進(jìn)料溫度提高在塔分離系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

吳玲瓏

（中國石油化工股份有限公司長嶺分公司，湖南岳陽 414012）

煉化工藝裝置最核心的部分是反應(yīng)系統(tǒng)及蒸餾塔系統(tǒng)，其它裝置均圍繞這兩個系統(tǒng)運行。反應(yīng)系統(tǒng)是將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品，而蒸餾塔系統(tǒng)則是將反應(yīng)產(chǎn)物中的目標(biāo)產(chǎn)品分離出來。蒸餾塔系統(tǒng)在分離過程所耗投資和操作費用占40%～70%，其中蒸餾過程占能耗費用60%[1]，因此分餾是占總能耗最大的化工分離過程。待分離物料中的分子量相差越小，其分離過程能耗越高。優(yōu)化蒸餾塔系統(tǒng)工藝，提升蒸餾塔過程能效，是煉化企業(yè)節(jié)能降碳工作中最為重要的組成部分。

煉化裝置中，能耗占比較大的分離設(shè)備是起蒸餾作用的分餾塔，其顯著的特點是分離輕重?zé)N組分，用能溫位高（加熱爐供熱），產(chǎn)品的低溫?zé)釡匚灰哺?，充分利用好分餾塔的低溫?zé)?，使熱量能夠進(jìn)行二次甚至三次利用，是提高能效的最有效手段[2]。塔分離系統(tǒng)節(jié)能可采用調(diào)整工藝參數(shù)、熱集成技術(shù)、設(shè)備優(yōu)化等途徑[3]，調(diào)整工藝參數(shù)中提高進(jìn)料溫度是最常見的節(jié)能手段，可進(jìn)行深入研究。

1 提高塔進(jìn)料溫度的常見技術(shù)

傳統(tǒng)分餾塔的典型流程如圖1 所示，塔分餾熱量來源于塔底再沸器和塔進(jìn)料。塔頂?shù)臍庀喈a(chǎn)品和塔底的液相產(chǎn)品均通過空冷器和水冷器冷卻，塔頂和塔底熱量均未得到利用，且塔之間未進(jìn)行熱聯(lián)合，導(dǎo)致塔系統(tǒng)能耗較高，不利于節(jié)能。

圖1 傳統(tǒng)分餾塔流程

常規(guī)的熱源來自于塔系統(tǒng)本身、塔附屬設(shè)備熱量、裝置內(nèi)換熱以及裝置間熱集成。節(jié)能原則通常是利用能級最低的能源介質(zhì)替換高能級介質(zhì)，如以低溫?zé)崽娲羝缘偷燃壵羝娲叩燃壵羝蛘呷剂蠚?。相比于塔底，提高塔進(jìn)料溫度可采用低能級介質(zhì)置換高能級介質(zhì)，實現(xiàn)能源梯級利用。

1.1 提高塔進(jìn)料溫度的方法

塔系統(tǒng)能夠提供的熱源主要是塔頂汽化產(chǎn)品的相變熱、塔底產(chǎn)品高溫位余熱、附屬設(shè)備余熱。利用塔系統(tǒng)的熱量加熱進(jìn)料投資少見效快，也便于操作調(diào)整，因此被廣泛使用。

（1）塔底產(chǎn)品與進(jìn)料換熱

利用塔底產(chǎn)品與進(jìn)料換熱從而提高進(jìn)料溫度的方式較為常見，如圖2 所示，通過增設(shè)塔進(jìn)料換熱器，利用塔底物料加熱塔進(jìn)料，提高進(jìn)料溫度。這對于塔底產(chǎn)品占大多數(shù)的分離塔具有良好的效果，能夠充分利用塔自身熱量。

圖2 塔底產(chǎn)品于塔進(jìn)料換熱

（2）塔頂產(chǎn)品熱量回收

當(dāng)塔頂產(chǎn)品的量較大時，通過增設(shè)換熱器將塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料換熱以提升進(jìn)料溫度，進(jìn)而減少塔系統(tǒng)消耗的外部輸入熱負(fù)荷，如圖3 所示，通過在塔頂增設(shè)，利用塔頂氣加熱塔進(jìn)料。如重整裝置預(yù)加氫的分餾塔，可以利用預(yù)分餾塔的塔頂相變熱提升塔的進(jìn)料溫度，不僅可以避免塔頂余熱的浪費，同時能夠?qū)⑦@部分熱量提升進(jìn)料溫度，減少塔底再沸器的蒸汽消耗。

