基于模擬分析技術(shù)和啟發(fā)式方法的精餾塔系熱集成

汪 旭,馮 霄

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引 言

精餾過(guò)程是石油煉制、石油化工和其他化工過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的傳質(zhì)單元操作過(guò)程,也是石油化工領(lǐng)域中能耗最大的單元操作之一,其能耗約占化工廠總能耗的三分之一,有時(shí)甚至還更多[1]。因此,精餾過(guò)程的節(jié)能具有重要意義。

精餾塔系的熱集成,使一些塔的塔頂物流和另一些塔的塔底物流換熱以減少公用工程耗量,是節(jié)能的一種有效方法。對(duì)于精餾塔系的熱集成,目前主要有兩類方法:數(shù)學(xué)規(guī)劃法和基于知識(shí)的傳統(tǒng)方法。

在應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法進(jìn)行精餾塔系的熱集成方面,Andrecovich&Westerberg[2]在假設(shè)每個(gè)塔都是清晰分割的基礎(chǔ)上,首先提出了帶熱集成的簡(jiǎn)單塔序列綜合問(wèn)題的系統(tǒng)性超結(jié)構(gòu)方法;Smith[3]針對(duì)簡(jiǎn)單塔序列綜合,利用狀態(tài)操作網(wǎng)絡(luò)表示法和嚴(yán)格逐板MESH精餾塔模型的改進(jìn)模型建立了結(jié)構(gòu)可選的超結(jié)構(gòu);Caballero&Grossmann[4]以廣義離散規(guī)劃 (GDP)討論了熱集成簡(jiǎn)單精餾序列綜合問(wèn)題等。精餾塔序的熱集成問(wèn)題屬于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的非線性規(guī)劃問(wèn)題,所建立的模型方程組維數(shù)眾多且高度非線性,變量之間耦合交互,可行域不宜確定。此外,實(shí)際精餾流程的復(fù)雜性也在很大程度上限制了該方法的工業(yè)化應(yīng)用。因此,不少學(xué)者致力于求解算法的研究[5～8]。

基于知識(shí)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)對(duì)原精餾塔及相關(guān)流程的模擬,尋求可能的熱集成方案。由于其主要針對(duì)的是已有化工精餾流程的熱集成優(yōu)化和改造,因而是工業(yè)上最實(shí)用,也是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的方法。S.Aly[9]提出的精餾塔序熱集成的啟發(fā)式方法便是一種基于知識(shí)的傳統(tǒng)方法。該種方法是在一些熱集成規(guī)則的基礎(chǔ)上使一個(gè)塔的塔頂物流和另一個(gè)塔的塔底物流換熱,實(shí)現(xiàn)塔與塔之間的熱集成,節(jié)約能量。但是,他只研究了少數(shù)幾個(gè)塔間的調(diào)壓熱集成,而沒(méi)有考慮存在合適溫差的情況下塔間的直接熱集成。此外,根據(jù)規(guī)定的溫差依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算塔壓,并沒(méi)有進(jìn)行改變塔壓對(duì)組分分離效果的影響分析。改變塔壓通?？梢栽黾訜峒傻臋C(jī)會(huì)。塔壓提高后,將產(chǎn)生以下效果[10,11]:

(1)相對(duì)揮發(fā)度將降低,使分離變得更困難,因此需要更多的塔板或較大的回流比;

(2)蒸發(fā)潛熱將降低,再沸器和冷凝器負(fù)荷降低;

(3)蒸汽密度增加,塔徑可以減小;

(4)再沸器溫度提高,再沸器的溫度受蒸發(fā)介質(zhì)熱分解的限制;

(5)冷凝器溫度升高。若降低塔壓,則要避免:

a.真空運(yùn)行;

b.冷凝器中使用冷劑。因此,必須考慮壓力改變對(duì)原有精餾流程分離效果的影響,使其更符合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求。

本文在啟發(fā)式方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合模擬分析技術(shù),形成完整的精餾塔系熱集成的方法。該方法既考慮了精餾塔的直接熱集成和調(diào)壓熱集成,又分析了壓力變化對(duì)分離效果的影響。

1 基于模擬分析技術(shù)和啟發(fā)式方法的精餾塔系熱集成方法

1.1 塔系熱集成的基本原理[10,11]

在精餾塔系中,用一些塔的塔頂物流和另一些塔的塔底物流換熱,實(shí)現(xiàn)塔系的熱集成,可以減少公用工程耗量。這種熱集成,可能是直接換熱,也可能需要改變一些塔的壓力后實(shí)現(xiàn)換熱。通過(guò)改變壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)熱集成的典型示例如圖1所示。圖中矩形表示精餾塔的冷凝器和再沸器的溫度和負(fù)荷情況。矩形的上邊表示提供給再沸器的熱量、以及相應(yīng)的溫度;矩形的下邊表示從冷凝器中排出的熱量、以及相應(yīng)的溫度。原設(shè)計(jì)中,塔系中各塔之間再沸器溫度和冷凝器溫度不存在合適的溫度差,無(wú)法進(jìn)行熱集成,但是,流程b中,通過(guò)將3塔的塔壓升高,使3塔的冷凝溫度和4塔的再沸溫度存在適宜的溫差,可以利用3塔冷凝過(guò)程為4塔提供部分再沸熱。從而在3和4塔之間實(shí)現(xiàn)了熱集成。

