué)富.多元復(fù)雜精餾過程模擬和優(yōu)化［J］.遼寧化工，2003，32(3):109 －111.

［9］楊凱堯.精餾生產(chǎn)過程穩(wěn)態(tài)建模和優(yōu)化［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［10］江海斌.生物柴油蒸餾真空機(jī)組的選配［J］.中國油脂，2011，36(5):74－76.

［11］賀中華，魏文雄，謝云山，等.一種新型液體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(12):11 －14.