圖3 塔頂產(chǎn)品與塔進(jìn)料換熱

（3）塔系統(tǒng)的附屬設(shè)備熱源

當(dāng)塔底采用蒸汽作為熱源時，由于再沸器主要是利用蒸汽的相變熱，因此凝結(jié)水仍具有相當(dāng)高的溫位可以進(jìn)一步利用。常規(guī)處理方法是將凝結(jié)水閃蒸降壓后用空冷器冷卻氣相蒸汽的方式將溫度降至100 ℃以下后送出裝置。如某MTBE裝置采用凝結(jié)水加熱催化蒸餾塔的進(jìn)料，溫度可由65 ℃提高至75 ℃左右；某烷基化裝置的脫異丁烷塔利用裝置內(nèi)的凝結(jié)水加熱進(jìn)料，這兩種方式都屬于常見的提高進(jìn)料溫度的措施。同時利用凝結(jié)水和塔底產(chǎn)品熱量進(jìn)行換熱，流程如圖4所示，可顯著提高進(jìn)料溫度。

圖4 凝結(jié)水和塔底產(chǎn)品熱量提高塔進(jìn)料溫度

1.2 利用塔外部熱源進(jìn)行熱集成提高進(jìn)料溫度

目前煉化企業(yè)逐漸開展了熱集成，使用熱媒水、裝置間熱集成已經(jīng)較為普遍，這些熱量均可用于提高塔的進(jìn)料溫度，采用外部熱媒水加熱塔進(jìn)料是常見的加熱方式，如圖5 所示。在乙烯裝置中回收急冷水塔的熱量，將急冷水塔的熱量用于乙烯裝置內(nèi)部分餾塔的進(jìn)料加熱。或者利用裝置熱集成，利用外部熱源來加熱裝置的進(jìn)料溫度，如某煉廠采用S-zorb裝置熱量加熱溶劑再生裝置進(jìn)料，進(jìn)料溫度提高至105 ℃左右，顯著減少塔底蒸汽的消耗。如圖6所示。

圖5 熱媒水提高塔進(jìn)料溫度

圖6 裝置間熱聯(lián)合提高塔進(jìn)料溫度

當(dāng)多個塔在一起進(jìn)行分離時，可以對多塔進(jìn)行耦合，從而提升進(jìn)料溫度，即利用某一個塔的塔頂熱量加熱另外一個塔的進(jìn)料。同樣可以達(dá)到回收塔頂氣余熱，并減少另外塔的塔底蒸汽消耗的目的，如圖7所示。

圖7 多塔熱耦合提高塔進(jìn)料溫度

2 最佳進(jìn)料狀態(tài)的優(yōu)化

進(jìn)料狀態(tài)對塔熱平衡有一定影響，不同的進(jìn)料熱狀態(tài)會有不同的塔內(nèi)氣液相流率，會影響最小回流比，進(jìn)而影響分離效果及塔頂、塔底的冷熱負(fù)荷。進(jìn)料熱狀態(tài)的變化會影響蒸餾過程的投資和操作費用，因此與塔系統(tǒng)優(yōu)化有直接的關(guān)系。

一般塔的進(jìn)料可以分為以下幾種狀態(tài)：過冷液體（進(jìn)料熱狀況系數(shù)q ＞1）、泡點（q ＝1）、氣液混合（0 ＜q ＜1）、露點（q ＝0）和過熱氣體（q＜0）。通常按照塔進(jìn)料的泡點溫度進(jìn)行設(shè)計，但實際上對于不同體系的蒸餾塔，泡點進(jìn)料不一定是最佳的進(jìn)料狀態(tài)。按照塔頂和塔底產(chǎn)品物料比例可將分餾塔分為兩類，一類是塔頂產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，另一類是塔底產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，不同的類型對進(jìn)料溫度的要求并不一致。

