C5烷烴分離裝置基于節(jié)能技術(shù)的模擬研究

游新宇，石 青，陳少娜

(三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

隨著國內(nèi)乙烯產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)大，C5烷烴的綜合利用已經(jīng)成為石油企業(yè)需要重視的問題。由于C5餾分組分復(fù)雜且沸點(diǎn)相近，且各組分分離裝置相對復(fù)雜、能耗較高；故而考慮對現(xiàn)有的C5分離裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)從而降低項(xiàng)目成本，對于實(shí)現(xiàn)C5烷烴的工業(yè)化利用具有重要意義。

Aspen Plus模擬軟件是目前被廣泛使用的大型化工模擬軟件，支持對化工過程進(jìn)行仿真模擬和能耗及經(jīng)濟(jì)分析。本文利用Aspen Plus軟件對現(xiàn)有C5常規(guī)分離裝置進(jìn)行模擬和改進(jìn)，嘗試引入熱泵精餾、雙效精餾等重要節(jié)能工藝以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。最終模擬結(jié)果表明：改變分離過程壓力從而引入節(jié)能技術(shù)能較大程度的降低裝置能耗從而降低項(xiàng)目運(yùn)行成本，為企業(yè)進(jìn)行相關(guān)工藝設(shè)計(jì)工作提供了理論依據(jù)。

1 我國C5烷烴來源及資源利用現(xiàn)狀

C5烷烴來源：

目前國內(nèi)C5資源主要來源于石油煉化與催化裂化過程中副產(chǎn)的C5餾分。餾分是由20多種沸點(diǎn)相近的餾分組成[1]，主要以C5烷烴和烯烴為主；在分離掉高價(jià)值的異戊烯、異戊二烯等C5烯烴組分后，裝置抽余的組分一般為低價(jià)值的C5烷烴混合原料。

表1 C5烯烴分離裝置抽余后原料組成

C5烷烴資源利用現(xiàn)狀：

目前我國的裂解碳五絕大多數(shù)被直接用作燃料,僅有小部分用在化工方面:如不飽和聚醋改性、石油樹脂等精細(xì)化工品的生產(chǎn)及芳構(gòu)化原料等[2]，其中C5烷烴因其化學(xué)活性較低而難以被直接利用。隨著我國C5餾分資源的擴(kuò)大，今年來也開始逐漸加大對C5烷烴的研究，目前工藝技術(shù)發(fā)展較為成熟的有異構(gòu)化脫氫、正戊烷異構(gòu)化以及芳構(gòu)化技術(shù)等；相關(guān)下游產(chǎn)品如戊烷發(fā)泡劑等也不斷在進(jìn)行試驗(yàn)與小規(guī)模試產(chǎn)，C5烷烴生產(chǎn)下游產(chǎn)品的工業(yè)化進(jìn)程正逐漸加快。

2 兩種戊烷分離流程的過程模擬

流程模擬原料選擇某石油裂解裝置下游分離烯烴與脫不凝氣后75kt/a處理規(guī)模的C5烷烴原料，裝置年運(yùn)行時(shí)間約8000h，目前常規(guī)分離流程以四塔為主。根據(jù)市場上對產(chǎn)品純度的要求，在流程模擬時(shí)將各戊烷產(chǎn)品純度要求均規(guī)定在99%；在重組分中設(shè)計(jì)戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以下，避免產(chǎn)品組分的流失。

兩種流程下C5烷烴分離流程

常規(guī)分離貫序?yàn)楦鶕?jù)沸點(diǎn)高低依次對原料中各組分進(jìn)行分離，一般采用四塔串聯(lián)裝置，具體流程見圖1[3]。

圖1 按組分沸點(diǎn)由低到高依次分離流程

順序分離流程中四塔依次對不凝氣和C4輕組分、異戊烷、正戊烷、環(huán)戊烷實(shí)現(xiàn)精制分離。在通過過程模擬達(dá)到產(chǎn)品要求后，各精餾塔的工藝條件和參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 順序分離流程各塔工藝條件與參數(shù)

基于節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用考慮，可以將常規(guī)串聯(lián)流程變?yōu)橹虚g沸點(diǎn)切割后的雙塔并聯(lián)流程，此時(shí)各精餾塔的溫度組成利于后續(xù)進(jìn)行流程的節(jié)能改進(jìn)，新的分離流程和工藝參數(shù)及條件見下圖2和表3。

圖2 中間沸點(diǎn)切割雙塔并聯(lián)流程圖

表3 中間切割雙塔并聯(lián)流程各塔工藝條件與參數(shù)

兩種分離過程模擬結(jié)果對比

在對兩種分離流程的模擬結(jié)果進(jìn)行參數(shù)與工藝條件對比可知:兩種分離方案下裝置的投資和能耗較為接近，且都能達(dá)到基于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分離要求。

3 進(jìn)行熱泵與雙效精餾改進(jìn)后的模擬與節(jié)能對比

通過對分離裝置的分析可知：中間分離塔塔底再沸器溫度與環(huán)戊烷分離塔塔頂冷凝液溫度達(dá)到最小傳熱溫差以上，可應(yīng)用熱耦節(jié)能技術(shù)；同時(shí)正異戊烷分離塔塔頂與塔底溫度較為相近，可應(yīng)用熱泵節(jié)能技術(shù)對流程進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)后的分離裝置流程

在應(yīng)用兩種節(jié)能技術(shù)對原流程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后進(jìn)行過程模擬，在達(dá)到產(chǎn)品分離要求后得到的模擬流程與參數(shù)結(jié)果見圖3和表4。

圖3 應(yīng)用熱泵和熱耦合技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)后的流程圖

表4 改進(jìn)后的裝置工藝條件與參數(shù)

模擬結(jié)果及能耗對比

將進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)后的流程與常規(guī)串聯(lián)流程進(jìn)行設(shè)備參數(shù)和能耗對比，即可得知改進(jìn)后的分離裝置理論節(jié)能效果，具體能耗對比結(jié)果見表5。

表5 C5烷烴分離裝置節(jié)能改進(jìn)前后能耗對比

4 結(jié)語

本文利用Aspen Plus軟件對C5烷烴的兩種分離流程進(jìn)行了模擬和對比，并通過改變裝置壓力來使流程可應(yīng)用熱耦合和熱泵技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，同時(shí)我們對改進(jìn)后的流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬，模擬結(jié)果表明：在應(yīng)用中間分割兩塔串聯(lián)流程并進(jìn)行節(jié)能改造后的流程較常規(guī)流程相比降低了設(shè)備投資費(fèi)用，總能耗可降低約39.8%，具有較好的理論參考價(jià)值。