周高鋒

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

在裝卸時(shí)，輕質(zhì)石油產(chǎn)品會(huì)揮發(fā)出大量的油氣混合物，繼而造成空氣污染。為了加大環(huán)境保護(hù)力度，我國不斷出臺(tái)環(huán)保政策與油氣回收標(biāo)準(zhǔn)，對油氣回收提出了更高的要求。而利用先進(jìn)的方式回收含苯油氣可以減少空氣污染，因此本文將對密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收方案研究及應(yīng)用進(jìn)行了簡要分析。

1 苯概述

苯屬于有機(jī)化合物，組成結(jié)構(gòu)十分簡單，在常溫環(huán)境下具有較強(qiáng)的易燃性，且密度比水小，很難溶于水以及有機(jī)溶劑[1]。苯在石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位，所以很多國家利用苯產(chǎn)量與苯生產(chǎn)技術(shù)衡量一個(gè)石油化工行業(yè)的發(fā)展水平。苯在諸多產(chǎn)品的生產(chǎn)中都具有重要作用。例如，在生產(chǎn)合成樹脂、合成橡膠、合成谷物時(shí)都可以應(yīng)用到苯。

2 傳統(tǒng)油氣回收工藝及應(yīng)用

當(dāng)前，大多數(shù)企業(yè)在回收油氣時(shí)都會(huì)將冷凝工藝與吸附工藝結(jié)合起來。常用的油氣回收裝置是由增壓單元、活性炭吸附單元以及冷凝回收單元構(gòu)成的，如圖1。

圖1 油氣回收裝置

在油氣回收過程中，增壓單元與冷凝回收單元的能耗相對較高。氣相回收鶴管回收大量的揮發(fā)油氣，并輸送至壓縮機(jī)當(dāng)中，進(jìn)行增壓處理。之后，輸送至冷箱中，進(jìn)行一級(jí)冷卻，然后輸送至分液裝置中，從而實(shí)現(xiàn)油氣的氣液分離。在分離之后，將液相輸送至?xí)捍婀拗校瑢庀噍斔椭晾湎渲羞M(jìn)行二級(jí)冷卻，然后輸送至分液裝置中再次進(jìn)行氣液分離處理[2]。最后，分液裝置將液相輸送至?xí)捍婀?，將氣相輸送至活性炭吸附裝置中。當(dāng)暫存罐的液位達(dá)到80%之后將液相輸送至原料罐中。其中，在制冷過程中，一級(jí)制冷劑采用的是最低溫度為-25 ℃ 的404A，二級(jí)制冷劑采用的是最低溫度為-60 ℃ 的R23。

由于在設(shè)置這一油氣回收裝置與回收方案時(shí)沒有綜合分析苯的低溫凝固特性，降低了苯的回收率。某處理廠的產(chǎn)品主要是穩(wěn)定輕烴、植物油抽提溶劑，以及苯等，在密閉裝車系統(tǒng)中需要充分考慮苯的蒸汽組分與冷凝特性，并根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化回收方案與回收工藝。因此本文將以該處理廠的苯與橡膠工業(yè)用溶劑油等產(chǎn)品氣油為回收對象，其產(chǎn)品組分如表1所示。

表1 苯與橡膠工業(yè)用溶劑油的主要組成

3 含苯油氣的蒸汽組分與冷凝特性

不同物質(zhì)的組分不同，所以在裝車時(shí)的揮發(fā)性不同，會(huì)影響到蒸汽組分。一般情況下，油品當(dāng)中的輕組分含量與油氣回收溫度是成反比的，即輕組分含量越高，揮發(fā)性越強(qiáng)，進(jìn)行油氣回收時(shí)溫度就越低。同一種物質(zhì)也會(huì)受到壓力、溫度等因素的影響，所以其蒸汽組分也不同。因此，為了增強(qiáng)含苯油氣回收方案的科學(xué)性需先分析其蒸汽組分與冷凝特性。在環(huán)境溫度不斷變化的過程中，處理廠密閉裝車系統(tǒng)的溫度也不同。例如，夏季溫度較高、冬季溫度較低。在冬季時(shí)需要利用伴熱的方式控制管道溫度，將車內(nèi)的溫度控制在10～50 ℃。由于常采用常壓裝車，且裝車的壓力在 100 kPa，所以不會(huì)對蒸汽組分產(chǎn)生明顯影響。為此，需要在不同的裝車狀態(tài)下分析環(huán)境溫度對蒸汽組分的影響。

