高 偉，毛玲娟，劉亭亭，廖祖維，代恩東

（1.浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316200；2.浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，浙江 杭州 310058）

近年來，化工模擬技術(shù)越來越成熟，經(jīng)常被用于解決實(shí)際生產(chǎn)問題?；つM技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠有效地解決和診斷化工過程中所面臨的實(shí)際問題，通過數(shù)學(xué)方法把化工實(shí)際生產(chǎn)中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，選擇合適的模擬軟件，在計(jì)算機(jī)上得以再現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的過程［1］。通過化工模擬技術(shù)無需小試、中試，模擬結(jié)果可直接用于工業(yè)裝置設(shè)計(jì)［2］，減少時(shí)間及成本消耗。

某煉化企業(yè)的55×104t/a 烷基化裝置反應(yīng)系統(tǒng)采用CDAlky?低溫硫酸烷基化工藝，反應(yīng)溫度為-4 ℃，具有副反應(yīng)少、酸耗低和辛烷值高的優(yōu)點(diǎn)，分餾系統(tǒng)采用脫異丁烷塔和脫正丁烷塔進(jìn)行產(chǎn)品分離，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入脫異丁烷塔，塔頂異丁烷循環(huán)返回反應(yīng)器參與反應(yīng)，底部物料進(jìn)入脫正丁烷塔，塔頂抽出正丁烷產(chǎn)品，底部產(chǎn)出烷基化油。烷基化油又名異辛烷，具有低硫、低烯烴、高辛烷值的特點(diǎn)，是汽油的理想調(diào)和組分。

該烷基化裝置分餾系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況條件下正常運(yùn)行，然而物料性質(zhì)較原設(shè)計(jì)有所變化，因此裝置不在最佳的操作條件，可能存在能耗高的問題。為了驗(yàn)證，文中基于該煉化企業(yè)55×104t/a 烷基化裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用Petro-SIM 流程模擬軟件建立了烷基化裝置分餾系統(tǒng)的機(jī)理模型。通過模擬烷基化裝置分餾系統(tǒng)雙塔操作，對裝置最佳操作參數(shù)進(jìn)行了模擬優(yōu)化研究，提出了最優(yōu)操作條件的優(yōu)化方案，以實(shí)現(xiàn)裝置降低生產(chǎn)成本的目的［3～5］。

1 模型建立

1.1 工藝流程

分餾系統(tǒng)由脫異丁烷塔和脫正丁烷塔組成，每個(gè)塔各設(shè)有1臺塔底重沸器，利用中壓蒸汽作為熱源。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)聚結(jié)分離后作為脫異丁烷塔進(jìn)料，進(jìn)塔前與烷基化油產(chǎn)品進(jìn)行換熱，回收熱量并提升進(jìn)塔溫度。脫異丁烷塔頂分離得到異丁烷產(chǎn)品，脫正丁烷塔塔頂分離得到正丁烷產(chǎn)品，塔底得到烷基化油產(chǎn)品。利用Petro-SIM 流程模擬軟件對烷基化裝置分餾系統(tǒng)進(jìn)行建模。

1.2 模型參數(shù)

脫異丁烷塔的進(jìn)料性質(zhì)可通過該烷基化分餾系統(tǒng)各產(chǎn)品的混合得到。異丁烷的產(chǎn)品流量154.76 t/h，正丁烷的產(chǎn)品流量6.79 t/h ，烷基化油產(chǎn)品流量65.48 t/h，反應(yīng)產(chǎn)物作為脫異丁烷塔的進(jìn)料是以異丁烷、正丁烷和烷基化油產(chǎn)品通過混合器［6］得到的數(shù)據(jù)。在Petro-SIM 混合器中輸入3 種產(chǎn)品的化驗(yàn)分析組成和流量后，混合得到脫異丁烷塔進(jìn)料，其族組成見表1。

表1 脫異丁烷塔進(jìn)料族組成

由脫異丁烷塔進(jìn)料組分與實(shí)際操作條件作為Petro-SIM 流程模擬軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了烷基化裝置分餾系統(tǒng)操作模型。

