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        煉油廠燃料氣回收液化氣過程的設(shè)計(jì)與控制研究

        2019-01-30 09:15:40商先永薛長勇楊義磊朱敏燕孫蘭義
        石油煉制與化工 2019年2期
        關(guān)鍵詞:煉油廠節(jié)省塔頂

        商先永,薛長勇,楊義磊,鐘 旺,朱敏燕,孫蘭義

        (1.中國石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266580;2.萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司)

        液化氣(LPG)是烴類氣體,主要為C3和C4的混合物,具有比天然氣(熱值38 MJm3)更高的熱值(94 MJm3)。LPG的確切組成根據(jù)其來源、加工原理、季節(jié)而有所變化,例如,在冬季含有更多的C3,在夏季含有更多的C4[1]。LPG主要包括煉油廠液化氣、裂解液化氣、油田氣回收液化氣等,其中90%的LPG由煉油廠產(chǎn)生[2]。由于輕烴組分較難分離,很多有價值的產(chǎn)品作為燃料或進(jìn)入火炬燃燒[3],造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和環(huán)境污染,且近年來煉油廠經(jīng)濟(jì)效益逐步下滑,如何最大限度地從燃料氣或工藝廢氣中回收高價值的產(chǎn)品,受到了越來越多的重視。

        在煉油廠中,燃料氣由各種類型的單元產(chǎn)生,包括催化裂化單元、催化重整單元、加氫單元、延遲焦化單元和原油蒸餾單元。目前,已有許多LPG回收方法(如深冷或吸收工藝),但普遍存在能耗高的缺點(diǎn)[4-5]。對精餾節(jié)能工藝的研究具有重要意義[6],隔壁塔作為一種完全熱耦合結(jié)構(gòu),在降低過程能耗和設(shè)備投資中具有優(yōu)越性[7-8]。本研究針對現(xiàn)有流程冷凍法冷凝脫輕塔塔頂氣體操作費(fèi)用高的缺點(diǎn),首先增大脫輕塔操作壓力,提出了一種改進(jìn)流程;在改進(jìn)流程的基礎(chǔ)上回流脫重塔塔釜產(chǎn)品,提出了一種更為節(jié)能的流程;最后通過隔壁塔等效模型的建立,驗(yàn)證GTC公司提出的隔壁塔技術(shù)用于LPG回收工藝的可行性[9-10],并且采用Aspen Dynamics軟件對隔壁塔流程的動態(tài)性能與控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)過程中,通過在Aspen Plus軟件中編寫相應(yīng)的年總費(fèi)用(TAC)計(jì)算式并配合靈敏度分析功能,實(shí)現(xiàn)3種LPG回收方案節(jié)能效果的對比。

        1 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

        1.1 常規(guī)流程

        在煉油廠的原始工藝中,利用昂貴的冷凍劑對脫輕塔塔頂物流進(jìn)行冷凝,大幅增加了操作費(fèi)用。為解決這一弊端,通過增大脫輕塔操作壓力,以提升塔頂餾出物流的冷凝溫度,流程如圖1所示。本流程包含兩個精餾塔,依次對燃料氣中的輕、重組分進(jìn)行脫除,得到中間沸點(diǎn)的LPG產(chǎn)品。燃料氣首先進(jìn)入脫輕塔(T101),對C2及以下的輕組分進(jìn)行脫除,接著塔釜液相進(jìn)入脫重塔(T102),對C5及以上的重組分進(jìn)行脫除,最終在T102塔頂?shù)玫絃PG產(chǎn)品。為利用價格低廉的冷卻水對塔頂物流進(jìn)行冷凝,需保證T101壓力不低于3.5 MPa。

        圖1 LPG回收常規(guī)流程(方案一)

        T101操作壓力的增大必然會引起塔釜溫度的升高,高壓蒸汽的使用同樣會增加過程能耗,基于此提出了圖2所示的另一種LPG回收方案。本流程中,T102塔釜產(chǎn)品冷卻后作為T101塔頂回流液,取消原T101塔頂冷凝器,其操作壓力降為1.0 MPa。

        圖2 LPG回收常規(guī)流程(方案二)

        1.2 隔壁塔流程

        通過對LPG常規(guī)流程進(jìn)行分析,在方案二的基礎(chǔ)上,用單個隔壁塔替換T101和T102,提出了用于從煉油廠燃料氣中回收LPG的隔壁塔流程,如圖3所示,其中αv為氣相分配比。與流程二相比,該流程減少了一個塔殼和一個再沸器。為了在Aspen Plus中實(shí)現(xiàn)對隔壁塔的模擬,將其等效為圖4所示的“預(yù)分餾塔(T1)+主塔(T2)”兩塔模型。

        圖3 LPG回收隔壁塔流程(方案三)

