吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程及操作優(yōu)化

夏 勇，羅玉樹(shù)，李國(guó)慶

（華南理工大學(xué)強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640）

1 前 言

催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)主要由凝縮油罐、吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔、再吸收塔及相應(yīng)的換熱設(shè)備構(gòu)成，其作用是利用吸收和精餾的方法將來(lái)自主分餾塔的富氣和粗汽油分離成干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油［1－2］。目前，該系統(tǒng)主要存在兩大問(wèn)題：①干氣不干。通常干氣中C3＋液化氣組分體積分?jǐn)?shù)大于3%，使大量高價(jià)值液化氣組分被降質(zhì)為煉油廠(chǎng)加熱爐燃料；②能耗較高。主要表現(xiàn)為解吸塔再沸器熱負(fù)荷較高、1.0MPa蒸汽消耗多。本課題以現(xiàn)有典型流程和典型操作方案為基礎(chǔ)，從流程和操作兩方面入手，分析造成上述問(wèn)題的主要原因，并集成現(xiàn)有先進(jìn)研究成果，提出一個(gè)優(yōu)化的流程和操作方案，以整體解決上述問(wèn)題。

2 目前吸收穩(wěn)定系統(tǒng)典型工藝流程

某煉油廠(chǎng)1.2Mt/a催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝流程和操作方案見(jiàn)圖1，該流程也是目前吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的典型工藝流程。從圖1可以看出，解吸塔采用冷、熱兩股進(jìn)料并只設(shè)塔底再沸器，吸收塔用穩(wěn)定汽油作補(bǔ)充吸收劑，凝縮油罐操作溫度40℃，吸收塔塔頂操作溫度49℃。

3 影響干氣質(zhì)量的主要原因分析

3.1 吸收塔操作溫度

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中，吸收塔的作用是在一定壓力下以粗汽油和穩(wěn)定汽油即補(bǔ)充吸收劑作吸附劑，脫除富氣中的C3＋組分，得到相對(duì)“較干”的貧氣。由于吸收過(guò)程是放熱過(guò)程，因此，一定壓力下，吸收塔的操作溫度越低，其吸收效果越好［3］。以圖1方案為例，吸收塔塔頂溫度變化對(duì)貧氣中C3＋組分含量影響的模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，在1.33MPa的操作壓力下，吸收塔塔頂貧氣中C3＋組分含量隨吸收塔塔頂溫度的降低而降低，說(shuō)明為了“干氣變干”，吸收塔宜適當(dāng)降低操作溫度。C3＋組分的含量幾乎與塔頂溫度成線(xiàn)性單增關(guān)系，其回歸結(jié)果見(jiàn)式（1），方差為0.992 4。

y＝0.224 1x＋0.229 5 （1）

3.2 補(bǔ)充吸收劑的性質(zhì)

現(xiàn)有流程中，吸收塔的吸收劑是粗汽油和補(bǔ)充吸收劑即穩(wěn)定汽油，前者性質(zhì)由反應(yīng)－再生系統(tǒng)和主分餾塔確定，因此可變的只能是后者。以圖1方案為例，在一定流量、溫度和壓力的條件下，補(bǔ)充吸收劑平均相對(duì)分子質(zhì)量變化對(duì)再吸收塔塔頂干氣質(zhì)量影響的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，補(bǔ)充吸收劑平均相對(duì)分子質(zhì)量越小，組分越輕，即與C3＋組分越接近，其吸收效果越好，干氣越干。干氣中C3＋組分含量與補(bǔ)充吸收劑平均相對(duì)分子質(zhì)量成線(xiàn)性單增函數(shù)關(guān)系，其回歸結(jié)果見(jiàn)式（2），方差為0.995 7。說(shuō)明為了“干氣變干”，吸收塔宜采用較輕的穩(wěn)定汽油作補(bǔ)充吸收劑［4］。

