陳建娟 ，楊祖杰 ，李斌 ，叢山 2，

(1.中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101；2.天津大學(xué)化工學(xué)院/精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津300350；3.北洋國家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津300072)

催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)由四個(gè)功能塔器組成，包括吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔和再吸收塔及其它輔助設(shè)備組成，主要任務(wù)為精制來自催化裂化主分餾塔塔頂粗汽油和富氣，將其分離成干氣、液化石油氣和合格的穩(wěn)定汽油[1]。圖1為吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的典型流程，壓縮富氣、富吸收汽油和解吸氣三者混合換熱后進(jìn)行平衡閃蒸，平衡罐氣相產(chǎn)品進(jìn)入吸收塔，使用粗汽油作為吸收劑回收富氣中的C3及C3以上輕烴組分；吸收塔塔頂貧氣進(jìn)入再吸收塔塔釜與來自主分餾塔的輕柴油進(jìn)行逆流吸收分離，進(jìn)而從塔頂產(chǎn)出干氣，而塔釜的富吸收油則送至主分餾塔進(jìn)行循環(huán)分離；來自平衡罐的液相被分成兩股，一股與穩(wěn)定汽油換熱后作進(jìn)入解吸塔中上部，另一股直接由塔頂進(jìn)入解吸塔，解吸塔的塔頂?shù)玫浇馕鼩?，塔釜則得到脫乙烷汽油而被送至穩(wěn)定塔中部進(jìn)行進(jìn)一步分離；穩(wěn)定塔的作用為將脫乙烷汽油分離精制為液化石油氣和穩(wěn)定汽油兩股產(chǎn)品，穩(wěn)定汽油產(chǎn)品中的一部分需要送回至吸收塔作為補(bǔ)充吸收劑循環(huán)使用[2]。

在傳統(tǒng)工藝中，解吸塔的兩股進(jìn)料組成相同但進(jìn)料位置不同，擾亂了塔內(nèi)汽液組成，在冷、熱進(jìn)料位置的解吸塔內(nèi)存在軸向返混，降低氣液相之間傳質(zhì)推動力，使塔內(nèi)分離效率降低。另外，一級平衡罐使冷凝汽油的溫度達(dá)到一個(gè)較低的水平，而冷凝汽油的一部分又需要穩(wěn)定汽油加熱才能夠作為熱進(jìn)料進(jìn)入解吸塔，這種“先冷卻后加熱”的過程是對能量的一種極大浪費(fèi)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的熱力學(xué)效率。因此，秦婭等[3]提出了相應(yīng)策略以改進(jìn)工藝流程。

如圖1所示，與常規(guī)流程相比，新流程具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

圖1 原有與改進(jìn)催化裂化穩(wěn)定吸收系統(tǒng)

1）壓縮富氣、富吸收油和解吸氣混合后，經(jīng)過二級平衡閃蒸過程，凝縮油分兩股進(jìn)入解吸塔。一級平衡罐保持在60℃進(jìn)行平衡閃蒸，液相凝縮油從平衡罐底抽出作為熱進(jìn)料進(jìn)入解吸塔的中上部，而一級閃蒸罐氣相進(jìn)入溫度相對較低的二級平衡罐形成新的氣液平衡，二級凝縮油則作為冷進(jìn)料進(jìn)入了解吸塔項(xiàng)部，二級平衡罐產(chǎn)生的富氣進(jìn)入吸收塔塔釜與粗汽油進(jìn)行逆流接觸。這種逐級冷凝的設(shè)置使工藝流程的熱分配更加合理，大幅度降低了平衡罐的冷量負(fù)荷。同時(shí)，流程的改變提高了壓縮富氣進(jìn)入平衡罐的溫度，進(jìn)一步降低了不必要的冷量能耗。二級冷凝的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)增加了混合物料的平衡次數(shù)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了富氣和凝結(jié)油之間更加清晰的分割，凝縮油中C2含量明顯減少，降低了解吸塔內(nèi)的分離負(fù)荷，解吸效果增加。此外，不同于傳統(tǒng)的工藝，新工藝的冷熱兩股進(jìn)料在組成上亦存在區(qū)別，有效地避免了解吸塔塔內(nèi)的返混問題。

2）解吸塔中部增設(shè)中間再沸器，原有工藝中用于加熱凝結(jié)油的余熱被用于提供解吸塔所需熱量，有效降低解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷。此外，中間再沸器的設(shè)置可以適當(dāng)降低二級冷凝的溫度，從而減少富氣流量，吸收塔的分離負(fù)荷亦隨之降低。

本文在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬流程模型，利用傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)作為初值，通過規(guī)定主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，確立了現(xiàn)有工藝模擬流程的模擬方案，并得到初步操作參數(shù)。使用單因素變量法對現(xiàn)有流程工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，研究流程內(nèi)主要設(shè)備的操作條件，如補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對于工藝流程綜合性能的影響。

