劉建山 李 榮 李正強(qiáng)

中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司

常壓分餾過(guò)程模擬及優(yōu)化提高輕重餾分分割精度

劉建山 李 榮 李正強(qiáng)

中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司

以輕質(zhì)原油為原料，采用PRO/II工藝流程模擬軟件，分別考察常壓分餾塔清洗段理論級(jí)數(shù)、汽提段理論級(jí)數(shù)及過(guò)汽化率對(duì)常壓輕重餾分分割的影響，確定合適的常壓塔設(shè)計(jì)條件。結(jié)果表明，中石油克拉瑪依石化公司Ⅱ套常減壓蒸餾裝置常壓分餾塔設(shè)計(jì)的適宜條件為：清洗段3個(gè)理論級(jí)數(shù)、汽提段3個(gè)理論級(jí)數(shù)、常壓塔進(jìn)料溫度360 ℃。經(jīng)技術(shù)改造后，360 ℃前餾分油收率由40%(w)提高至44.81%(w)，改造效果較為理想。

分餾 流程模擬 優(yōu)化 改造 規(guī)整填料 常壓蒸餾裝置

常壓分餾是煉油加工過(guò)程的第1道分離工序，其過(guò)程和設(shè)備的設(shè)計(jì)是否合理，操作條件是否良好，對(duì)煉油廠生產(chǎn)的影響甚為重大。目前，國(guó)內(nèi)常減壓裝置常壓拔出收率偏低，常壓重油中含大量柴油組分，體現(xiàn)在減一線餾分中仍含有大量350 ℃以前的餾分，甚至占60%(w)以上[1-3]。為此，有些煉廠采用減一線返回常壓分餾塔以回收減一線中的柴油組分[4]。有些煉廠在減壓塔上部設(shè)置柴油分餾段以回收常壓重油中的柴油組分[5]。實(shí)際上均是將原本應(yīng)該在常壓塔進(jìn)行的分餾作用轉(zhuǎn)移到減壓塔，這樣會(huì)增加減壓塔負(fù)荷及全塔壓降，不利于提高減壓拔出率。因此，優(yōu)化常壓分餾塔的設(shè)計(jì)與操作具有重要的意義。

本研究通過(guò)PRO/II工藝流程模擬軟件，分別考察常壓分餾塔清洗段理論級(jí)數(shù)、汽提段理論級(jí)數(shù)及過(guò)汽化率對(duì)常壓輕重餾分分割的影響，為常壓分餾塔的技術(shù)改造提供了依據(jù)。

1 裝置現(xiàn)狀

克拉瑪依石化公司(以下簡(jiǎn)稱克石化)Ⅱ套常減壓蒸餾裝置建于1990年7月，經(jīng)1997年、2006年兩次技術(shù)改造后，加工輕質(zhì)原油能力由1.0×106t/a擴(kuò)至2.0×106t/a。采用閃蒸-常壓-減壓三塔流程。常壓塔共48層塔盤(pán)，其中汽提段4層塔盤(pán)，設(shè)置4條側(cè)線，常壓塔塔頂為重整原料，常一線為煤油、常二、三線為輕柴油，常四線為重柴油。裝置加工的原油性質(zhì)及加工方案相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，但存在常四線餾分偏重、360 ℃前餾分油收率偏低的問(wèn)題。各側(cè)線餾程切割及收率情況見(jiàn)表1。由表1可知，常四線重柴油95%餾出溫度為413 ℃，無(wú)法達(dá)到柴油質(zhì)量要求；360 ℃前餾分油收率(w)僅為40%，低于設(shè)計(jì)值近5個(gè)百分點(diǎn)。即使通過(guò)調(diào)整常壓爐出口溫度、塔底汽提蒸汽量、常四線側(cè)線汽提蒸汽量及側(cè)線抽出溫度等措施，常四線也不能達(dá)到柴油質(zhì)量要求。為此，常四線只能作為催化料，所帶來(lái)的后果是常四線中70%(w)的柴油組分進(jìn)入催化料中。

表1 各側(cè)線餾程切割及收率情況Table1 Distillationrangeandyieldofdifferentsidestreams物流常頂常一線常二線常三線常四線收率,w/%8.511.56148餾程(ASTMD86)/℃初餾點(diǎn)52.7107.8147.7165.5176.95%67.4147.7208.2247.9276.710%72.8157.6222.8265.2302.130%85.5169.9238.5286.8336.150%101.5181.4248.5298.2358.370%119.7198.5259.5308.4371.690%141.2220.0278.4327.4399.595%154.2231.3288.8338.0413.0終餾點(diǎn)176.0252.3305.7358.0430.6