圖1 目前吸收穩(wěn)定系統(tǒng)典型工藝流程和操作方案

圖2 吸收塔頂操作溫度與貧氣中C3＋組分含量的關(guān)系

圖3 補(bǔ)充吸收劑平均相對(duì)分子質(zhì)量與干氣中C3＋組分含量的關(guān)系

3.3 補(bǔ)充吸收劑和貧柴油流量

在一定條件下，提高補(bǔ)充吸收劑流量對(duì)改善吸收效果有利，但因此也會(huì)增加吸收塔的液相負(fù)荷，增加全系統(tǒng)穩(wěn)定汽油的循環(huán)量，使能耗增加。提高貧柴油流量，可以強(qiáng)化再吸收塔的吸收效果，但卻增加了主分餾塔的柴油循環(huán)量以及裝置的柴油冷卻負(fù)荷。由于進(jìn)入再吸收塔的貧氣流量較小，實(shí)際富柴油并未飽和，如單純提高貧油流量，效果將不會(huì)明顯。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，補(bǔ)充吸收劑和貧油流量宜控制在一定范圍內(nèi)，不能過(guò)多增加。

綜上分析可知，在一定操作壓力下，影響干氣質(zhì)量的主要因素是吸收塔操作溫度和補(bǔ)充吸收劑的性質(zhì)。為了改善干氣質(zhì)量，吸收塔宜適當(dāng)降低操作溫度，并宜用相對(duì)較輕的穩(wěn)定汽油作補(bǔ)充吸收劑。

4 影響能耗的主要原因分析

4.1 凝縮油罐操作溫度

凝縮油罐集合了富氣、解吸氣和吸收塔底油，并為吸收塔和解吸塔提供原料，因此是吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的中樞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作有著重要影響。當(dāng)操作溫度較低時(shí)，可強(qiáng)化吸收塔的吸收效果，改善干氣質(zhì)量，但因此也會(huì)提高凝縮油罐進(jìn)料的冷卻負(fù)荷和解吸塔的再沸器熱負(fù)荷，增加能耗；同時(shí)還會(huì)使得較多的C3、C4組分被帶入解吸塔，提高系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)量。由此可見(jiàn)，凝縮油罐不宜一味強(qiáng)調(diào)低溫操作，要綜合考慮對(duì)干氣質(zhì)量和能耗的影響。以圖1方案為例，凝縮油罐操作溫度對(duì)干氣質(zhì)量影響的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。凝縮油罐操作溫度變化對(duì)凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷和解吸塔再沸器熱負(fù)荷影響的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖4和圖5可以看出，凝縮油罐操作溫度對(duì)干氣質(zhì)量和系統(tǒng)能耗的影響程度不同，操作溫度從50℃降到40℃時(shí)，干氣中C3＋組分的體積分?jǐn)?shù)僅降低0.016百分點(diǎn)，而能耗卻增加1 148.84kW。說(shuō)明凝縮油罐操作溫度變化對(duì)干氣質(zhì)量影響并不明顯，但對(duì)能耗影響卻較大。綜合考慮，宜適當(dāng)提高凝縮油罐操作溫度。

圖4 凝縮油罐操作溫度與干氣中C3＋組分含量的關(guān)系

圖5 凝縮油罐操作溫度與凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷和解吸塔再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系●—罐前冷卻負(fù)荷；▲—解吸塔再沸器熱負(fù)荷

4.2 解吸塔進(jìn)料狀況

在現(xiàn)有流程中，解吸塔只設(shè)置塔底再沸器和實(shí)施冷、熱進(jìn)料。熱/冷進(jìn)料比高時(shí)，較多的熱量隨凝縮油被帶入，有利于降低解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷，但會(huì)增加解吸氣流量即系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)量，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生過(guò)解吸，不但加大貧氣中C3＋組分的攜帶，還會(huì)提高凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷以及吸收和解吸子系統(tǒng)的加工量，反過(guò)來(lái)增加系統(tǒng)能耗。熱/冷進(jìn)料比低時(shí)，解吸塔塔頂溫度較低，解吸氣量較少，有利于減少吸收和解吸子系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)量，對(duì)改善干氣質(zhì)量和降低凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷有利，但由于較少的熱量被帶入，會(huì)增加解吸塔塔底再沸器的熱負(fù)荷。

