氣分裝置丙烯塔操作分析與優(yōu)化

何曉旭

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北武漢，430080)

隨著油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，天然氣資源得到了充分的開發(fā)和利用，雖然民用液化氣的需求量大幅度減少，但是下游消費(fèi)領(lǐng)域的迅速發(fā)展同樣使液化氣的利用大幅增加，其中最為典型的就是以丙烯為原料生產(chǎn)聚丙烯等各類具有高附加值的化工產(chǎn)品[1]。因此某煉廠二次加工裝置所產(chǎn)生的富含丙烯、正丁烯、異丁烯、正丁烷和異丁烷等基礎(chǔ)化工原料的液化氣是非常寶貴的氣體資源。就目前我國能源結(jié)構(gòu)來說，充分利用液化氣資源以提高其加工深度，生產(chǎn)出聚合級丙烯、正丁烯、異丁烯等高附加值化工產(chǎn)品是十分重要的[2，3]。氣體分餾裝置就是通過物理分餾將液化氣各組分分離出來，得到高純度的丙烯、丙烷產(chǎn)品，為下游化工裝置提供合格原料的重要煉化裝置[4，5]。

我國氣分裝置一般選用包括脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔在內(nèi)的三塔流程或者添加一個(gè)碳四塔的四塔流程[6，7]。但是目前氣分裝置普遍存在丙烯回收率低、損失嚴(yán)重、分離效果差和產(chǎn)品純度不合格等問題。隨著丙烯產(chǎn)品的快速發(fā)展，丙烯回收率和產(chǎn)品純度成為氣體分餾裝置的重要評估參數(shù)[8，9]。對于大部分氣分裝置來說，丙烯塔的操作和控制是裝置平穩(wěn)生產(chǎn)合格產(chǎn)品的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵，因此，對丙烯塔的操作分析和優(yōu)化是十分必要的。

1 流程模擬

1.1 模擬流程的建立

流程穩(wěn)態(tài)模擬是研發(fā)最早、應(yīng)用最為普遍的一種過程系統(tǒng)模擬技術(shù)，在化工生產(chǎn)過程中長期用于新設(shè)備的設(shè)計(jì)、舊設(shè)備的改造、已有設(shè)備校核標(biāo)定、操作變量調(diào)優(yōu)和瓶頸突破分析等相關(guān)方面[10]。Aspen Plus是使用最為廣泛的流程模擬軟件之一，具有十分完善的數(shù)據(jù)庫，因此，本文選用Aspen Plus對丙烯塔進(jìn)行模擬，熱力學(xué)模型選用能夠同時(shí)應(yīng)用于極性和非極性的SRK狀態(tài)方程[11，12]。圖1是丙烯塔模擬流程圖，經(jīng)脫乙烷塔脫出乙烷氣體的丙烯和丙烷的混合物直接送入丙烯塔，經(jīng)過丙烯塔分離塔頂為丙烯產(chǎn)品，塔底為丙烷產(chǎn)品。

圖1 丙烯塔模擬流程圖

1.2 核算方式選擇

在Aspen Plus精餾塔模塊計(jì)算類型的選擇中有平衡級計(jì)算法(Equilibrium)和速率核算法(Rate-Based)，平衡級模型主要根據(jù)級效率、操作線和平衡線來確定組分濃度在塔板間的變化關(guān)系，在不規(guī)定塔板效率的情況下，默認(rèn)的塔板效率為100%，即離開每一塊塔板的氣相和液相都達(dá)到了平衡，因此這是一種理想模型，計(jì)算出的塔板數(shù)是理論塔板數(shù)，在不知道塔板效率的前提下并不適用于已有精餾塔的核算和優(yōu)化。

速率核算模型是根據(jù)傳質(zhì)速率和守恒方程來確定濃度分布，在計(jì)算過程中考慮到了氣液傳質(zhì)阻力的影響，因此更加適用于實(shí)際塔的模擬。表1是核算模型模擬結(jié)果和平衡模型模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況的對比，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)料條件、精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)、操作條件以及產(chǎn)品要求一樣的情況下，核算模型模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況相差不大，但是平衡模型模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況具有很大的差別。這是因?yàn)槟壳皻夥直┧乃逍瘦^低，通過模擬發(fā)現(xiàn)，在平衡模型下改變塔板效率，只有設(shè)定塔板效率為63%，模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果才較為相近。因此，為保證模擬結(jié)果的有效性，以下分析均基于核算模型模擬計(jì)算。