2.1 塔底產(chǎn)品占主要比例

對于塔底產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進(jìn)料氣化率對塔底再沸器熱負(fù)荷影響十分顯著。隨氣化率上升，再沸器熱負(fù)荷不斷下降，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷逐漸上升。以某進(jìn)料量為15 t/h 酸性水汽提裝置為例，進(jìn)料溫度對塔頂和塔底熱負(fù)荷有顯著影響，進(jìn)料的泡點溫度為124 ℃，進(jìn)料中H2S和NH3的摩爾分率均按照1.2%進(jìn)行考慮。進(jìn)料的壓力為0.23 MPaG，塔底凈化水要求氨氮含量小于50 mg/kg。塔底產(chǎn)品和進(jìn)料的比值D/F ＝0.97，屬于典型的塔底產(chǎn)品占比大的分離過程。

如圖8 所示，利用流程模擬軟件，在進(jìn)料位置不變，限定塔底酸性水中NH3和H2S 含量一定的情況下，通過改變進(jìn)料溫度進(jìn)行工況分析，得出塔底加熱和塔頂冷負(fù)荷的變化。

圖8 酸性水汽提裝置進(jìn)料溫度提升對冷熱負(fù)荷的影響

從圖中可以看出，隨著進(jìn)料溫度提高，塔底再沸器熱負(fù)荷下降，110℃以后塔底蒸汽負(fù)荷降幅趨緩，但塔頂冷凝熱負(fù)荷仍呈線性增加。因此，隨著塔進(jìn)料溫度提升，能夠減少塔底蒸汽負(fù)荷，從而減少操作成本，但隨著帶來的塔頂冷負(fù)荷增加的操作成本也應(yīng)該一起考慮。

提高進(jìn)料溫度的效益V如式（1）所示。

式中：Fs為蒸汽流量，t/h；X為蒸汽價格，元/噸；Fc為塔頂循環(huán)水量，t/h；Y為塔頂循環(huán)水價格，元/噸。

按照0.4 MPaG 蒸汽價格為160 元/噸，循環(huán)水價格為0.21 元/噸，公式（1）可簡化為V ＝160×△FS－0.21×△FC。從圖中選取典型數(shù)值進(jìn)行簡單的成本測算，結(jié)果如表1所示。

表1 酸性水汽提塔熱負(fù)荷及費用

從表1 可以看到，隨著溫度升高，塔底操作費用不斷減少，塔頂操作費用相應(yīng)增加。

操作費用變化見表2。從表2 可以看出，塔底操作費用隨著進(jìn)料溫度的提升下降趨勢減緩，塔頂操作費用增加的趨勢加快，總操作費用減少的趨勢逐漸減緩，這表明節(jié)能效益隨進(jìn)料溫度的提升而減少，但是減小的趨勢逐漸減緩。因此進(jìn)料溫度的提高有利于降低能耗，但是超過某一個區(qū)間，塔頂冷卻系統(tǒng)的冷負(fù)荷增量超過塔底熱負(fù)荷節(jié)約量。由于蒸汽價格與循環(huán)水價格存在較大差異，因此塔進(jìn)料超過泡點溫度以后，塔底產(chǎn)生的節(jié)能效益遠(yuǎn)超塔頂冷負(fù)荷升高引起的操作費用的增加，仍具節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。因此對于塔底產(chǎn)品為主的分離塔，雖然泡點進(jìn)料或過冷態(tài)進(jìn)料對于塔的冷熱負(fù)荷有利，但當(dāng)塔頂冷卻介質(zhì)的價格較低時，進(jìn)料溫度超過泡點溫度以后，仍具有節(jié)能效益。

表2 酸性變化水汽提塔操作費用

2.2 塔頂產(chǎn)品占主要比例

以脫丁烷塔為例，操作壓力1.1 MPaG，進(jìn)料量4 977 kg/h，塔頂液化氣和低分氣的流量之和為3 039 kg/h，塔頂產(chǎn)品和進(jìn)料的比值D/F＝0.61，塔頂產(chǎn)品占主要比例。進(jìn)料的泡點溫度51 ℃，露點溫度91 ℃。

利用流程模擬軟件，塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品的分離精度不變，通過改變進(jìn)料溫度進(jìn)行不同工況的分析，進(jìn)料溫度對冷熱負(fù)荷的影響如圖9所示。

圖9 脫丁烷塔進(jìn)料溫度對塔頂和塔底熱負(fù)荷的影響

從圖9 可以看出，隨著進(jìn)料溫度的提升，當(dāng)物料在泡點進(jìn)料時，再沸器負(fù)荷下降趨勢加快，塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷增速緩慢；物料在露點進(jìn)料時，塔底再沸器負(fù)荷的降低趨勢減緩，塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷增長明顯。用公式（1）計算進(jìn)料溫度變化對塔頂和塔底操作費用的影響，如表3所示。

