碳五烷烴的分離工藝流程模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王瀟，王治紅

(西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

碳五餾分是指石油或其他重質(zhì)原料在裂解制乙烯過(guò)程中形成的副產(chǎn)物，含5個(gè)碳原子的沸點(diǎn)接近的烴類混合物[1-3]，其組成中有多種組分是比較重要的化工原料。而其中碳五烷烴組分中的異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷在燃料和化工基礎(chǔ)原料方面有很高的利用價(jià)值，目前對(duì)其混合物主要采用的精餾方式進(jìn)行分離。李茂軍等[4]對(duì)碳五分離中操作壓力參數(shù)對(duì)塔的熱負(fù)荷影響進(jìn)行模擬分析，張冬梅等[5]、王勃等[6]、潘旭明等[7]對(duì)碳五烷烴中出現(xiàn)的某一種主要產(chǎn)品所涉及的塔進(jìn)行模擬分析。文章通過(guò)Aspen Plus軟件[8]對(duì)碳五烷烴分離過(guò)程進(jìn)行模擬研究，擬定初始生產(chǎn)方案，再通過(guò)參數(shù)優(yōu)化確定最終生產(chǎn)方案，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)能起到一定指導(dǎo)作用。

1 分離裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 裝置規(guī)模

裝置設(shè)計(jì)為連續(xù)操作，選用乙烯裂解氣兩段加氫后的碳五烷烴為原料，設(shè)計(jì)處理碳五烷烴7.5萬(wàn)噸/年，裝置操作按8 000 h/a計(jì)，操作彈性60%～110%。

1.2 碳五烷烴原料組成及分離要求

碳五烷烴原料組分如表1所示。

表1 碳五烷烴原料組成

經(jīng)該裝置分離后，要求主要產(chǎn)品異戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%，正戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%，環(huán)戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95%，其余組分作為燃料氣和輕油，燃料氣中要求其碳五質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%。

1.3 分離初始方案設(shè)計(jì)

根據(jù)主要產(chǎn)品的含量及沸點(diǎn)差異，對(duì)原料中各主要組分按沸點(diǎn)由低到高的順序進(jìn)行切割，根據(jù)四種主要產(chǎn)品的分離要求，初步擬定采用四個(gè)精餾塔進(jìn)行分離，依次為脫碳四塔、異戊烷塔、正戊烷塔和環(huán)戊烷塔。碳五烷烴分離模擬流程圖如圖1所示。

圖1 碳五烷烴分離模擬流程圖

2 參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化

2.1 塔初值的模擬計(jì)算

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)要求，用DSTWU和RadFrac模型對(duì)各塔進(jìn)行了簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)和嚴(yán)格模擬，模擬時(shí)選用WILSON方法。

T101塔頂組分以正丁烷為輕關(guān)鍵組分，異戊烷為重關(guān)鍵組分，設(shè)計(jì)規(guī)定塔頂正丁烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93%，T102塔頂組分以異戊烷為輕關(guān)鍵組分，正戊烷為重關(guān)鍵組分，設(shè)計(jì)規(guī)定異戊烷的回收率達(dá)99.8%，T103塔頂組分以正戊烷為輕關(guān)鍵組分，環(huán)戊烷為重關(guān)鍵組分，設(shè)計(jì)規(guī)定正戊烷回收率達(dá)98.5%，T104塔頂組分以環(huán)戊烷為輕關(guān)鍵組分，2-甲基戊烷為重關(guān)鍵組分，設(shè)計(jì)規(guī)定環(huán)戊烷回收率在99%以上。簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。初步滿足各組分的分離要求。

表2 精餾塔簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模擬結(jié)果

將簡(jiǎn)捷模擬計(jì)算出來(lái)的參數(shù)應(yīng)用于塔的嚴(yán)格核算中，模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 精餾塔嚴(yán)格核算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算分析，T101塔頂碳五組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%，T102塔頂異戊烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%，T103塔頂正戊烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%，T104塔頂環(huán)戊烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)97.3%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 理論板與進(jìn)料位置的優(yōu)化

