雷 楊，曾丹林，王光輝，陳清林

(1.武漢科技大學化學工程與技術學院，武漢 430081；2.中山大學化學與化學工程學院/低碳化學與過程節(jié)能廣東省重點實驗室)

強化吸收過程的吸收穩(wěn)定節(jié)能流程及模擬分析

雷 楊1，曾丹林1，王光輝1，陳清林2

(1.武漢科技大學化學工程與技術學院，武漢 430081；2.中山大學化學與化學工程學院/低碳化學與過程節(jié)能廣東省重點實驗室)

開發(fā)了一種吸收塔帶有側線抽出的節(jié)能流程，新增吸收塔下部側線液相采出經冷卻進入平衡罐，吸收塔塔底油直接進入穩(wěn)定塔。并從能量效益方面對比分析新流程與傳統(tǒng)“四塔流程”，研究結果表明，與傳統(tǒng)“四塔流程”相比，新流程的解吸塔再沸器負荷、平衡罐前冷卻器負荷及系統(tǒng)能耗分別降低12.2%，10.4%，5.2%。

吸收穩(wěn)定 吸收 節(jié)能 計算機模擬 過程系統(tǒng)

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)廣泛應用于石油煉制及海上油氣處理等過程的輕烴處理。在保證產品精度的前提下降低系統(tǒng)能耗得到了廣泛的關注?？紤]到吸收塔內C1～C5等多組分的吸收速率，吸收塔塔底物流直接進入解吸塔會導致部分C4和C5組分在解吸塔內部循環(huán)。能量流上表現(xiàn)為部分解吸塔再沸器熱量轉移到平衡罐前冷凝器冷卻，本質上屬于一種“隱蔽”的重復冷卻升溫。

目前，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)節(jié)能及改善吸收效果的研究主要集中在以下兩個方面：一是工藝流程創(chuàng)新。如周文娟等[1]提出一種帶有二級冷凝及中間再沸器的復合節(jié)能工藝，具有降低系統(tǒng)冷熱負荷及降低解吸氣量、緩解解吸塔負荷的優(yōu)點；陸恩錫等[2]對雙塔流程中吸收塔塔底油經平衡罐進入解吸塔和直接進入解吸塔兩種流程進行對比分析，認為經過平衡罐的流程總體效益更明顯；黃明富等[3]采用穩(wěn)定塔下部側線抽出物流替代穩(wěn)定汽油作為補充吸收劑，該流程具有改善吸收效果、能耗基本不變及改造投資少等特點；張達等[4]提出將富氣流向改為直接進入解吸塔，新流程降低了解吸塔負荷，同時取消了氣壓機前的空氣冷卻。二是操作參數優(yōu)化。如閻龍等[5]使用靈敏度分析方法對延遲焦化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的主要影響因素進行了分析，給出了解吸塔釜溫度、穩(wěn)定塔釜溫度等參數的優(yōu)化方案；李國慶等[6]認為解吸率是影響系統(tǒng)能耗及產品收率的關鍵變量，借助流程模擬、能量優(yōu)化和數值回歸技術提出了求解吸收穩(wěn)定系統(tǒng)最優(yōu)解吸率的系統(tǒng)方法及具體實施手段。

本研究提出一種新型的節(jié)能工藝流程。該流程根據吸收塔中各組分吸收速率的差異，在吸收塔中下部側線采出液相并送入凝縮油罐，吸收塔塔底油直接進入穩(wěn)定塔。避免系統(tǒng)內部組分循環(huán)造成的重復冷卻升溫。并通過能量效益對比分析和評價傳統(tǒng)流程和所提出的新流程，為新流程的整體優(yōu)化提供指導。

1 節(jié)能型工藝流程及模擬模型

1.1 節(jié)能型工藝流程的提出

工業(yè)應用最為廣泛的吸收穩(wěn)定流程由吸收塔、再吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔等四塔構成(簡稱“四塔流程”)，簡稱基準流程，如圖1所示。

圖1 基準流程T1—吸收塔；T2—再吸收塔；T3—解吸塔；T4—穩(wěn)定塔；D1—凝縮油罐；E1—凝縮油罐前冷卻器；E2、E3—吸收塔中間冷卻器；E4—解吸塔進料換熱器；E5—解吸塔再沸器；E6—穩(wěn)定塔進料換熱器；E7—穩(wěn)定塔塔頂冷卻器；E8—穩(wěn)定塔再沸器；E9—穩(wěn)定汽油冷卻器。 ◇物流編號。 圖2同