表1 不同模擬計(jì)算類型和實(shí)際生產(chǎn)情況對比

2 主要操作參數(shù)對分離的影響

2.1 塔頂壓力對分離的影響

圖2是丙烯塔再沸器負(fù)荷和塔頂壓力的關(guān)系圖，從圖2可知：丙烯塔塔底能耗隨著塔頂壓力的增大而上升的，這是因?yàn)楸┖捅榈南鄬]發(fā)度隨著壓力的升高而減小，提高了分離難度，為了達(dá)到相同的生產(chǎn)要求，就必須增大回流比，增加塔底熱源，整個(gè)精餾塔的能耗也就隨之增大。

圖2 塔頂壓力對能耗的影響

僅僅從塔底能耗分析，丙烯塔的操作壓力在滿足工藝條件的前提下應(yīng)該越低越好，但是在考查塔頂溫度和塔頂壓力的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著塔壓的降低塔頂溫度是逐步降低的，如圖3所示。理論上來說，溫度越低，能耗越小，但是生產(chǎn)過程中，塔頂冷凝器的冷卻介質(zhì)是循環(huán)水，如果塔頂溫度過低，則需要大量的循環(huán)水來進(jìn)行換熱甚至在夏天冷凝器將不能進(jìn)行正常的換熱，這直接影響到精餾塔的平穩(wěn)生產(chǎn)。綜合考慮循環(huán)水的用量以及塔底的節(jié)能，在丙烯塔的操作過程中可根據(jù)季節(jié)變化選用合適的操作壓力。

圖3 塔頂壓力對塔頂溫度的影響

2.2 進(jìn)料溫度對分離的影響

圖4是丙烯塔進(jìn)料溫度與再沸器負(fù)荷的關(guān)系圖，此時(shí)進(jìn)料壓力為2.5MPa，從圖4中可以看出，當(dāng)進(jìn)料溫度小于61℃以及溫度大于62℃的時(shí)候，能耗隨著溫度的上升有小幅度的下降，從61℃上升到62℃時(shí)，能耗下降很大，有明顯的拐點(diǎn)。進(jìn)一步分析進(jìn)料壓力以及進(jìn)料熱狀態(tài)，分析當(dāng)前進(jìn)料在不同壓力下的沸點(diǎn)，可知當(dāng)進(jìn)料壓力為2.5MPa時(shí)，流股沸點(diǎn)為61.3℃，所以當(dāng)進(jìn)料溫度從61℃變?yōu)?2℃時(shí)，進(jìn)料熱狀態(tài)發(fā)生了改變，完成了從液體進(jìn)料到蒸汽進(jìn)料的改變，如表2所示。對于實(shí)際生產(chǎn)來說，由于丙烯塔的進(jìn)料來源于脫乙烷塔底，無論是自壓還是由泵打入丙烯塔，進(jìn)料狀態(tài)總是液相，若單為節(jié)能考慮，可在進(jìn)料入口加入減壓閥改變進(jìn)料熱狀態(tài)，也可添加換熱器利用其他裝置多余的熱量進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)熱量集成。

圖4 進(jìn)料溫度對能耗的影響

表2 進(jìn)料溫度和壓力的關(guān)系

3 操作優(yōu)化

對于實(shí)際精餾塔，主要優(yōu)化目標(biāo)是通過改變操作參數(shù)使得完成一定生產(chǎn)任務(wù)時(shí)能耗最小。在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，丙烯塔可調(diào)節(jié)的變量有：操作壓力、進(jìn)料位置、回流、熱源和采出量。前面已經(jīng)分析了壓力對能耗的影響，此部分可根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況選用操作壓力1.58MPa，進(jìn)料溫度按目前實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)為52℃，在模擬過程中，因?yàn)槭欠€(wěn)態(tài)模擬，若保證相同的分離效果，熱源能耗和回流是統(tǒng)一的，回流量越大塔底負(fù)荷也越大，因此兩個(gè)變量分析一個(gè)即可。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在模擬中選用回流比來設(shè)計(jì)規(guī)定塔頂丙烯的純度為99.6%，用塔頂采出量來設(shè)計(jì)規(guī)定塔底丙烷產(chǎn)品中丙烯的濃度為3%，因此最終可直接優(yōu)化的變量只有進(jìn)料位置。

3.1 不同進(jìn)料量下的操作優(yōu)化

對表1中所示的進(jìn)料條件進(jìn)行進(jìn)料位置的優(yōu)化可以得出圖5的趨勢，如圖5所示：隨著進(jìn)料位置的增加，丙烯塔再沸器負(fù)荷是先減小后增大的，當(dāng)進(jìn)料位置在175塊塔板處時(shí)，能耗最小，因此該塔的最佳進(jìn)料位置應(yīng)在第175塊塔板處，但是根據(jù)3#氣分實(shí)際設(shè)計(jì)情況，已有的三個(gè)進(jìn)料位置分別位于第176塊塔板、180塊塔板、184塊塔板，它們都位于最優(yōu)點(diǎn)的右邊，因此在當(dāng)前進(jìn)料條件下結(jié)合實(shí)際情況最優(yōu)進(jìn)料位置為第176塊塔板。

