何曉旭

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北武漢，430080)

隨著油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，天然氣資源得到了充分的開發(fā)和利用，雖然民用液化氣的需求量大幅度減少，但是下游消費領(lǐng)域的迅速發(fā)展同樣使液化氣的利用大幅增加，其中最為典型的就是以丙烯為原料生產(chǎn)聚丙烯等各類具有高附加值的化工產(chǎn)品[1]。因此某煉廠二次加工裝置所產(chǎn)生的富含丙烯、正丁烯、異丁烯、正丁烷和異丁烷等基礎(chǔ)化工原料的液化氣是非常寶貴的氣體資源。就目前我國能源結(jié)構(gòu)來說，充分利用液化氣資源以提高其加工深度，生產(chǎn)出聚合級丙烯、正丁烯、異丁烯等高附加值化工產(chǎn)品是十分重要的[2，3]。氣體分餾裝置就是通過物理分餾將液化氣各組分分離出來，得到高純度的丙烯、丙烷產(chǎn)品，為下游化工裝置提供合格原料的重要煉化裝置[4，5]。

我國氣分裝置一般選用包括脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔在內(nèi)的三塔流程或者添加一個碳四塔的四塔流程[6，7]。但是目前氣分裝置普遍存在丙烯回收率低、損失嚴重、分離效果差和產(chǎn)品純度不合格等問題。隨著丙烯產(chǎn)品的快速發(fā)展，丙烯回收率和產(chǎn)品純度成為氣體分餾裝置的重要評估參數(shù)[8，9]。對于大部分氣分裝置來說，丙烯塔的操作和控制是裝置平穩(wěn)生產(chǎn)合格產(chǎn)品的重點和難點，也是裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵，因此，對丙烯塔的操作分析和優(yōu)化是十分必要的。

1 流程模擬

1.1 模擬流程的建立

流程穩(wěn)態(tài)模擬是研發(fā)最早、應用最為普遍的一種過程系統(tǒng)模擬技術(shù)，在化工生產(chǎn)過程中長期用于新設(shè)備的設(shè)計、舊設(shè)備的改造、已有設(shè)備校核標定、操作變量調(diào)優(yōu)和瓶頸突破分析等相關(guān)方面[10]。Aspen Plus是使用最為廣泛的流程模擬軟件之一，具有十分完善的數(shù)據(jù)庫，因此，本文選用Aspen Plus對丙烯塔進行模擬，熱力學模型選用能夠同時應用于極性和非極性的SRK狀態(tài)方程[11，12]。圖1是丙烯塔模擬流程圖，經(jīng)脫乙烷塔脫出乙烷氣體的丙烯和丙烷的混合物直接送入丙烯塔，經(jīng)過丙烯塔分離塔頂為丙烯產(chǎn)品，塔底為丙烷產(chǎn)品。

圖1 丙烯塔模擬流程圖

1.2 核算方式選擇

在Aspen Plus精餾塔模塊計算類型的選擇中有平衡級計算法(Equilibrium)和速率核算法(Rate-Based)，平衡級模型主要根據(jù)級效率、操作線和平衡線來確定組分濃度在塔板間的變化關(guān)系，在不規(guī)定塔板效率的情況下，默認的塔板效率為100%，即離開每一塊塔板的氣相和液相都達到了平衡，因此這是一種理想模型，計算出的塔板數(shù)是理論塔板數(shù)，在不知道塔板效率的前提下并不適用于已有精餾塔的核算和優(yōu)化。

速率核算模型是根據(jù)傳質(zhì)速率和守恒方程來確定濃度分布，在計算過程中考慮到了氣液傳質(zhì)阻力的影響，因此更加適用于實際塔的模擬。表1是核算模型模擬結(jié)果和平衡模型模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)情況的對比，可以發(fā)現(xiàn)在進料條件、精餾塔設(shè)計參數(shù)、操作條件以及產(chǎn)品要求一樣的情況下，核算模型模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)情況相差不大，但是平衡模型模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)情況具有很大的差別。這是因為目前氣分丙烯塔的塔板效率較低，通過模擬發(fā)現(xiàn)，在平衡模型下改變塔板效率，只有設(shè)定塔板效率為63%，模擬結(jié)果和實際結(jié)果才較為相近。因此，為保證模擬結(jié)果的有效性，以下分析均基于核算模型模擬計算。