脫異丁烷塔的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求：異丁烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于85%。脫正丁烷塔的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求：正丁烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于95%；烷基化油，飽和蒸汽壓不大于60 kPa，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于5×10-6%，終餾點(diǎn)不高于205 ℃，實(shí)際操作條件見表2。

表2 實(shí)際工況和模擬工況數(shù)據(jù)對比

2 模型驗(yàn)證

由表2可以看出，通過模型得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)與實(shí)際相近，表明模型可真實(shí)反映運(yùn)行工況。由于模型計(jì)算采用的數(shù)據(jù)均為理想狀態(tài)，沒有計(jì)算損失量，所以模型計(jì)算時(shí)蒸汽耗量較實(shí)際耗量低，屬于正常情況。

3 模型優(yōu)化及分析

3.1 脫正丁烷塔優(yōu)化模擬

脫正丁烷塔頂部產(chǎn)品正丁烷，底部產(chǎn)品烷基化油，研究降低塔頂壓力時(shí)需考慮產(chǎn)品泵的汽蝕壓力，塔頂產(chǎn)品泵汽蝕壓力為0.5 MPa，通過計(jì)算塔頂壓力應(yīng)不低于0.45 MPa，為確保泵正常運(yùn)行，脫正丁烷塔頂部壓力由0.52 MPa 降至0.48 MPa。優(yōu)化時(shí)將回流比由5.31 降低至3.0，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化前后操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量見表3。

表3 脫正丁烷塔模擬優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表3可以看出，在保證產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，降低塔頂壓力和回流比后，塔頂溫度和塔底溫度分別降低了2.55 ℃和4.00 ℃，節(jié)約中壓蒸汽2.48 t/h，表明降低塔頂壓力和回流比可以有效降低能耗。

3.2 脫異丁烷塔優(yōu)化模擬

脫異丁烷塔進(jìn)料與脫正丁烷塔底部出料換熱，脫正丁烷塔優(yōu)化后塔底出料溫度降低，模擬得到脫異丁烷塔進(jìn)料溫度由原來的55.5 ℃降至54.7 ℃。脫異丁烷塔底部物流通過自身壓力進(jìn)入脫正丁烷塔中部，經(jīng)測算，2 塔壓差不應(yīng)該低于0.13 MPa，優(yōu)化時(shí)使2塔壓差為0.15 MPa，脫異丁烷塔頂壓力由0.71 MPa降壓為0.63 MPa，優(yōu)化前后操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量對比見表4。

表4 脫異丁烷塔模擬優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表4可以看出，在保證產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，降低塔頂壓力和回流比后，塔頂溫度和塔底溫度分別降低了4.84 ℃和4.4 ℃，節(jié)約中壓蒸汽5.02 t/h。

預(yù)計(jì)優(yōu)化方案實(shí)施后，裝置加工負(fù)荷不變的情況下，預(yù)計(jì)可節(jié)約中壓蒸汽7.5 t/h，塔頂空冷風(fēng)機(jī)節(jié)約電耗45.6 kW·h，裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為8 400 h/a。中壓蒸汽和電價(jià)分別按照143 元/t 和0.57 元/kW·h 計(jì)，則預(yù)計(jì)節(jié)約費(fèi)用922.7×104元/a，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，降低了裝置的生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

（1）通過建立烷基化裝置分餾系統(tǒng)模型，模擬計(jì)算得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)與實(shí)際相近，表明所建立的模型能夠真實(shí)反映實(shí)際運(yùn)行工況，可用于優(yōu)化和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（2）在模型中，對塔頂壓力、塔底溫度、回流比、塔頂溫度等操作條件進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化脫正丁烷塔塔頂壓力由0.52 MPa 降至0.48MPa、回流比降至3.0，優(yōu)化脫異丁烷塔塔頂壓力降至0.63 MPa、回流比降至0.42，在此優(yōu)化方案下異丁烷、正丁烷和烷基化油質(zhì)量均能滿足要求。

（3）預(yù)計(jì)優(yōu)化方案實(shí)施后，裝置可節(jié)約中壓蒸汽7.5 t/h，可節(jié)約費(fèi)用922.7萬元/a。