圖5 進(jìn)料位置對能耗的影響

在生產(chǎn)操作過程中，丙烯塔的進(jìn)料流量會隨著整個(gè)氣分裝置處理量和進(jìn)料組成的改變而改變，在進(jìn)料中丙烯和丙烷的相對比例保持0.7∶0.3不變的前提下，本文根據(jù)生產(chǎn)要求，在生產(chǎn)負(fù)荷范圍內(nèi)重點(diǎn)選取了四種不同的進(jìn)料流量按照上述步驟分別分析優(yōu)化，最終的優(yōu)化結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出：在當(dāng)前的四種進(jìn)料流量下，最優(yōu)的進(jìn)料位置都在第176塊塔板上，但是最優(yōu)的回流比和塔的熱負(fù)荷各不相同，隨著進(jìn)料量的增大，為了維持產(chǎn)品純度，回流比增大，相應(yīng)的丙烯塔的熱負(fù)荷也越來越高。因此若塔底熱源有限，應(yīng)適當(dāng)減小裝置生產(chǎn)產(chǎn)量以降低丙烯塔的進(jìn)料量，以保證產(chǎn)品的合格。同時(shí)在生產(chǎn)過程中可參照表3中列出的最優(yōu)操作條件對操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)裝置的節(jié)能降耗。

表3 不同進(jìn)料流量的優(yōu)化結(jié)果

3.2 不同進(jìn)料組成下的操作優(yōu)化

同理，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，原料中的丙烯和丙烷的相對比值并不是一定的，因此本文也對相同流量不同進(jìn)料組成下的工況進(jìn)行了模擬優(yōu)化。在設(shè)計(jì)規(guī)定了產(chǎn)品純度后，可優(yōu)化的變量也僅為進(jìn)料位置。圖6是丙烯塔在丙烯/丙烷組成為0.75/0.25時(shí)塔底負(fù)荷與進(jìn)料位置的關(guān)系圖，如圖6所示：丙烯塔再沸器負(fù)荷隨著進(jìn)料位置的增加是先減小后增大的，最優(yōu)的進(jìn)料位置為166塊塔板，同樣的，在本裝置已有的進(jìn)料位置中選擇最為接近的第176塊塔板。同樣對其他進(jìn)料組成進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化結(jié)果列在表4中，由表4可知，在相同進(jìn)料量下，隨著進(jìn)料組成中丙烯含量增多，丙烯塔能耗增多大，但是回流比卻逐步減小。這是因?yàn)檫M(jìn)料中丙烯越多，分離越困難，且塔頂丙烯采出增多，雖然回流比減小，但是回流量是增大的，所以能耗是增大的。當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)過程中進(jìn)料組成發(fā)生波動時(shí)，可參考表4調(diào)節(jié)回流參數(shù)，保證產(chǎn)品回收率和純度，節(jié)約能耗。

圖6 進(jìn)料位置對能耗的影響

表4 不同進(jìn)料組成的優(yōu)化結(jié)果

4 總結(jié)

本文采用Aspen Plus流程模擬軟件通過選用合適的模塊計(jì)算方法和熱力學(xué)模型，建立了氣分裝置丙烯塔模型并完成模擬分析，模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為吻合。在此基礎(chǔ)上，通過分析操作壓力、進(jìn)料溫度主要參數(shù)對分離效果的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，建議綜合考慮循環(huán)水的用量以及塔底的節(jié)能，根據(jù)季節(jié)變化選用合適的操作壓力，進(jìn)料溫度可根據(jù)分析，添加換熱器利用其他裝置多余的熱量進(jìn)行換熱，提高進(jìn)料溫度，降低丙烯塔能耗，實(shí)現(xiàn)熱量集成。

同時(shí)，考察了回流比、進(jìn)料位置和采出量對熱負(fù)荷的影響，分析可知塔底負(fù)荷隨著進(jìn)料位置的增加都是先減小后增大的，因此在滿足塔頂丙烯純度99.6%，塔底丙烷產(chǎn)品中丙烯的濃度不大于3%的前提下，對不同進(jìn)料組成和進(jìn)料流量下的進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，使丙烯塔能耗最小，最終優(yōu)化結(jié)果用于指導(dǎo)裝置生產(chǎn)，為不同工況下丙烯塔的控制和調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)和優(yōu)化，降低裝置生產(chǎn)負(fù)荷。