將簡(jiǎn)捷塔計(jì)算結(jié)果用嚴(yán)格塔核算時(shí)，雖然能滿足分離要求，但此時(shí)的操作參數(shù)不一定是最優(yōu)的。通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算的結(jié)果可以看出，T102、T103、T104三個(gè)塔所需的熱負(fù)荷較大，因而塔的公用工程費(fèi)用主要集中在這三個(gè)塔中，在滿足同樣的質(zhì)量要求時(shí)，盡可能地降低熱負(fù)荷，理論上提高效益。

塔板數(shù)和進(jìn)料位置關(guān)系到塔的分離效果、設(shè)備投資費(fèi)用以及后期建設(shè)難易程度，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要。以回流比為自變量，塔頂輕組分含量為因變量做設(shè)計(jì)規(guī)定，使用Aspen Plus的靈敏度分析功能研究各塔的理論板數(shù)和進(jìn)料位置對(duì)塔負(fù)荷的影響，其結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 T102不同進(jìn)料位置再沸器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

圖7 T104不同進(jìn)料位置冷凝器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

從圖2可以看出，隨著T102理論塔板數(shù)的增加，再沸器的熱負(fù)荷逐漸降低且趨于平緩，但理論板的增加意味著塔的投資費(fèi)用增加，從再沸器來(lái)分析，T102存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

從圖3可以看出，隨著T102理論塔板數(shù)的增加，冷凝器的熱負(fù)荷逐漸減少但趨于平緩，但理論板的增加意味著塔的制造費(fèi)用增加，從冷凝器來(lái)分析，T102存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

從圖4可以看出，隨著T103理論塔板數(shù)的增加，再沸器的熱負(fù)荷逐漸降低但變化趨勢(shì)不明顯。但理論板的增加意味著塔的制造費(fèi)用增加，而不同進(jìn)料位置對(duì)再沸器的影響較明顯。從再沸器來(lái)分析，T103存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

圖4 T103不同進(jìn)料位置再沸器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

從圖5可以看出，隨著T103理論塔板數(shù)的增加，冷凝器的熱負(fù)荷逐漸降低但變化趨勢(shì)不明顯，但理論板的增加意味著塔的制造費(fèi)用增加，而不同進(jìn)料位置對(duì)于冷凝器的影響較明顯，從冷凝器來(lái)分析，T103存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

圖5 T103不同進(jìn)料位置冷凝器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

從圖6可以看出，隨著T104理論塔板數(shù)的增加，再沸器的熱負(fù)荷逐漸降低但影響不太大，而不同進(jìn)料位置對(duì)于其熱負(fù)荷有一定影響，但理論板的增加意味著塔的制造費(fèi)用增加，從再沸器來(lái)分析，T104存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

圖6 T104不同進(jìn)料位置再沸器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

從圖7可以看出，隨著T104理論塔板數(shù)的增加，冷凝器的熱負(fù)荷逐漸降低但影響不太大，而不同進(jìn)料位置對(duì)于其熱負(fù)荷有一定影響，但理論板的增加意味著塔的制造費(fèi)用增加，從冷凝器來(lái)分析，T104存在最優(yōu)理論塔板數(shù)和最優(yōu)進(jìn)料位置。

綜上，從理論板和進(jìn)料位置的對(duì)塔熱負(fù)荷的影響來(lái)看，在最優(yōu)理論塔板數(shù)及最佳進(jìn)料料位置的情況下，塔的熱負(fù)荷減少，整體的操作費(fèi)用減少，但是考慮增加理論塔板數(shù)會(huì)造成塔的制造費(fèi)用增加，為使效益達(dá)到更佳。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，T102最優(yōu)理論塔板數(shù)可選擇92塊理論板，進(jìn)料位置在第45塊塔板位置，T103最優(yōu)理論塔板數(shù)可選擇57塊理論板，進(jìn)料位置第37塊塔板，T104最優(yōu)理論塔板數(shù)可選擇72塊理論板，進(jìn)料位置第48塊塔板，優(yōu)化前后三塔的公用工程消耗如表4所示。