2 建立優(yōu)化模型

模擬過(guò)程中將常壓塔從上到下需要的理論塔板依次定義為第1、2、3塊……，設(shè)置兩個(gè)中段循環(huán)取熱和3條側(cè)線，常頂產(chǎn)品為重整原料，常一線為煤油，常二線為輕柴油，常三線為重柴油[6-8]。各段理論精餾板分布如圖1所示。

采用BK10熱力學(xué)方法計(jì)算K值、焓值和密度，選擇PETRO選項(xiàng)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和液體黏度。在模擬過(guò)程中，常三線以上部分保持不變，常三線設(shè)置為95%點(diǎn)餾出溫度為365 ℃，采出量可調(diào)。通過(guò)調(diào)節(jié)清洗段理論級(jí)數(shù)、汽提段理論級(jí)數(shù)及進(jìn)料溫度，考察常三線的采出率及常壓渣油的餾程。原油性質(zhì)見(jiàn)表2和表3。

表2 原油性質(zhì)Table2 Crudeoilproperties項(xiàng)目輕質(zhì)原油密度(20℃)/(kg·m-3)851.6酸值/(mgKOH·g-1)0.44運(yùn)動(dòng)黏度(50℃)/(mm2·s-1)11.36凝點(diǎn)/℃8.0w(殘?zhí)?/%1.77w(蠟)/%6.76金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(μg·g-1)Fe2.22Ni3.28Cu0.043Ca8.72V0.279Pb<0.2Na<5

表3 原油的實(shí)沸點(diǎn)收率Table3 TBPdistillationyieldofcrudeoil餾程/℃單收率,w/%總收率,w/%HK-1003.003.00100～1808.5211.52180～2002.4814.00200～2203.1217.12220～2403.8420.96240～2604.0925.05260～2804.1429.19280～3004.6733.86300～3204.3838.24320～3404.4542.69340～3603.2145.90360～3804.4550.35380～4004.2854.63400～45010.5265.15450～5008.7073.85500～5202.7076.55520～5604.1180.66>52022.3898.93>56018.2798.93

3 結(jié)果與討論

3.1 清洗段理論級(jí)數(shù)對(duì)改善輕重餾分分割的影響

原油進(jìn)塔溫度350 ℃，汽提蒸汽量4 500 kg/h，汽提段理論級(jí)數(shù)為3，調(diào)節(jié)清洗段理論級(jí)數(shù)，調(diào)節(jié)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，當(dāng)清洗段理論級(jí)數(shù)較小時(shí)，理論級(jí)數(shù)對(duì)常三線拔出率的影響較為明顯。當(dāng)清洗段達(dá)到3個(gè)理論級(jí)數(shù)后，隨著理論級(jí)數(shù)數(shù)量的增加，常三線拔出率的增加較為緩慢。因此，對(duì)克石化常減壓蒸餾II套裝置而言，清洗段理論級(jí)數(shù)3較為合適，但原設(shè)計(jì)常壓塔清洗段僅2層塔盤(pán)，相當(dāng)于1個(gè)理論級(jí)數(shù)，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到3個(gè)理論級(jí)數(shù)。優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表4，常三線拔出率20.3%(w)，常壓渣油中小于365 ℃餾分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%以下。

表4 清洗段理論級(jí)數(shù)3的調(diào)節(jié)結(jié)果Table4 Adjustmentresultsofcleaningzonetheoreticalstages3項(xiàng)目進(jìn)料常頂常一線常二線常三線常底重油溫度/℃35050137209289335壓力/kPa200110112169175180拔出率,w/%1006.15.611.120.357餾程(ASTMD86)/℃初餾點(diǎn)77.355.3110.6152.8214.7350.55%147.169.2149.0197.2265376.910%184.976159.7211.9276.6385.230%265.294168.5225.4293.7433.650%372.4112.5174.8234308488.070%459.2130.8184.3242.9322.4568.190%652.2148.9198.3258.1354.3795.895%790.9160.3208.6266.5365869.6終餾點(diǎn)888.7174.5221.32777.7383.0916.0

3.2 汽提段設(shè)計(jì)對(duì)改善輕重餾分分割的影響

從流體力學(xué)條件來(lái)看，常壓塔汽提段和精餾段有較大差別，汽提段的液相負(fù)荷大而氣相負(fù)荷很小，尤其是常壓拔出率低的重質(zhì)原油，氣、液相負(fù)荷的差別更為懸殊，需要針對(duì)不同的原油進(jìn)行設(shè)計(jì)。