表1 不同模擬計算類型和實際生產(chǎn)情況對比

2 主要操作參數(shù)對分離的影響

2.1 塔頂壓力對分離的影響

圖2是丙烯塔再沸器負荷和塔頂壓力的關(guān)系圖，從圖2可知：丙烯塔塔底能耗隨著塔頂壓力的增大而上升的，這是因為丙烯和丙烷的相對揮發(fā)度隨著壓力的升高而減小，提高了分離難度，為了達到相同的生產(chǎn)要求，就必須增大回流比，增加塔底熱源，整個精餾塔的能耗也就隨之增大。

圖2 塔頂壓力對能耗的影響

僅僅從塔底能耗分析，丙烯塔的操作壓力在滿足工藝條件的前提下應該越低越好，但是在考查塔頂溫度和塔頂壓力的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，隨著塔壓的降低塔頂溫度是逐步降低的，如圖3所示。理論上來說，溫度越低，能耗越小，但是生產(chǎn)過程中，塔頂冷凝器的冷卻介質(zhì)是循環(huán)水，如果塔頂溫度過低，則需要大量的循環(huán)水來進行換熱甚至在夏天冷凝器將不能進行正常的換熱，這直接影響到精餾塔的平穩(wěn)生產(chǎn)。綜合考慮循環(huán)水的用量以及塔底的節(jié)能，在丙烯塔的操作過程中可根據(jù)季節(jié)變化選用合適的操作壓力。

圖3 塔頂壓力對塔頂溫度的影響

2.2 進料溫度對分離的影響

圖4是丙烯塔進料溫度與再沸器負荷的關(guān)系圖，此時進料壓力為2.5MPa，從圖4中可以看出，當進料溫度小于61℃以及溫度大于62℃的時候，能耗隨著溫度的上升有小幅度的下降，從61℃上升到62℃時，能耗下降很大，有明顯的拐點。進一步分析進料壓力以及進料熱狀態(tài)，分析當前進料在不同壓力下的沸點，可知當進料壓力為2.5MPa時，流股沸點為61.3℃，所以當進料溫度從61℃變?yōu)?2℃時，進料熱狀態(tài)發(fā)生了改變，完成了從液體進料到蒸汽進料的改變，如表2所示。對于實際生產(chǎn)來說，由于丙烯塔的進料來源于脫乙烷塔底，無論是自壓還是由泵打入丙烯塔，進料狀態(tài)總是液相，若單為節(jié)能考慮，可在進料入口加入減壓閥改變進料熱狀態(tài)，也可添加換熱器利用其他裝置多余的熱量進行換熱，實現(xiàn)熱量集成。

圖4 進料溫度對能耗的影響

表2 進料溫度和壓力的關(guān)系

3 操作優(yōu)化

對于實際精餾塔，主要優(yōu)化目標是通過改變操作參數(shù)使得完成一定生產(chǎn)任務(wù)時能耗最小。在實際生產(chǎn)操作過程中，丙烯塔可調(diào)節(jié)的變量有：操作壓力、進料位置、回流、熱源和采出量。前面已經(jīng)分析了壓力對能耗的影響，此部分可根據(jù)當前實際情況選用操作壓力1.58MPa，進料溫度按目前實際生產(chǎn)情況設(shè)為52℃，在模擬過程中，因為是穩(wěn)態(tài)模擬，若保證相同的分離效果，熱源能耗和回流是統(tǒng)一的，回流量越大塔底負荷也越大，因此兩個變量分析一個即可。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在模擬中選用回流比來設(shè)計規(guī)定塔頂丙烯的純度為99.6%，用塔頂采出量來設(shè)計規(guī)定塔底丙烷產(chǎn)品中丙烯的濃度為3%，因此最終可直接優(yōu)化的變量只有進料位置。

3.1 不同進料量下的操作優(yōu)化

對表1中所示的進料條件進行進料位置的優(yōu)化可以得出圖5的趨勢，如圖5所示：隨著進料位置的增加，丙烯塔再沸器負荷是先減小后增大的，當進料位置在175塊塔板處時，能耗最小，因此該塔的最佳進料位置應在第175塊塔板處，但是根據(jù)3#氣分實際設(shè)計情況，已有的三個進料位置分別位于第176塊塔板、180塊塔板、184塊塔板，它們都位于最優(yōu)點的右邊，因此在當前進料條件下結(jié)合實際情況最優(yōu)進料位置為第176塊塔板。