從表4可以看出，優(yōu)化前，整體再沸器熱負(fù)荷6 957.52 kW，冷凝器熱負(fù)荷-7 146.8 kW，優(yōu)化調(diào)整后，整體再沸器熱負(fù)荷6 868.1 kW，每年節(jié)省蒸汽費(fèi)用18.40萬(wàn)元，冷凝器熱負(fù)荷-7 057.3 kW，每年節(jié)省冷卻水費(fèi)用9.82萬(wàn)元，且優(yōu)化后，正戊烷及環(huán)戊烷產(chǎn)品質(zhì)量有一定的提高。

表4 各塔優(yōu)化前后公用工程消耗表

2.3 工藝流程設(shè)計(jì)優(yōu)化

雖然上面對(duì)四塔工藝流程整體進(jìn)行了一定優(yōu)化，但考慮到原料組成中碳六重?zé)N總量較少，環(huán)戊烷與重?zé)N中關(guān)鍵組分2-甲基戊烷沸點(diǎn)相差較大，較容易分離，為節(jié)省投資，考慮將正戊烷塔與環(huán)戊烷塔合并為一塔脫重塔，塔頂餾出正戊烷，環(huán)戊烷由側(cè)線采出，塔底分出碳六重組分，工藝流程如圖8所示。

圖8 碳五烷烴分離模擬流程圖

采用嚴(yán)格核算模塊模擬脫重塔，部分值使用四塔工藝中的計(jì)算值作為初值，脫重塔塔內(nèi)環(huán)戊烷濃度分布圖如圖9所示。

圖9 環(huán)戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

從圖9可以看出，在第83塊塔板時(shí)環(huán)戊烷濃度達(dá)到最高值，擬選擇側(cè)線采出位置在第83塊塔板處，對(duì)采出位置對(duì)采出流股的環(huán)戊烷濃度及塔熱負(fù)荷的影響進(jìn)行靈敏度分析，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同采出位置對(duì)環(huán)戊烷濃度及塔熱負(fù)荷的影響

從圖10可以看出，側(cè)線采出位置在第60塊塔板時(shí)，環(huán)戊烷的濃度較高，且塔的整體熱負(fù)荷較低，綜合考慮，將側(cè)線采出位置設(shè)為第60塊塔板，其模擬結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，合并為一個(gè)塔后，在操作參數(shù)下，仍能滿足分離要求，塔的整體熱負(fù)荷增加，蒸汽費(fèi)用和冷卻水費(fèi)用加大，但節(jié)省了一個(gè)塔的投資費(fèi)用。此方案從操作上可行，但在建設(shè)時(shí)需要綜合考慮總投資以及成本承受力，合理選擇實(shí)施方案。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在考慮對(duì)原料進(jìn)行分離時(shí)，首先對(duì)原料組成進(jìn)行分析，形成初步設(shè)計(jì)方案后，利用Aspen Plus進(jìn)行塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)和嚴(yán)格核算，驗(yàn)證了方案的可行性。

(2)在滿足分離要求的情況下，在原方案不變的情況下，考慮操作費(fèi)用的問(wèn)題，根據(jù)初步結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化分析，確定了四塔流程異戊烷塔、正戊烷塔和環(huán)戊烷塔的塔板數(shù)分別為92、57和72塊，進(jìn)料板為第45、37和48塊塔板。

(3)在原方案優(yōu)化滿足條件后，根據(jù)實(shí)際情況可將正戊烷塔和環(huán)戊烷塔合并為一塔加側(cè)線采出的方式，減少一個(gè)塔的投資費(fèi)用，確定脫重塔的塔板數(shù)為90塊，進(jìn)料板為第45塊塔板，側(cè)線采出位置在第60塊塔板。

(4)在確定具體流程的時(shí)候，應(yīng)綜合考慮投資費(fèi)用、綜合費(fèi)用及產(chǎn)品質(zhì)量，以達(dá)到最優(yōu)的目的。