1 原料氣與產(chǎn)品指標(biāo)

研究所用原料為某煉廠催化裂化主分餾塔塔頂氣相產(chǎn)品[4]，具體組成如表1所示。在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)操作過程中，應(yīng)當(dāng)調(diào)整操作條件以保證最后產(chǎn)品的質(zhì)量。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的主要產(chǎn)品為穩(wěn)定汽油，同時(shí)副產(chǎn)液化石油氣和干氣。其中，穩(wěn)定汽油和柴油的產(chǎn)品占比約70%～80%，液化石油氣的產(chǎn)品占比約10%～20%，干氣占比約5%～8%。以上數(shù)據(jù)可作為模擬結(jié)果的參考值，以保證流程模擬的準(zhǔn)確性。表2列出了本研究中的所有產(chǎn)品指標(biāo)。

表1 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)料情況

表2 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)品指標(biāo)

2 過程模擬模型及模擬方案

2.1 過程模擬模型與物性方法

圖2為在Aspen Plus中建立的催化裂化穩(wěn)定吸收系統(tǒng)模擬流程，由于涉及到物料流股的循環(huán)過程，流程中亦將催化裂化主分餾塔考慮在內(nèi)。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔、再吸收塔均選用Radfrac模型，油氣分離器采用Flash2模型，換熱器采用Heater模型，分流器采用FSplit模型，此外還用到用于加壓的Compr模型。其中Radfrac模型是Aspen Plus開發(fā)的最成熟的一個(gè)模塊，其在進(jìn)行吸收、萃取和精餾的時(shí)候能夠得到較為精確的結(jié)果。Aspen Plus提供了多種可供選擇的物性方法和模型。對于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)，富氣中存在H2S等極性分子，模擬計(jì)算時(shí)要選用包含這類組分的交互作用的熱力學(xué)模型，RKS方程較適合應(yīng)用于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的模擬。有文獻(xiàn)報(bào)道利用Aspen Plus軟件使用不同熱力學(xué)方法對吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，得出用RKS物性方法得到的模擬結(jié)果與工業(yè)標(biāo)定數(shù)據(jù)能較好的吻合[5]。所以本文吸收穩(wěn)定系統(tǒng)選用RKS物性方法。

圖2 催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程模擬模型

2.2 模擬方案與策略

吸收塔模型設(shè)置有四個(gè)中間冷凝以移出吸收過程中放出的熱量；解吸塔和穩(wěn)定塔內(nèi)的氣相需要塔釜再沸器產(chǎn)生，穩(wěn)定塔頂設(shè)立了冷凝回流；解吸塔塔釜產(chǎn)品純度通過調(diào)節(jié)解吸塔塔釜采出率與進(jìn)料流量之比進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)定；四種塔模型采用塔板Murphree效率以體現(xiàn)理論塔板與真實(shí)塔板數(shù)之間的差異。

模擬策略：催化裂化的整個(gè)分餾系統(tǒng)存在分餾塔中部采出而進(jìn)入再吸收塔的柴油循環(huán)、再吸收塔底采出進(jìn)入主分餾塔的富吸收油循環(huán)、補(bǔ)充吸收劑循環(huán)、解吸塔塔頂解吸氣等多重循環(huán)。因?yàn)槲锪狭鞴啥嘀匮h(huán)的存在，流程模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)難以收斂。以不影響模擬結(jié)果為前提，減小模擬收斂難度，對流程進(jìn)行如下處理：

1）以采出的柴油作為再吸收塔的液相進(jìn)料，使模擬更接近實(shí)際情況。打斷再吸收塔出來的富吸收柴油與主分餾塔之間的循環(huán)，因?yàn)樵谛蜇災(zāi)K的計(jì)算過程中，富吸收柴油的循環(huán)會導(dǎo)致解的不穩(wěn)定，引起產(chǎn)品產(chǎn)率偏離實(shí)際值，因此首先使用純柴油組分代替富吸收柴油作為主分餾塔的進(jìn)料，初步模擬之后將富吸收柴油的組成賦予進(jìn)料初值，而后調(diào)整二者的誤差在合理范圍之內(nèi)。

2）穩(wěn)定塔進(jìn)入再吸收塔的循環(huán)打斷，一方面穩(wěn)定汽油的組成與純汽油組成十分接近，使用純汽油代替穩(wěn)定汽油補(bǔ)充吸收有其合理性，另一方面將穩(wěn)定汽油進(jìn)入吸收塔循環(huán)不僅會徒增計(jì)算量，而且會異常地增加干氣中的汽油組分量，使模擬偏離實(shí)際值。