通過對解吸氣的組成分析發(fā)現(xiàn)其中含有一定量的C3～C5組分，造成了部分C3～C5組分在吸收塔和解吸塔之間的循環(huán)，在能量上表現(xiàn)為重復冷卻升溫(帶有相變過程)，造成了能源的浪費。對吸收塔的吸收過程進行機理分析發(fā)現(xiàn)，由于各組分在吸收劑中溶解度的差異，吸收塔內組分的分布是C1和C2組分集中在塔頂上部快速吸收，C4和C5組分集中在塔底下部快速吸收，C3組分則在全塔范圍內被吸收?；诖?，提出一種節(jié)能型吸收塔側線液相抽出流程，簡稱節(jié)能流程，如圖2所示。在塔下段增設側線液相抽出，抽出液相、壓縮富氣和解吸氣混合后進入凝縮油罐前冷卻器，減少了進入解吸塔的凝縮油量與解吸氣中的C4和C5組分含量，從而有效降低了解吸塔的解吸熱負荷[7]。

圖2 節(jié)能流程

圖2與圖1流程相比，新增吸收塔塔底油/穩(wěn)定汽油換熱器(E10)。吸收塔T1側線液相抽出(物流7)與富氣(物流1)及解吸塔T3塔頂解吸氣(物流10)混合進入凝縮油罐前冷卻器(E1)。吸收塔塔底油(物流14)經與穩(wěn)定汽油換熱(E10)后，直接進入穩(wěn)定塔上部。與基準流程相比，節(jié)能新流程待優(yōu)化的參數增加，如吸收塔側線抽出流量及位置、吸收塔塔底油進料溫度及位置等。本課題在原有換熱網絡基本保持不變的前提下，僅從流程上對比分析基準流程與節(jié)能流程的差異，不涉及操作參數等優(yōu)化。

通過建立基準流程和節(jié)能流程的模擬模型，對模擬結果進行分析對比。

1.2 工藝流程及基礎數據

以國內某煉油企業(yè)180 t/h催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)為例，建立如圖1所示的模擬模型。從平衡罐出來的液相按3∶7的比例分兩股進入解吸塔脫除C2以下組分，基準流程的進料組成見表1。

表1 進料基礎數據

注： NBP—恩氏蒸餾溫度，℃。

1.3 參數規(guī)定及熱力學方法

模擬建模中，各塔的塔板效率折算[8]、模擬規(guī)定及變量選擇見表2。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)屬于在低壓條件下涉及烴類、石油餾分和某些非烴類氣體形成的非極性體系，基準及節(jié)能流程建模均選擇采用SRK熱力學模型[9]。

表2 各塔的塔板效率及參數規(guī)定

1.4 模擬結果

在PRO/II8.2下建立基準和節(jié)能流程的模擬模型。將兩種流程中物料流量和操作參數的模擬計算結果進行比較，分別見表3和表4。兩種流程的模擬結果顯示指標滿足要求，表明所采用的模擬方法能較準確地反映分離過程。模擬結果中干氣的質量相對誤差較大，一方面是由于干氣占產品的比例較小，另一方面是由于實際工況中，液化氣直接送入氣體分離裝置的脫乙烷塔，液化氣中含有較多C2組分。

表3 物料流量模擬結果對比

表4 操作參數模擬結果對比

吸收塔下段側線抽出液相和解吸氣組成見表5。由表5可知：節(jié)能流程中，解吸氣流量減小，可有效降低解吸塔再沸器負荷；解吸氣中攜帶的C4和C5組分減少，大部分的C4和C5組分需通過凝縮油罐前冷卻器冷凝，因此可有效降低該冷卻器的負荷。

圖3為解吸塔氣液相負荷對比。由圖3可知，隨著塔板數增加，節(jié)能流程的解吸塔內氣相和液相負荷均小于基準流程的氣相和液相負荷。由于解吸塔的目的是將C2以下組分解吸，而該部分在凝縮油中的含量很少，所以在圖3中表現(xiàn)為液相負荷遠大于氣相負荷。此外，由于解吸塔采用冷熱雙股進料，第2塊理論板進料有液相的熱進料，所以第2塊理論塔板存在液相負荷的突變。