表3 脫丁烷塔負(fù)荷及費用

從上表可以看出，隨著溫度升高，塔底操作費用減少，塔頂?shù)牟僮髻M用不斷升高[4]。

脫丁烷塔操作費用變化見表4。隨著進(jìn)料溫度的提升，在泡點進(jìn)料之前，隨著溫度的提高塔底再沸器操作費用下降趨勢不明顯，當(dāng)進(jìn)料溫度超過泡點，操作費用下降趨勢較明顯；但是當(dāng)進(jìn)料溫度達(dá)到露點溫度時，操作費用的下降逐漸減緩。同樣，塔頂操作費用增加的趨勢與塔底相反，雖然呈同步反向趨勢，但是塔底操作費用的減小量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塔頂?shù)脑黾恿浚@是由于蒸汽和循環(huán)水的價格差值所決定的。當(dāng)塔頂產(chǎn)品占主要比例時，根據(jù)操作費用的變化，超過泡點以后仍具有一定的節(jié)能效益。超過泡點以后繼續(xù)提升進(jìn)料溫度，存在的問題是所需要的能源介質(zhì)可能與塔底的能源介質(zhì)一致，此時利用能級相同的介質(zhì)加熱進(jìn)料溫度時已經(jīng)不適宜。

表4 脫丁烷塔操作費用變化

根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)進(jìn)料溫度為露點時操作費用比較節(jié)省，同時對降低蒸餾塔的能耗具有良好的效果，因此當(dāng)蒸餾塔進(jìn)料來自前一塔的塔頂采出，且該蒸餾塔頂出料占主要比例時，則可以采取如圖10所示的流程。

圖10 雙塔分離中的過熱進(jìn)料流程

原有T1 塔的塔頂物料經(jīng)冷卻后，一部分作為T1 塔的回流，另一部分作為T2 進(jìn)料（流程如虛線所示）。當(dāng)T2塔的操作壓力高于T1塔時，一部分需要作為回流的氣相冷卻成為液相后仍作為T1塔的回流液，另一部分塔頂氣可利用壓縮機(jī)M1 來壓縮提升壓力，提升壓力以后直接以氣相的過熱態(tài)進(jìn)入T2塔。這樣不僅減少了T1 塔的塔頂冷卻負(fù)荷，并且保持T2 塔之前的進(jìn)料在露點之上的過熱態(tài)，T2 塔底的加熱負(fù)荷顯著減少。該流程僅需要利用壓縮機(jī)的電耗來避免兩塔之間的壓力差，相當(dāng)于利用電能換取較高能級的能源介質(zhì)。當(dāng)T1塔的操作壓力高于T2塔，可以直接做到氣相進(jìn)料，在不需要壓縮機(jī)的情況下，兩塔之間的能耗盡可能減少。

3 結(jié)論

煉化企業(yè)節(jié)能降碳新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的簡單優(yōu)化仍有潛力可挖掘。不同塔系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)料溫度的選取仍具可優(yōu)化空間。

當(dāng)蒸餾塔塔底出料占主要比例，隨著進(jìn)料溫度的提升，塔頂冷凝負(fù)荷增加較快，塔底再沸器的加熱負(fù)荷減少較慢，此時進(jìn)料溫度的提升對于塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷更加敏感，但是當(dāng)塔頂?shù)睦鋮s能源介質(zhì)與塔底加熱能源介質(zhì)價差很大時，即使超過泡點溫度，仍具有一定的節(jié)能效益。

當(dāng)蒸餾塔的塔頂出料占主要比例，進(jìn)料溫度的提升對于塔底再沸器的熱負(fù)荷減少的趨勢比較明顯，而塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷增加的速率趨勢沒有塔底的趨勢明顯。當(dāng)塔頂?shù)睦鋮s能源介質(zhì)與塔底的加熱能源介質(zhì)的價格有很大差價時，即使塔頂冷卻負(fù)荷增加，但是仍具有一定的節(jié)能效益。同時對于當(dāng)蒸餾塔進(jìn)料來自前一塔的塔頂采出，且該蒸餾塔的塔頂出料占主要比例時，則上游塔的塔頂采出以氣相為宜，而不應(yīng)取泡點出料，這樣前后兩個塔都可以節(jié)省能耗。