        圖4 隔壁塔兩塔等價模型

        2 過程優(yōu)化與結(jié)果討論

        為了對過程工藝的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估,本研究采用TAC作為衡量指標(biāo)。根據(jù)Douglas[12]對TAC的定義,TAC主要包括操作費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用。計(jì)算公式和公用工程單價與文獻(xiàn)[13]相同,設(shè)備回收期為3年。以TAC為目標(biāo)函數(shù),采用序貫迭代法對各流程作經(jīng)濟(jì)優(yōu)化,相關(guān)變量包括T101T1的理論板數(shù)N1及進(jìn)料位置NF1,T102T2的理論板數(shù)N2,T102的進(jìn)料位置NF2,T2的側(cè)線抽出位置NV,優(yōu)化流程如圖5所示,各流程的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)定見流程優(yōu)化部分。

        圖5 LPG回收優(yōu)化流程

        2.1 流程優(yōu)化

        2.1.1方案一流程優(yōu)化圖6為方案一優(yōu)化后的流程示意,其中Q為流程中換熱設(shè)備的負(fù)荷。在對流程進(jìn)行優(yōu)化時,需在塔模塊的DesignSpecs中添加設(shè)計(jì)規(guī)定,通過調(diào)節(jié)回流比和塔頂采出量,嚴(yán)格限制LPG產(chǎn)品的純度(≥96%)和回收率(≥90%)。表1為方案一的流程優(yōu)化結(jié)果。

        圖6 方案一優(yōu)化后的流程示意

        表1 方案一的流程優(yōu)化結(jié)果

        2.1.2方案二流程優(yōu)化T102塔釜產(chǎn)品的回流量對T101塔釜輕組分含量有重要影響,進(jìn)而會影響LPG產(chǎn)品的純度和回收率。因而,在對T101進(jìn)行優(yōu)化時,為保證LPG產(chǎn)品的純度和回收率,選擇塔頂采出量和重組分產(chǎn)品循環(huán)量作為調(diào)節(jié)變量。方案二優(yōu)化后的流程信息和結(jié)果如圖7和表2所示。

        圖7 方案二優(yōu)化后的流程示意

        表2 方案二的流程優(yōu)化結(jié)果

        2.1.3方案三流程優(yōu)化隔壁塔的變量間存在著嚴(yán)重的耦合作用,在單塔中添加設(shè)計(jì)規(guī)定保證產(chǎn)品純度和回收率的方法不再適用。αv作為隔壁塔的關(guān)鍵參數(shù)之一,對于產(chǎn)品的回收率起著至關(guān)重要的作用,因此在對本流程優(yōu)化時,將其設(shè)置為全局設(shè)計(jì)規(guī)定的調(diào)節(jié)變量。具體如下:添加全局設(shè)計(jì)規(guī)定,調(diào)節(jié)重組分產(chǎn)品循環(huán)量和氣相分配比,限制預(yù)分餾塔塔底液相輕組分含量和LPG產(chǎn)品的回收率;添加塔內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)定,調(diào)節(jié)主塔的回流比和采出量,共同保證LPG產(chǎn)品的純度。此外,在模擬中發(fā)現(xiàn),隔壁塔的隔板段與公共提餾段塔徑相差17.3%,需對隔壁塔進(jìn)行變徑處理。方案三優(yōu)化后的流程信息和結(jié)果如圖8和表3所示。

        圖8 方案三優(yōu)化后的流程示意

        表3 方案三的流程優(yōu)化結(jié)果

        2.2 結(jié)果分析與討論

        通過對比表1~表3可以發(fā)現(xiàn):①方案二中T101的塔徑相對于方案一中T101的塔徑明顯減小,這與其塔內(nèi)較低的氣液相負(fù)荷分布相一致。②相對于常規(guī)流程的方案一和方案二,隔壁塔流程分別節(jié)能15.72%和11.56%。③比較方案一與方案二,方案二的操作費(fèi)用節(jié)省34.11%,一方面是因?yàn)榱鞒淘诟倪M(jìn)后能耗有所降低,另一方面是因?yàn)殡ST101操作壓力的降低,塔釜溫度由159 ℃降為84 ℃,可以采用較低等級的熱源進(jìn)行加熱;設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省23.96%,這主要得益于方案二中T101塔徑的顯著減?。痪C合來看,改進(jìn)流程總TAC節(jié)省29.68%。④比較方案一與方案三,方案三的操作費(fèi)用節(jié)省42.07%,除上述原因外,還與隔壁塔塔內(nèi)物流返混程度的減少密切相關(guān);設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省31.97%,主要是由塔板數(shù)減少、塔徑減小和再沸器費(fèi)用降低造成的;綜合來看,流程三的總TAC節(jié)省37.66%。⑤比較方案二與方案三,方案三的操作費(fèi)用節(jié)省12.07%,主要原因在于隔壁塔可以在一定程度上減小返混,從而使得能耗得以降低;設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省10.53%,主要原因在于隔壁塔減少了一個塔殼與一個再沸器;綜合來看,隔壁塔流程的總TAC節(jié)省11.35%。由此可見,隔壁塔在煉油廠燃料氣回收LPG工藝中表現(xiàn)出較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。