3）解吸氣和富吸收汽油循環(huán)，其在一定程度上也使收斂的難度增加，但在計(jì)算方法選擇合理的情況下，在模擬中發(fā)生的收斂的問題可得到有效的解決。一般來講，在模擬的過程中，對于一個(gè)較復(fù)雜的流程系統(tǒng)，原則上是應(yīng)該進(jìn)行逐塔模擬，即給每個(gè)塔賦準(zhǔn)確的物料組成性質(zhì)的初值，這樣將加速收斂。也可以建立完整的流程后再進(jìn)行模擬運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)計(jì)算方法和收斂方式也是可以收斂的，或者更改某些設(shè)計(jì)規(guī)定，也可以將其調(diào)至收斂，只是過程較為復(fù)雜。對一般較為復(fù)雜的系統(tǒng)，推薦用逐塔模擬的方法。催化裂化分餾系統(tǒng)存在多個(gè)物流循環(huán)，并非簡單的順序分離流程，要完成如此復(fù)雜流程的模擬計(jì)算，除了上述的必要的流程處理外，還必須找出流程中需要迭代求解的再循環(huán)網(wǎng)，找出各單元群計(jì)算最優(yōu)順序，使計(jì)算過程簡化，模擬得以進(jìn)行。

3 初步操作參數(shù)模擬結(jié)果

在建立吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬時(shí)，是按照如下順序進(jìn)行的：

1）先建立閃蒸、吸收塔和解吸塔模型，因?yàn)閮伤g有解吸氣循環(huán)，所以同時(shí)建立。以標(biāo)定數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，其中補(bǔ)充吸收劑用標(biāo)定的穩(wěn)定汽油代替，輸入好后運(yùn)行。

2）然后建立再吸收塔，將吸收塔底貧氣引入在吸收塔底，吸收劑為裂化柴油，輸入相關(guān)操作參數(shù)，運(yùn)行。

3）再將再吸收塔塔底的富吸收油送回至主分餾塔，取代開始假定的富吸收油，運(yùn)行至收斂。

4）最后以標(biāo)定的液化石油氣和穩(wěn)定汽油為設(shè)定條件建立穩(wěn)定塔。將穩(wěn)定塔底的部分穩(wěn)定汽油經(jīng)換熱后取代開始假定的吸收塔的補(bǔ)充吸收劑。運(yùn)行至整個(gè)流程收斂，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

最終，在借鑒傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)和滿足基本產(chǎn)品要求的前提下，得到了改進(jìn)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)初步工藝參數(shù)見表3。

表3 改進(jìn)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)初步工藝條件

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)操作條件模擬結(jié)果如表4和表5所示。通過模擬結(jié)果可知，產(chǎn)品占比以及產(chǎn)品品質(zhì)基本與工業(yè)條件一致，證明模擬可信。通過干點(diǎn)可知穩(wěn)定汽油滿足要求。通過成分分析，液化石油氣品質(zhì)較高。但是富氣中含有較多的C3及C3以上組分，粗汽油中也含有一些C2和C3等輕組分，且粗汽油和穩(wěn)定汽油量也還有一定的差異。

表4 吸收系統(tǒng)模擬主要流股結(jié)果

另外發(fā)現(xiàn)該流程存在如下問題：

1）吸收劑對于輕組分的吸收效果較差，因此考慮對塔板進(jìn)行優(yōu)化；

2）工藝流股循環(huán)較多，在模擬過程中極易出現(xiàn)局部警告，導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，無法對操作條件進(jìn)行微調(diào)，因此在優(yōu)化過程中只能對單個(gè)單元分別進(jìn)行工藝優(yōu)化；

3）流股循環(huán)導(dǎo)致部分雜質(zhì)積累，引起解的震蕩，導(dǎo)致干氣的量驟然增加，流股信息不準(zhǔn)確；

表5 脫吸穩(wěn)定系統(tǒng)主要流股結(jié)果

4）整個(gè)工藝耗能較多，因此考慮對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行熱交換網(wǎng)絡(luò)的集成。

因此需要根據(jù)流程的特點(diǎn)對流程進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，以此模擬作為初值，切斷或重新連接部分流股，以對模擬進(jìn)行調(diào)整。

4 分析與優(yōu)化

由于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程比較復(fù)雜，吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔相互交聯(lián)，形成三個(gè)物料循環(huán)，各個(gè)塔相互影響，因此系統(tǒng)中影響吸收效果、穩(wěn)定塔產(chǎn)品質(zhì)量、系統(tǒng)能耗的因素較多。本文中吸收效果用干氣中C3及C3以上組分體積分?jǐn)?shù)V%表示，穩(wěn)定塔產(chǎn)品質(zhì)量為穩(wěn)定塔頂液化石油氣中C5、C2組分的體積分?jǐn)?shù)V%和穩(wěn)定汽油中C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%表示，系統(tǒng)能耗主要為冷卻負(fù)荷和再沸器熱負(fù)荷。