3.1 單獨(dú)裝車狀態(tài)下環(huán)境溫度對蒸汽組分與冷凝特性的影響

可以利用HYSYS等軟件計(jì)算當(dāng)環(huán)境溫度為10～50 ℃ 時(shí)，蒸汽組分與冷凝特性會(huì)出現(xiàn)怎樣的變化。從計(jì)算結(jié)果來看，在環(huán)境溫度不斷升高的過程中，蒸汽組分會(huì)逐漸出現(xiàn)變化，當(dāng)溫度達(dá)到40℃時(shí)，蒸汽組分不再變化。當(dāng)溫度在從 10 ℃ 升至 40 ℃ 時(shí)，氮?dú)馀c氧氣的含量會(huì)逐漸下降，但當(dāng)溫度升高到 40 ℃ 以上時(shí)，氮?dú)馀c氧氣的含量會(huì)趨于平穩(wěn)[3]。同時(shí)，在溫度不斷升高的過程中，蒸汽當(dāng)中苯的含量會(huì)先升高后下降，當(dāng)溫度為 41 ℃ 時(shí)，苯的含量最高。當(dāng)溫度達(dá)到 40 ℃ 時(shí)，C7的含量開始逐漸升高。在對比分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度從 10 ℃ 升至 40 ℃ 時(shí)，各個(gè)壓力下的冷凝溫度都開始逐漸上升。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度不斷提升的過程中，苯的摩爾分?jǐn)?shù)不斷提升，氮?dú)馀c氧氣的含量逐漸減少，蒸汽的液化性更強(qiáng)。當(dāng)環(huán)境溫度從 40 ℃ 升至 50 ℃ 時(shí)，冷凝溫度不再出現(xiàn)變化。

3.2 同時(shí)裝車狀態(tài)下環(huán)境溫度對蒸汽組分與冷凝特性的影響

若同時(shí)對苯與植物油抽提溶劑進(jìn)行裝車處理，蒸汽組分與冷凝溫度也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。從變化情況來看，在環(huán)境溫度從 10 ℃ 升至 40 ℃ 時(shí)，氮?dú)馀c氧氣的含量會(huì)逐漸下降，苯的摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)不斷提高，其他烴類組分的含量也會(huì)有所上升。當(dāng)環(huán)境溫度在 41 ℃ 時(shí)，苯的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到頂點(diǎn)，之后會(huì)逐漸下降。在對比分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度從 10 ℃ 升至 40 ℃ 時(shí)，各個(gè)壓力下的冷凝溫度都開始逐漸上升。當(dāng)環(huán)境溫度從 40 ℃ 升至 50 ℃ 時(shí)，冷凝溫度不再出現(xiàn)變化。

所以，在任何裝車狀態(tài)下，環(huán)境溫度都會(huì)對蒸汽組分與冷凝特性產(chǎn)生一定的影響。但并不是環(huán)境溫度越高，輕烴組分的含量就越高。另外，在液化壓力相同的狀態(tài)下，液化溫度越高，輕烴回收率就越高。但蒸汽當(dāng)中的苯會(huì)影響到油氣回收的制冷量，即苯的含量越高，蒸汽的液化能力就越強(qiáng)，會(huì)加大管道凍堵的幾率。此外，當(dāng)環(huán)境溫度為 41 ℃時(shí)，蒸汽當(dāng)中的苯含量最高，所以在制定回收方案時(shí)需要將回收溫度設(shè)置為 41 ℃，從而優(yōu)化回收效果。

4 密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收工藝優(yōu)化

為了提高含苯油氣的回收率，應(yīng)對回收裝置以及回收工藝進(jìn)行簡化處理，即對油氣進(jìn)行壓縮處理、一級(jí)制冷與二級(jí)制冷。從氣體的冷凝特性來看，壓力會(huì)對蒸汽液化的溫度以及蒸汽液化所需要的冷量產(chǎn)生影響，所以需要為壓縮機(jī)與冷箱提供大量的能量。同時(shí)，需要利用相應(yīng)的公式計(jì)算油氣回收過程中產(chǎn)生的能耗：N=W+Q一級(jí)+Q二級(jí)。其中，N指的是回收過程中產(chǎn)生的能耗，W指的是增壓設(shè)備的功耗，Q一級(jí)指的是一級(jí)冷箱的能耗，Q二級(jí)指的是二級(jí)冷箱的能耗，單位都是kW[4]。