圖1 塔系的熱集成Fig.1 Heat integration of distillation columns

改變塔壓并不是塔系熱集成的唯一方法。采用中間再沸器、中間冷凝器或幾種方法結(jié)合也可以實(shí)現(xiàn)塔系的熱集成。在塔系之間實(shí)現(xiàn)熱集成,盡量用一些塔的冷凝熱作為另一些塔的再沸熱源,可以大大減少公用工程消耗。

1.2 基于模擬分析技術(shù)和啟發(fā)式方法的精餾塔系熱集成方法

在精餾塔系中,如果精餾塔C1頂?shù)漠a(chǎn)品(熱流)溫度大于精餾塔C2底需要被加熱物流(冷流)的溫度,且二者之間的溫差足夠大,該熱流就可以作為熱源直接加熱精餾塔C2底冷物流,以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)精餾塔的直接熱集成。

如果精餾塔C1頂產(chǎn)品 (熱流)溫度低于或接近于精餾塔C2底需要被加熱物流 (冷流)的溫度,則不能直接進(jìn)行精餾塔的熱集成。但是,為了減少公用工程消耗量達(dá)到節(jié)能的目的,有可能通過(guò)調(diào)節(jié)塔的操作壓力來(lái)改變兩者或兩者之一的溫度,從而實(shí)現(xiàn)兩塔間的調(diào)壓熱集成。但此時(shí),由于塔壓改變,需要考慮對(duì)精餾流程分離效果的影響。

塔系由多個(gè)塔組成,之中存在多種熱集成的機(jī)會(huì)。本文在上述考慮下,提出基于模擬分析技術(shù)和啟發(fā)式方法的精餾塔系熱集成方法步驟如下。

(1)整理并核對(duì)初步設(shè)計(jì)或現(xiàn)行精餾塔系的數(shù)據(jù)。對(duì)各精餾塔進(jìn)行單塔的模擬分析,調(diào)節(jié)其操作參數(shù)直至各塔冷凝器、再沸器的溫度和熱負(fù)荷的模擬值與實(shí)際值的相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)。

(2)將各塔冷凝器和再沸器按溫位進(jìn)行排序。通過(guò)這種按溫位排序的方法,在一些塔系熱集成規(guī)則的基礎(chǔ)上就可以直觀推斷出兩塔之間直接熱集成或調(diào)壓熱集成的可行性方案。

(3)構(gòu)造熱集成矩陣。在熱集成矩陣中,每一行代表各塔冷凝器 (熱源),每一列代表各塔再沸器 (熱阱),矩陣中的每一個(gè)元素值代表塔系之間熱匹配的可能性。因此,熱集成矩陣表示了塔系中所有可能的匹配。

(4)使用熱集成規(guī)則排除塔系之間不可行的熱集成方案。在這一步中使用如下三條規(guī)則[9]:規(guī)則a.同一塔的冷凝器和再沸器之間不能相互匹配。規(guī)則b.不同塔之間相互熱匹配時(shí),其冷凝器和再沸器溫差很大的不能匹配。規(guī)則c.在可行的熱匹配中,選則熱源塔熱負(fù)荷小于熱阱塔熱負(fù)荷的匹配。

(5)分析調(diào)壓熱集成方案的分離效果。通過(guò)Aspen Plus模擬在逐步提高塔壓的同時(shí),檢驗(yàn)產(chǎn)品能否達(dá)到分離要求。

(6)篩選出可行且有效的熱集成方案。由熱集成矩陣可以產(chǎn)生多種可行熱集成方案,有些塔的冷凝器可以和多個(gè)塔的再沸器相匹配,在這種情況下,考慮到設(shè)備投資和塔系操作的穩(wěn)定性,運(yùn)用以下三條準(zhǔn)則篩選出可行且有效的熱集成方案。準(zhǔn)則a.優(yōu)先選擇熱源塔熱負(fù)荷大且與熱阱塔溫差小的匹配。準(zhǔn)則b.熱交換量大的匹配首先進(jìn)行。準(zhǔn)則c.優(yōu)先考慮直接熱集成。

2 工業(yè)實(shí)例應(yīng)用—乙烯裝置精餾塔序的熱集成

以某石化公司的乙烯裝置分離系統(tǒng)的塔系為例,采用本文所提出的模擬分析技術(shù)和啟發(fā)式方法相結(jié)合的方法對(duì)該乙烯裝置的塔系進(jìn)行熱集成。