2 流程評價

模擬結果表明，基準流程和節(jié)能流程均可實現(xiàn)特定的分離任務。事實上物料及能量效益滿足Pareto曲線[10]，通過經濟性評價可實現(xiàn)物料和能量的同時優(yōu)化。

表5 吸收塔下段側線抽出液相和解吸氣組成 kg/h

圖3 解吸塔氣液相負荷對比

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的熱負荷包括解吸塔塔底再沸器負荷、穩(wěn)定塔塔底再沸器負荷。冷卻負荷包括凝縮油罐前冷卻器冷卻負荷、吸收塔中段取熱量、穩(wěn)定塔冷凝器冷卻負荷以及穩(wěn)定汽油冷卻器冷卻負荷(即換熱器E9，出口溫度為40 ℃)。而解吸塔進料加熱負荷、吸收塔塔底富吸收油進料加熱器負荷和脫乙烷汽油進料加熱器負荷屬于系統(tǒng)內部余熱回收，不予考慮。為了基準流程和節(jié)能流程的對比更為合理，吸收塔的冷卻負荷保持不變(換熱器E2和E3)，穩(wěn)定汽油(含補充吸收劑)總的冷卻負荷保持不變，即換熱器E4和E9的負荷保持不變，基準流程中換熱器E6的熱負荷等于節(jié)能流程中換熱器E6及E10的熱負荷之和。在同樣的進料和產品質量下，節(jié)能流程與基準流程主要能耗點冷熱負荷的比較如圖4所示。

圖4 主要耗能點對比

節(jié)能流程中充分利用了穩(wěn)定汽油余熱，有效降低了凝縮油罐前冷卻器、解吸塔再沸器和穩(wěn)定塔冷凝器的負荷。與基準流程相比，節(jié)能流程中解吸塔再沸器負荷降低12.2%，凝縮油罐前冷卻器負荷降低10.4%，穩(wěn)定塔再沸器負荷增加1.5%，穩(wěn)定塔冷凝器負荷減小10.4%。根據能耗折算標準計算得到的基準流程和節(jié)能流程的能耗分別為480.88 MJ/t和455.79 MJ/t。與基準流程相比，吸收塔帶有側線抽出的節(jié)能工藝能耗降低5.2%。

3 結 論

(1) 在一定的分離精度要求下，通過流程改進或操作參數優(yōu)化，減少或消除不必要的內部循環(huán)，能有效降低系統(tǒng)能源消耗，實現(xiàn)系統(tǒng)分離精度與能耗的權衡。

(2) 基于吸收過程機理，在吸收塔的側線設置液相采出進入平衡罐前冷卻器，塔底物流直接進入穩(wěn)定塔，能有效減少傳統(tǒng)流程中C4～C5在塔內的重復冷卻升溫。所提出的節(jié)能新流程具有解吸塔再沸器負荷低、平衡罐前冷卻負荷低、系統(tǒng)能耗低等優(yōu)點。

(3) 案例研究表明，新流程的解吸塔再沸器負荷、平衡罐前冷卻器負荷及系統(tǒng)能耗分別降低12.2%，10.4%，5.2%，節(jié)能效果明顯。

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SIMULATION ANALYSIS FOR ENERGY SAVING PROCESS OF ABSORPTION AND STABILIZATION SYSTEM OF INTENSIFIED ABSORPTION PROCESS

Lei Yang1， Zeng Danlin1， Wang Guanghui1， Chen Qinglin2

(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081； 2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SunYat-SenUniversityKeyLabofLow-carbonChemistry&EnergyConservation)

A novel and energy saving flowsheet is proposed in which a side draw line was added in the absorber. The bottom stream of the absorber flows into the stabilization column， and the liquid stream from the side line at the lower part of the tower enters the flash tank through cooling. The comparison of new flowsheet and conventional “four tower process” are made in view of energy efficiency. The study shows that the reboiling duty， cooling duty in front of the flash tank and energy consumption are reduced by 12.2%， 10.4% and 5.2%， respectively， compared with the conventional flowsheet.

absorption and stabilization system； absorption； energy saving； computer simulation； process systems

2015-04-28； 修改稿收到日期： 2015-07-05。

雷楊，博士，講師，研究方向為過程系統(tǒng)工程。

王光輝，E-mail：wghwang@263.net。

國家自然科學基金項目(21473126)，高等學校博士學科點專項科研基金項目(20124219110002)。