丁建亞,耿九云,李寒羿,嚴 炳,鄒聞迪

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司,浙江 寧波 315000)

加氫裂化裝置輕石腦油分餾塔可分離回收正戊烷、異戊烷等C5產品。此類產品用途廣泛,可作為發(fā)泡劑、溶劑、化工原料等,具有良好的經(jīng)濟價值[1]。C5資源的高效利用,可以有效提高煉油單位的整體效益[2]。

某石化公司210萬t/a原料加氫處理裝置(以下簡稱蠟油加氫)輕石腦油分餾塔(0203-T-209)塔頂可生產純度98%(正戊烷含量20%、異戊烷含量78%)的C5產品。根據(jù)GB/T22053—2020《戊烷發(fā)泡劑》規(guī)范中描述,合格發(fā)泡劑的最低標準為正戊烷含量30%以上。為了生產滿足戊烷發(fā)泡劑質量要求的C5餾分油,本案例新增1臺C5精餾塔(0203-T-210),利用Aspen Plus軟件中的Rad Frca精餾塔嚴格計算模塊對其模擬,并通過靈敏度分析對其各項參數(shù)進行優(yōu)化。

1 工業(yè)裝置

1.1 工藝流程

C5精餾塔工藝流程見圖1。

圖1 C5精餾塔工藝流程注:T-209—輕石腦油分餾塔;T-210—C5精餾塔

1.2 物料組成

C5精餾塔(0203-T-210)進料為輕石腦油分餾塔(0203-T-209)塔頂C5產品,其中微量的環(huán)戊烷、1-戊烯在模擬計算中可忽略不計,化簡后的組分組成見表1。

表1 C5精餾塔進料組分組成

1.3 物性方法的選擇

PENG-ROB模型計算體系的氣液平衡以及烴類體系的液體密度非常理想。對于石油煉制過程,PENG-ROB狀態(tài)方程是通常推薦的物性方法[3],本案例即選擇此物性方法。

1.4 工藝模型的建立

使用精餾塔嚴格計算模塊(Rad Frac)對C5精餾塔進行初步建模,可先按簡捷塔的模擬結果輸入總理論板數(shù)、進料塔板、回流比等數(shù)據(jù)。簡捷塔模擬過程不再贅述,相關參數(shù)見表2。

表2 C5精餾塔預設建模參數(shù)

按預設參數(shù)建模成功運行后的模擬結果見表3、表4。

表3 C5精餾塔運行模擬結果

表4 C5精餾塔產品組成

根據(jù)表3、表4數(shù)據(jù)可以得出,按預設值進行的模擬能夠初步得到C5精餾塔的操作參數(shù)及產品組成,盡管塔底產品的正戊烷含量仍未合格,但此C5精餾塔的模型已經(jīng)能夠對進料進行有效地分離,為后續(xù)靈敏度分析創(chuàng)造了條件。

2 靈敏度分析與優(yōu)化

2.1 回流比

在實際生產中,通過控制回流比,可控制精餾塔塔頂、塔底產物的分離精度[4]。為了使塔底產品的正戊烷含量合格,在靈敏度分析模塊中將塔底產物的正戊烷質量分率、塔底熱負荷設為因變量,設置回流比為自變量,對2～6范圍內的回流比以0.5的步長進行靈敏度分析,分析結果見圖2。

圖2 回流比-塔底正戊烷質量分率/塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,塔底正戊烷質量分率隨著回流比的增大而增大,當回流比大于5.2時,塔底正戊烷質量分率大于30%。但是隨著回流比的增大,塔底熱負荷也進一步增大,造成能耗的持續(xù)增加。因此,單獨調整回流比并不是最優(yōu)解,需要進一步優(yōu)化進料塔板層數(shù)和總理論板數(shù)。

2.2 進料塔板層數(shù)與總理論塔板數(shù)

在實際生產中,進料塔板層數(shù)及總理論板數(shù)主要影響著全塔的能耗。在回流比修改為5.2的前提下,在靈敏度分析模塊中將塔底熱負荷設為因變量,設置進料塔板層數(shù)、總理論塔板數(shù)為自變量,對10～49范圍內的進料塔板層數(shù)及20～60范圍內的總理倫板數(shù)分別以1為步長進行靈敏度分析,分析結果見圖3。