該乙烯裝置分離系統(tǒng)的塔系是由脫甲烷塔(C1)、脫乙烷塔 (C2)、乙烯精餾塔 (C3)、脫丙烷塔 (C4 A&B)、脫丁烷塔 (C5)、丙烯精餾塔 (C6)、甲烷汽提塔 (C7)、液化氣再蒸餾塔(C8)、綠油吸收塔 (C9)9個(gè)塔組成,在系統(tǒng)中主要起分離物料中特定組分,以達(dá)到滿足下一步加工要求的作用。

表1列出了現(xiàn)行塔系的各項(xiàng)數(shù)據(jù),其中各塔冷凝器、再沸器的溫度和熱負(fù)荷都是通過(guò)Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬獲得。表2為各塔再沸器和冷凝器按溫位排序的結(jié)果。

依據(jù)步驟 (4)所示的3條熱集成規(guī)則,表3中的精餾塔系熱集成矩陣列出了所有可能的熱集成方案。

表1 現(xiàn)行精餾塔系的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics data of current distillation columns

表2 各塔再沸器和冷凝器溫位排序Tab.2 Order by temperature level of each reboiler and condenser

表3 精餾塔系熱集成矩陣Tab.3 Heat integration matrix of distillation columns

從熱集成矩陣可知,精餾塔系中部分精餾塔有可能實(shí)現(xiàn)直接熱集成,另外一部分有可能在適當(dāng)改變精餾塔操作壓力下實(shí)現(xiàn)熱集成?？赡艿臒峒煞桨溉缦滤?。

直接集成:

(1)C8塔頂冷凝器為C3塔底再沸器供熱。

(2)C4A&B塔頂冷凝器為C3塔底再沸器供熱。

(3)C2塔頂冷凝器為C3中間再沸器供熱。

調(diào)壓集成:

(1)提高C7塔壓,在可行狀況下為C4B供熱。

(2)提高C7塔壓,在可行狀況下為C6供熱。

(3)提高C2塔壓,在可行狀況下為C3供熱。

(4)C3塔底冷凝器溫度較低,在允許的情況下可以考慮提高塔壓,節(jié)省冷量。

通過(guò)應(yīng)用本文所提出的篩選可行且有效的熱集成方案的三條準(zhǔn)則,對(duì)由熱集成矩陣得到的直接熱集成方案進(jìn)行分析可知:方案 (2)比起方案 (1)而言,可獲得較大熱負(fù)荷回收量為574 4.86 kW。方案(3)可節(jié)約冷卻公用工程227 7.96 kW。因此,采用直接熱集成方案后共節(jié)約冷卻公用工程802 2.82 kW,占現(xiàn)行冷卻公用工程的 17.2%,同時(shí)節(jié)約加熱公用工程802 2.82 kW,占現(xiàn)行加熱公用工程的12.6%。

對(duì)于調(diào)壓方案,采用Aspen Plus模擬C7塔可知,當(dāng)塔壓達(dá)到最高設(shè)計(jì)壓力2.4 MPa時(shí),塔頂出料溫度為62.3℃,略高于C4B塔底再沸器59℃溫位,遠(yuǎn)高于C6塔底再沸器54℃溫位,故提壓方案 (1)不可行,而方案 (2)調(diào)壓可行且可回收的熱負(fù)荷量為646.2 kW;對(duì)于C2塔,當(dāng)塔壓達(dá)到最高設(shè)計(jì)壓力2.54 MPa時(shí),塔頂出料溫度-15.7℃,低于C3塔底再沸器-8.8℃溫位,提壓方案 (4)不可行;由于C3塔的冷凝器溫度較低,在允許的情況下可以考慮提高塔壓,節(jié)省冷量,采用ASPEN PLUS模擬得知,當(dāng)塔壓由1.9 MPa上調(diào)至 2.0 MPa,再到2.2 MPa過(guò)程中,塔頂、塔底溫度逐漸升高,而出料組成幾乎不變,乙烯產(chǎn)品濃度基本都在99.6%以上,可見(jiàn)調(diào)壓是可行的。當(dāng) C3塔提高壓力至2.1 MPa后可節(jié)省冷卻公用工程107.58 kW。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于模擬分析和啟發(fā)式方法相結(jié)合的精餾塔系熱集成方法,給出了采用該方法時(shí)的步驟,并將該方法應(yīng)用于某廠乙烯精餾塔系的熱集成當(dāng)中,獲得了該塔系可行且有效的熱集成方案。結(jié)果表明,采用直接熱集成和調(diào)壓熱集成方案后共節(jié)約冷卻公用工程877 6.6 kW,占現(xiàn)行冷卻公用工程的18.9%,同時(shí)節(jié)約加熱公用工程 877 6.6 kW,占現(xiàn)行加熱公用工程的13.8%。

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