研究密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收的主要目的是提高苯的回收率，但是也需要控制回收能耗，所以需要對單位液態(tài)產(chǎn)品能耗這一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。液化壓力與液化溫度會(huì)對液化過程中的制冷量產(chǎn)生一定的影響，就會(huì)對油氣回收的能耗產(chǎn)生影響，所以若想優(yōu)化位液態(tài)產(chǎn)品能耗這一參數(shù)就需要深入研究壓縮機(jī)的出口壓力、一級(jí)與二級(jí)冷箱的出口溫度，從而優(yōu)化回收方案。根據(jù)這些參數(shù)構(gòu)建優(yōu)化模型為：

F=min∑iΔN=f(W,Q一級(jí)，Q二級(jí)，q(輕質(zhì)油))

5 密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收方案及應(yīng)用

5.1 回收方案

利用HYSYS軟件構(gòu)件含苯油氣回收簡化流程的模型，將處理量假設(shè)為 11.5 m3/h，明確蒸汽組分，最后利用軟件優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化求解。從優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果來看，在不同裝車狀態(tài)下，壓縮機(jī)出口壓力的最佳值、一級(jí)冷箱與二級(jí)冷箱出口溫度的最佳值不同。即在單獨(dú)裝車狀態(tài)下，需要將壓縮機(jī)的出口壓力設(shè)置為 101.1 kPa，將一級(jí)冷箱的出口溫度設(shè)置為 12.28 ℃，將二級(jí)冷箱的出口溫度設(shè)置為 12.28 ℃，此時(shí)單位液態(tài)產(chǎn)品能耗為0.103990[5]。在同步裝車狀態(tài)下，需要將壓縮機(jī)的出口壓力設(shè)置為 124.5 kPa，將一級(jí)冷箱的出口溫度設(shè)置為 10.76 ℃，將二級(jí)冷箱的出口溫度設(shè)置為 -43.29 ℃，此時(shí)單位液態(tài)產(chǎn)品能耗為0.190367。該處理廠油氣回收裝置的溫度設(shè)置一級(jí)冷箱溫度的上限為 15 ℃，開機(jī)正壓為 -150 Pa；一級(jí)冷箱溫度的下限為 10.0 ℃，停機(jī)負(fù)壓為 -2000 Pa；二級(jí)冷箱溫度的上限為 10 ℃，吸氣負(fù)壓為 -400 Pa；二級(jí)冷箱溫度的下限為 10.0 ℃，油位上限為 -2000 Pa 。這些參數(shù)并不合理，所以需要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整參數(shù)，為油氣回收提供支持。

5.2 工藝應(yīng)用

為了檢驗(yàn)密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收方案的應(yīng)用效果，該處理廠于2020年10月19日應(yīng)用了該回收方案。在裝車之前，該處理廠對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，在設(shè)備啟動(dòng)之后開啟了裝車泵，并對裝車過程中產(chǎn)生的能耗以及油氣回收情況進(jìn)行了詳細(xì)記錄(如表2所示)。從裝車情況來看，應(yīng)用該回收方案不會(huì)造成凍堵的情況。在單獨(dú)對苯進(jìn)行裝車處理時(shí)，利用了冷凝回收的方式，且苯的回收率為81.7%。在同步裝車的過程中，苯的回收率為94.5%。在回收過程中也對油氣濃度進(jìn)行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)油氣濃度并沒有超標(biāo)。

表2 密閉裝車系統(tǒng)含苯油氣回收方案的應(yīng)用效果

6 結(jié)語

在分析環(huán)境溫度對含苯油氣蒸汽組分與冷凝特性的影響后發(fā)現(xiàn)，提高環(huán)境溫度并不能一直提高蒸汽當(dāng)中笨的濃度與輕烴的濃度。且將溫度控制在 41 ℃ 時(shí)，苯的摩爾分?jǐn)?shù)最高，所以在制定回收方案時(shí)需要將溫度設(shè)置在 41 ℃。同時(shí)，需要根據(jù)含苯油氣的特點(diǎn)構(gòu)建油氣回收優(yōu)化模型，對工藝參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化，從而提高苯的回收率。