        3 隔壁塔流程控制研究

        由于煉油廠燃料氣回收LPG過程中組分?jǐn)?shù)較多,且隔壁塔流程的變量間具有高度耦合性,因此有必要對隔壁塔流程的動態(tài)特性進(jìn)行研究,提出一種有效的控制方案,以保證系統(tǒng)引入進(jìn)料擾動后,仍能維持較高的LPG產(chǎn)品純度。根據(jù)靈敏度判據(jù),提出四點(diǎn)溫度控制方案,即選擇T1的第7塊和第18塊塔板作為溫度控制板,選擇T2的第6塊和第31塊作為溫度控制板。將穩(wěn)態(tài)模擬導(dǎo)入到Aspen Dynamics之前,添加必要的泵、壓縮機(jī)和閥門,在確定設(shè)備尺寸時規(guī)定當(dāng)停留時間為5 min時,流體的總體積占設(shè)備體積的一半。

        導(dǎo)入Aspen Dynamics軟件后,初始化運(yùn)行,建立控制結(jié)構(gòu)。控制結(jié)構(gòu)描述如下:T1塔壓由塔頂氣體流量控制,T2塔壓由塔頂冷凝器負(fù)荷控制;T1回流罐液位由塔頂產(chǎn)品流量控制,T1和T2塔底液位分別由塔底液相流量控制;換熱器E101出口工藝物流溫度由公用工程流量控制;T1的第7塊塔板溫度由塔頂重組分的回流量控制,減少塔頂LPG的損失;T1的第18塊塔板溫度由進(jìn)入塔底的蒸汽流量控制,防止輕組分進(jìn)入T2造成LPG產(chǎn)品純度不達(dá)標(biāo);T2的第6塊塔板溫度由塔頂回流量控制,保證塔頂LPG產(chǎn)品純度;T2的第31塊塔板溫度由塔底再沸器負(fù)荷控制,防止LPG進(jìn)入塔底造成產(chǎn)品損失??刂平Y(jié)構(gòu)中,液位控制器為比例控制器,其他控制器均為比例積分控制器。通過繼電-反饋測試確定溫度控制器的參數(shù),并加入1 min死區(qū)時間,模擬溫度測量的時間延遲。

        為測試上述控制結(jié)構(gòu)性能,在動態(tài)模擬穩(wěn)定運(yùn)行2 h后,系統(tǒng)引入進(jìn)料擾動并對控制結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控[14]。圖9為進(jìn)料流量(F)變化±20%時關(guān)鍵過程變量的動態(tài)響應(yīng)圖。圖10為進(jìn)料中C3含量(Z)變化±20%時關(guān)鍵過程變量的動態(tài)響應(yīng)圖。從圖9可以看出,當(dāng)進(jìn)料流量變化±20%時,T2回流量比例發(fā)生變化,使得靠近塔頂?shù)撵`敏板溫度在經(jīng)歷微小波動后快速恢復(fù)到初始值,從而保證了LPG產(chǎn)品能夠維持在較高的純度。從圖10可以看出,當(dāng)進(jìn)料中C3含量變化±20%時,在操縱變量的迅速響應(yīng)下,溫度控制點(diǎn)很快回到設(shè)定值,LPG產(chǎn)品能夠維持在較高純度。因此,提出的四點(diǎn)溫度控制方案能夠很好地抵抗進(jìn)料流量和進(jìn)料組成擾動。

        圖9 進(jìn)料流量變化±20%時關(guān)鍵過程變量動態(tài)響應(yīng)圖 —F+20%; —F-20%

        圖10 進(jìn)料C3含量變化±20%時關(guān)鍵過程變量動態(tài)響應(yīng)圖 —Z+20%; —Z-20%

        4 結(jié) 論

        在現(xiàn)有煉油廠燃料氣回收LPG流程的基礎(chǔ)上,分別研究了3種回收LPG的流程方案,對3種流程方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化。結(jié)果表明:隔壁塔流程較常規(guī)流程方案一節(jié)能效果顯著,操作費(fèi)用節(jié)省42.07%,設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省31.97%,TAC節(jié)省37.66%;隔壁塔流程與常規(guī)流程方案二相比,操作費(fèi)用節(jié)省12.07%,設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省10.53%,TAC節(jié)省11.35%,具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性,對于以后類似裝置的改造和新建有很好的借鑒意義。此外,對煉油廠燃料氣回收LPG隔壁塔流程的動態(tài)特性進(jìn)行了研究,提出了四點(diǎn)溫度控制方案,在系統(tǒng)引入進(jìn)料流量和進(jìn)料組成擾動后,能夠?qū)PG產(chǎn)品純度維持在設(shè)定值附近,表現(xiàn)出良好的可控性。由此可見,隔壁塔在煉油廠燃料氣回收LPG工藝中具有非常高的應(yīng)用潛力。值得注意的是,隔壁塔將兩塔集于一塔,隔板兩側(cè)由于溫差的不同會對塔內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過程造成一定的影響,使得裝置對波動的適應(yīng)性大大降低,在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中需進(jìn)行更為全面的考慮和必要的風(fēng)險(xiǎn)分析。

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