吸收塔中吸收效果受吸收溫度，吸收壓力及液氣比影響。低溫高壓有利于吸收，但吸收塔溫度受到冷卻水的限制，不會太低，一般在40℃左右。吸收壓力受氣壓機(jī)及其它設(shè)備的限制，提高幅度有限。并且在增大吸收塔壓力后，解吸塔的壓力也會隨之增大。但高壓不利于解吸，為了保證解吸塔效果，必須提高解吸塔底溫度，但解吸塔底溫度受中壓蒸汽來源的限制。因此提高解吸塔的吸收效果的可調(diào)的因素為吸收塔液氣比。解吸塔在操作過程中的控制指標(biāo)主要為脫乙烷汽油中的C2含量，與吸收相反，高溫低壓對解吸有利。增加解吸塔的理論板數(shù)會減少干氣中C3及C3以上組分含量，但不是很明顯。解吸塔的壓力取決于吸收塔壓力或氣液平衡罐的壓力，不能降低。所以操作中，影響解吸效果的因素有解吸塔進(jìn)料溫度和解吸塔再沸器負(fù)荷。解吸塔的解吸效果好，可以保證穩(wěn)定塔頂不出或少出不凝氣，也可減少C3及C3以上組分的損失。穩(wěn)定塔最關(guān)鍵的就是需要深度穩(wěn)定。穩(wěn)定汽油深度穩(wěn)定不僅可以回收穩(wěn)定汽油中的液化石油氣，還可以提高補(bǔ)充吸收劑質(zhì)量，進(jìn)而提高吸收效果。綜上，影響吸收穩(wěn)定系統(tǒng)可優(yōu)化的因素有：補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素。在接下來的模擬中，取幾個(gè)對產(chǎn)品品質(zhì)影響較大的因素進(jìn)行舉例分析。

4.1 補(bǔ)充吸收劑流量

應(yīng)用靈敏度分析，在規(guī)定吸收塔中間取熱量和穩(wěn)定塔回流比均不變的情況下，得到了補(bǔ)充吸收劑流量的改變對吸收效果的影響，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著補(bǔ)充吸收劑的流量的增加，干氣的C3及C3以上組分含量逐漸下降。因?yàn)檫M(jìn)入吸收塔中補(bǔ)充吸收劑量的增大，就是增加吸收塔中的液氣比，有利于吸收過程，所以干氣中C3及C3以上組分量減少。

圖3 補(bǔ)充吸收劑流量對干氣中C3及C3以上組分的含量影響

4.2 解吸塔氣化率

為保證液化石油氣的品質(zhì)，解吸塔應(yīng)當(dāng)盡量將輕組分（C2及其以上）從體系中蒸出，因此解吸塔應(yīng)當(dāng)保證一定的汽化率，但是汽化率過高會導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)率下降，因此對解吸塔汽化率進(jìn)行靈敏度分析。由圖4所示，當(dāng)汽化率大于0.075時(shí)，體系中基本不存在C2以上的輕組分，因此將解吸塔汽化率定在0.075。

圖4 解吸塔汽化率對LPG產(chǎn)品品質(zhì)的影響

4.3 穩(wěn)定塔操作條件

穩(wěn)定塔頂獲得液化石油氣，塔底獲得穩(wěn)定汽油，因此穩(wěn)定塔操作條件對最終產(chǎn)品條件有著決定性的意義。穩(wěn)定塔可控操作條件在于汽化率和回流比，對二者進(jìn)行靈敏度分析。由圖5可知，穩(wěn)定塔汽化率在0.278以上，穩(wěn)定汽油品質(zhì)達(dá)到要求，因此將穩(wěn)定塔汽化率定在0.278?；亓鞅仁蔷s塔分離效率的最重要影響因素之一，回流比越大越有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)，但是氣液循環(huán)量的增大也會引起能耗的升高。因此在保證產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)盡量降低回流比。由圖5可知，當(dāng)穩(wěn)定塔回流比大于1.25，回流比對于油品品質(zhì)影響不大，因此為降低能耗，將穩(wěn)定塔的回流比定在1.25。

圖5 穩(wěn)定塔汽化率與回流比對穩(wěn)定汽油品質(zhì)的影響

5 總結(jié)

通過在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬流程模型，利用傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)作為初值，確立了現(xiàn)有工藝流程的初步操作參數(shù)。使用單因素變量法對現(xiàn)有流程工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，研究流程內(nèi)補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對于工藝流程綜合性能的影響。研究表明改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)具有可行性，工藝流程內(nèi)可適當(dāng)增加以提高吸收效果，解吸塔的最優(yōu)氣化率為0.075，穩(wěn)定塔的最優(yōu)氣化率為0.278，回流比為1.25。