原油進(jìn)塔溫度為350 ℃，塔底汽提蒸汽量為4 500 kg/h，清洗段理論級(jí)數(shù)為3，調(diào)節(jié)汽提段理論級(jí)數(shù)，考察汽提段理論級(jí)數(shù)對(duì)常三線拔出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著汽提段理論級(jí)數(shù)的增加，常三線拔出率逐漸提高，當(dāng)汽提段理論級(jí)數(shù)到3個(gè)理論級(jí)數(shù)后，常三線拔出率增加較為緩慢，增加汽提段的理論板數(shù)，可使常壓拔出率的收率(w)提高1%～3%?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，3個(gè)理論級(jí)數(shù)較為理想。但原設(shè)計(jì)常壓塔汽提段只有4層塔板，相當(dāng)于1～2個(gè)理論級(jí)數(shù)，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到3個(gè)理論級(jí)數(shù)。

3.3 過(guò)汽化率對(duì)改善輕重餾分分割的影響

設(shè)定汽提蒸汽量為4 500 kg/h，汽提段理論級(jí)數(shù)為3，清洗段理論級(jí)數(shù)為3。調(diào)整常壓爐出口溫度，也就是調(diào)節(jié)常壓塔的過(guò)汽化率，結(jié)果見(jiàn)圖4。當(dāng)過(guò)汽化率較小時(shí)，過(guò)汽化率對(duì)常三線拔出率的影響非常明顯，當(dāng)過(guò)汽化率大于10%(w)時(shí)，隨著過(guò)汽化率的增加，常三線拔出率變化較小。因此，對(duì)克石化II套常減壓蒸餾裝置而言，常壓進(jìn)料溫度為360 ℃較為合適，與設(shè)計(jì)時(shí)常壓爐出口溫度350 ℃相比高出10 ℃。優(yōu)化結(jié)果如表5，常三線拔出率達(dá)21.2%(w)，常壓渣油中小于365 ℃餾分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%以下。

表5 過(guò)汽化率優(yōu)化后常三線與常壓重油調(diào)節(jié)結(jié)果Table5 AdjustmentresultsofheavygasoilofCHANG3andatmosphericresidualoilafteroptimizingtheover-flashrate物流進(jìn)料常頂常一線常二線常三線常底重油過(guò)汽化油溫度/℃36050135.7208291.7341.4340.1壓力/kPa200110112169175180177拔出率(w)/%1006.15.611.121.25613餾程(ASTMD86)/℃初餾點(diǎn)77.355.3109.8152.1218.9362.8197.95%147.169.2148.9197.0267.5383.4296.410%184.976159.7211.8277.8390.0324.530%265.294.0168.5225.2294.9436.8367.250%372.4112.6174.8233.5309.5491.4384.270%459.2130.8184.2242.5323.9570.8399.690%652.2148.9196.5257.4354.9797.4437.695%790.9160.3208.5266.1365870.9453.5終餾點(diǎn)888.7174.5221.1277.1382.1916.4490.2

4 工業(yè)化應(yīng)用

4.1 技術(shù)改造

綜合前文優(yōu)化結(jié)果，克石化Ⅱ套常減壓蒸餾裝置常壓塔適宜的設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表6。

表6 克石化Ⅱ套常減壓蒸餾裝置常壓塔適宜的設(shè)計(jì)條件Table6 Optimumdesignconditionsofthe2ndatmosphericdistillationtowerinKaramayPetrochemicalPlant進(jìn)料溫度/℃清洗段理論級(jí)數(shù)/級(jí)汽提段理論級(jí)數(shù)/級(jí)改造前35011改造后36033

經(jīng)過(guò)充分論證后，于2012年、2015年前后兩次對(duì)Ⅱ套常減壓蒸餾裝置常壓塔進(jìn)行技術(shù)改造。改造前后常壓塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

(1) 常壓塔利舊，常二線及以上塔盤(pán)、抽出返回口位置不動(dòng)，由于過(guò)氣化率增加，常三線12#～16#塔盤(pán)不能滿足處理量的要求，更換為高1 600 mm的大通量規(guī)整填料。廢除常四線抽出，將原常四線塔盤(pán)保留作為清洗段塔盤(pán)使用。所有塔盤(pán)更換為高效條形導(dǎo)向浮閥塔盤(pán)。改造后，清洗段塔盤(pán)數(shù)增加至8層。