圖3 進料塔板層數(shù)/總理論板數(shù)-塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,當回流比一定時,塔底熱負荷隨著進料塔板層數(shù)的增加而降低。當進料塔板層數(shù)大于28層時,其對塔底熱負荷的影響逐漸減弱。塔底熱負荷隨著總理論板數(shù)的增加而降低,當總理論板數(shù)大于46層時,其對塔底熱負荷的影響逐漸減弱[5]。因為隨著總理論板數(shù)的不斷增加,塔的建造成本與施工費用也會不斷地增加,所以優(yōu)化目標是得到一個相對較低的塔底熱負荷即可。當進料塔板層數(shù)為28層、總理論板數(shù)為46時,足以達到此要求。

2.3 重復優(yōu)化過程

將進料塔板層數(shù)修改為28,總理論板數(shù)修改為46,重復回流比的靈敏度分析,分析結果見圖4。

圖4 回流比-塔底正戊烷質量分率/塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,在改變進料塔板層數(shù)和總理論板數(shù)、回流比為4時,塔底正戊烷質量分率即可達到30%,塔底熱負荷可進一步降低。同樣根據(jù)新得到的回流比,可進一步優(yōu)化進料塔板層數(shù)和總理論板數(shù),在此不再贅述。

可以看出,精餾塔的靈敏度分析與優(yōu)化過程就是一個不斷分析迭代的過程,在滿足產品質量的情況下,通過不斷改變回流比、進料塔板層數(shù)和總理論塔板數(shù)來得到能耗相對較小、建造成本相對較低的精餾塔參數(shù)。

3 優(yōu)化結果

通過不斷地迭代優(yōu)化,按照表5優(yōu)化后的參數(shù)對C5精餾塔重新建模,運行后得到的模擬結果見表6、表7。

表5 C5精餾塔優(yōu)化后建模參數(shù)

表6 C5精餾塔優(yōu)化后運行模擬結果

表7 C5精餾塔優(yōu)化后產品組成

根據(jù)表6、表7數(shù)據(jù)可以得出,優(yōu)化后塔底產品正戊烷質量分數(shù)大于30%,達到了合格發(fā)泡劑的最低標準,且能耗對比優(yōu)化前也有顯著降低。

4 其他參數(shù)對優(yōu)化的影響

4.1 塔壓

在上述靈敏度分析與優(yōu)化的過程中,保持了一個重要變量的恒定,塔頂壓力維持在0.3 MPa(a)。塔的操作壓力決定了塔頂溫度,塔頂溫度受冷凝器公用工程最小傳熱溫差的限制,因此需要維持一定的塔壓,保證塔頂溫度在合理的范圍內。一般塔頂冷凝器采用的冷卻水(進口為30 ℃,出口為40 ℃),最小傳熱溫差建議為10～15 ℃。因此,在設計過程中通常要控制塔壓,使塔頂溫度不得低于40 ℃,通常建議塔頂溫度為50 ℃。本案例中繪制的塔頂物流泡點曲線見圖5。

圖5 塔頂泡點曲線

從圖中可以看出,溫度50 ℃時的塔頂壓力為0.25 MPa(a),考慮到塔頂產品后續(xù)冷卻器等設備的壓降,故本案例中塔頂壓力確定為0.3 MPa(a)。

4.2 產品收率

在實際生產中,塔的各項操作參數(shù)在影響產品純度的同時也影響著產品的收率。在設計過程中,通常也會以產品收率為目標對塔的各項操作參數(shù)進行靈敏度分析,以進一步優(yōu)化。

由于本案例中產品的合格標準為塔底正戊烷的質量分率,當其升高時,塔底產品收率逐漸降低。因此,在塔底產品剛達到合格要求時,塔底產品收率最高,故不再單獨對產品收率進行靈敏度分析。

5 結語

精餾塔作為直接影響化工產品合格率的設備,其各項參數(shù)的嚴格模擬及靈敏度分析一直是工藝設計的重要組成部分。本文利用Aspen Plus軟件中Rad Frca精餾塔嚴格計算模塊和PENG-ROB狀態(tài)方程,對某石化加氫裝置C5精餾塔進行了模擬。在C5精餾塔回流比為4、塔頂壓力為0.3 MPa(a)、總理論板為41、第31塊塔板進料的優(yōu)化結果下,以較低的塔底熱負荷、較少的建造成本,理論上增產9.23 t/h發(fā)泡劑用C5餾分油。C5精餾塔建成投用后,在相同操作條件下實際增產9.15 t/h發(fā)泡劑用C5餾分油。模擬結果與實際生產參數(shù)基本一致,此模型的模擬結果可以作為實際生產的參照。本文的精餾塔優(yōu)化分析過程也可為類似案例的設計人員提供分析思路和方案參考。