圖5 進料位置對能耗的影響

在生產(chǎn)操作過程中，丙烯塔的進料流量會隨著整個氣分裝置處理量和進料組成的改變而改變，在進料中丙烯和丙烷的相對比例保持0.7∶0.3不變的前提下，本文根據(jù)生產(chǎn)要求，在生產(chǎn)負荷范圍內(nèi)重點選取了四種不同的進料流量按照上述步驟分別分析優(yōu)化，最終的優(yōu)化結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出：在當前的四種進料流量下，最優(yōu)的進料位置都在第176塊塔板上，但是最優(yōu)的回流比和塔的熱負荷各不相同，隨著進料量的增大，為了維持產(chǎn)品純度，回流比增大，相應的丙烯塔的熱負荷也越來越高。因此若塔底熱源有限，應適當減小裝置生產(chǎn)產(chǎn)量以降低丙烯塔的進料量，以保證產(chǎn)品的合格。同時在生產(chǎn)過程中可參照表3中列出的最優(yōu)操作條件對操作參數(shù)進行調(diào)整以實現(xiàn)裝置的節(jié)能降耗。

表3 不同進料流量的優(yōu)化結(jié)果

3.2 不同進料組成下的操作優(yōu)化

同理，在實際生產(chǎn)過程中，原料中的丙烯和丙烷的相對比值并不是一定的，因此本文也對相同流量不同進料組成下的工況進行了模擬優(yōu)化。在設(shè)計規(guī)定了產(chǎn)品純度后，可優(yōu)化的變量也僅為進料位置。圖6是丙烯塔在丙烯/丙烷組成為0.75/0.25時塔底負荷與進料位置的關(guān)系圖，如圖6所示：丙烯塔再沸器負荷隨著進料位置的增加是先減小后增大的，最優(yōu)的進料位置為166塊塔板，同樣的，在本裝置已有的進料位置中選擇最為接近的第176塊塔板。同樣對其他進料組成進行優(yōu)化，最終優(yōu)化結(jié)果列在表4中，由表4可知，在相同進料量下，隨著進料組成中丙烯含量增多，丙烯塔能耗增多大，但是回流比卻逐步減小。這是因為進料中丙烯越多，分離越困難，且塔頂丙烯采出增多，雖然回流比減小，但是回流量是增大的，所以能耗是增大的。當實際生產(chǎn)過程中進料組成發(fā)生波動時，可參考表4調(diào)節(jié)回流參數(shù)，保證產(chǎn)品回收率和純度，節(jié)約能耗。

圖6 進料位置對能耗的影響

表4 不同進料組成的優(yōu)化結(jié)果

4 總結(jié)

本文采用Aspen Plus流程模擬軟件通過選用合適的模塊計算方法和熱力學模型，建立了氣分裝置丙烯塔模型并完成模擬分析，模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為吻合。在此基礎(chǔ)上，通過分析操作壓力、進料溫度主要參數(shù)對分離效果的影響，結(jié)合生產(chǎn)實際，建議綜合考慮循環(huán)水的用量以及塔底的節(jié)能，根據(jù)季節(jié)變化選用合適的操作壓力，進料溫度可根據(jù)分析，添加換熱器利用其他裝置多余的熱量進行換熱，提高進料溫度，降低丙烯塔能耗，實現(xiàn)熱量集成。

同時，考察了回流比、進料位置和采出量對熱負荷的影響，分析可知塔底負荷隨著進料位置的增加都是先減小后增大的，因此在滿足塔頂丙烯純度99.6%，塔底丙烷產(chǎn)品中丙烯的濃度不大于3%的前提下，對不同進料組成和進料流量下的進料位置進行優(yōu)化，使丙烯塔能耗最小，最終優(yōu)化結(jié)果用于指導裝置生產(chǎn)，為不同工況下丙烯塔的控制和調(diào)節(jié)提供指導和優(yōu)化，降低裝置生產(chǎn)負荷。