(2) 將原常壓塔汽提段4層塔盤(pán)更換為高1 800 mm的規(guī)整填料，下部配合以蒸汽分布管。在正常操作條件下，每1米規(guī)整填料可以達(dá)到1.7～1.8個(gè)理論級(jí)，高度為1 800 mm的填料至少可以達(dá)到3個(gè)理論級(jí)，比4層塔盤(pán)高2個(gè)理論級(jí)。

4.2 改造效果

裝置改造后運(yùn)行至今，操作平穩(wěn)，72 h標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表7、表8。由表7、表8可知，技術(shù)改造后，360 ℃前餾分油收率由40%(w)提高至44.81%(w)。經(jīng)測(cè)算，每年至少增產(chǎn)9×104t直餾柴油。

表7 改造后各側(cè)線產(chǎn)品的收率及性質(zhì)Table7 Yieldandpropertiesofsidestreamproductsaftermodification物流常頂常一線常二線常三線收率,w/%10.6112.656.2015.35餾程(ASTMD86)/℃初餾點(diǎn)39.5152.0199.0234.02%56.5161.0214.0253.55%62.5164.0223.0264.010%70.0167.5231.0274.530%89.5179.0246.0293.550%104.0192.0252.0307.070%116.5209.0259.0322.590%129.5229.0271.0346.095%136.5235.0280.0360.598%145.5244.0289.0368.0

表8 改造前后常壓拔出率對(duì)比Table8 Comparisonofmaterialyieldbeforeandaftermodificationw/%改造前改造后差值4044.81+4.81

5 結(jié) 論

克石化Ⅱ套常減壓蒸餾裝置常壓分餾塔通過(guò)采用規(guī)整填料、高效條形導(dǎo)向浮閥塔盤(pán)、調(diào)整側(cè)線抽出口位置等手段增加了常壓塔清洗段理論級(jí)數(shù)和汽提段理論級(jí)數(shù)。經(jīng)技術(shù)改造及優(yōu)化操作條件，提高了常壓塔輕重餾分的分割精度，360 ℃前餾分油收率由40%(w)提高至44.81%(w)，每年至少可增產(chǎn)9×104t直餾柴油。

[1] 蔣仁彬. 增產(chǎn)柴油的有效途徑——閏一線直接出柴油[J]. 廣石化科技, 2002(3): 6-9.

[2] 蔣仁彬. 常減壓蒸餾裝置多產(chǎn)柴油措施探討[J]. 煉油, 2000(2): 37-39.

[3] 陳家和. 常減壓裝置增產(chǎn)的措施[J]. 安徽化工, 2002, 28(6): 9-10.

[4] 張黎鵬, 張忠和. 原油蒸餾裝置增產(chǎn)柴油新途徑[J]. 石油與天然氣化工, 2002, 31(6): 301-309.

[5] 莫正波, 張連生, 王穎, 等. 常減壓裝置提高柴油收率的措施[J]. 遼寧化工, 2004, 33(3): 167-169.

[6] 宋海華. 精餾模擬[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2005: 1-50.

[7] 姚月華, 陳晏杰, 張香平, 等. 原油常減壓蒸餾裝置的流程模擬及參數(shù)優(yōu)化[J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2011, 11(3): 405-413.

[8] 趙晶瑩, 姜進(jìn)憲. 常減壓裝置常壓塔流程模擬計(jì)算[J]. 橡塑技術(shù)與裝備, 2016, 42(22): 87-89.

Process simulation and optimization of atmospheric distillation to improve the separation accuracy of light and heavy fractions

Liu Jianshan, Li Rong, Li Zhengqiang

PetroChina Karamay Petrochemical Co. Ltd.， Karamay， Xinjiang, China

Using the light crude oil as material, the effect of theoretical stages of atmospheric column cleaning and steam stripping sectors and over-flash ratio on the separation of atmospheric light and heavy fractions were discussed respectively with PRO/II process flow simulation software. The suitable design conditions were determined. The results indicated that the optimal design conditions of the 2nd atmospheric and vacuum distillation unit atmospheric column in the PetroChina Karamay Petrochemical Co., Ltd. are the numbers of the cleaning section theoretic stages for 3, the numbers of the steam stripping section for 3 and the atmospheric column feed temperature for 360 ℃. After revamping, the atmospheric pull rate was significantly increased from 40 wt % to 44.81 wt %. The transformation effect was satisfactory.

distillation, process simulation, optimization, revamp, structured packing, atmospheric distillation unit

劉建山(1969-)，男，新疆克拉瑪依人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，主要從事煉油技術(shù)工作。E-mail：liujs2@petrochina.com.cn

TE624

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.004

2016-12-03；編輯：溫冬云