以圖1方案為例，熱/冷進(jìn)料比變化對(duì)解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷和凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷以及干氣質(zhì)量影響的模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖6和圖7。從圖6和圖7可以看出，熱/冷進(jìn)料比對(duì)能耗和干氣質(zhì)量的影響是矛盾的。熱/冷進(jìn)料比增加，干氣質(zhì)量變差，凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷增加，但解吸塔塔底再沸器負(fù)荷降低；反之亦然。為了平衡這個(gè)矛盾，優(yōu)化解吸塔操作，建議：①解吸塔停止熱進(jìn)料，采用全冷進(jìn)料；②在解吸塔中部設(shè)置中間再沸器，并用加熱脫乙烷汽油后的穩(wěn)定汽油作熱源。前者有利于提高干氣質(zhì)量，同時(shí)還可以避免冷、熱兩股進(jìn)料造成的解吸塔內(nèi)軸向返混、提高塔板分離效率［5－6］；后者可以彌補(bǔ)進(jìn)料熱量減少，有利于降低解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷，同時(shí)還可以平衡塔內(nèi)氣液相負(fù)荷分布?，F(xiàn)有吸收穩(wěn)定流程中，穩(wěn)定汽油加熱脫乙烷汽油以后一般用于發(fā)生熱水，或者利用循環(huán)水直接冷卻送出裝置。若將其作為中間再沸器熱源，將等熱值減少塔底再沸器1.0MPa蒸汽消耗，從而實(shí)現(xiàn)了自身能量的升級(jí)利用。

圖6 熱/冷進(jìn)料比對(duì)解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷和凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷的影響●—凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷；▲—解吸塔再沸器熱負(fù)荷

圖7 熱/冷進(jìn)料比與干氣中C3＋組分含量的關(guān)系

5 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)流程和操作方案

5.1 吸收塔流程和操作優(yōu)化

降低吸收塔操作溫度和補(bǔ)充吸收劑平均相對(duì)分子質(zhì)量可以有效改善吸收塔的吸收效果。為此，采用溴化鋰熱水制冷機(jī)組發(fā)生的10℃冷水作冷卻劑，分別將吸收塔中段回流、補(bǔ)充吸收劑和粗汽油冷卻到20℃進(jìn)吸收塔，以保證塔頂溫度不高于35℃；從穩(wěn)定塔底上數(shù)約第5塊實(shí)際板處，抽出一股側(cè)線(xiàn)輕汽油代替塔底穩(wěn)定汽油作吸收塔補(bǔ)充吸收劑，其相對(duì)分子質(zhì)量較小，性質(zhì)與富氣中C3＋組分接近，吸收效果將更好。

吸收塔進(jìn)料冷卻可以設(shè)計(jì)三個(gè)方案：①只冷卻中段回流。該方案可利舊原循環(huán)水冷卻改走10℃冷水，不需增加設(shè)備，但吸收塔溫度下降不太明顯。②冷卻中段回流和補(bǔ)充吸收劑。該方案吸收塔溫度下降較大，但需新增1臺(tái)冷水冷卻器，把來(lái)自循環(huán)水冷卻的補(bǔ)充吸收劑從40℃冷卻到20℃。③同時(shí)冷卻中段回流、補(bǔ)充吸收劑和粗汽油。該方案能最大限度降低吸收塔溫度，但需增加2臺(tái)冷水冷卻器，分別把來(lái)自循環(huán)水冷卻的補(bǔ)充吸收劑和粗汽油從40℃冷卻到20℃。三種吸收塔進(jìn)料冷卻方案與原方案（圖1）的對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出，與方案1相比，方案3吸收塔塔頂溫度下降明顯，較方案1低13.5℃；干氣中C3＋組分體積分?jǐn)?shù)降低28.84百分點(diǎn)。而涼水冷卻負(fù)荷增加并不多，只有330kW，因此建議吸收塔進(jìn)料冷卻采用只冷卻中段回流的方案3。

表1 吸收塔進(jìn)料冷卻方案對(duì)比

與方案3配套的溴化鋁熱水制冷機(jī)組的操作情況見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，機(jī)組分別消耗95℃熱水和循環(huán)冷卻水119.6t/h和532.2t/h，產(chǎn)生10℃冷水139.9t/h，為吸收塔提供冷量1 653 kW。隨著節(jié)能工作的深入，熱水制冷工藝在煉油廠(chǎng)將逐步被采用，對(duì)實(shí)現(xiàn)低溫余熱升級(jí)利用，平衡夏季熱水負(fù)荷起到重要作用。

圖8 與方案3配套的溴化鋁熱水制冷機(jī)組情況

5.2 凝縮油罐操作優(yōu)化

綜合考慮能耗和干氣質(zhì)量，凝縮油罐宜在較高溫度下操作。通過(guò)各種溫度的對(duì)比，認(rèn)為50℃為宜。此時(shí)，凝縮油罐進(jìn)料冷卻負(fù)荷降低23.7%，解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷降低3.4%，而吸收塔吸收效果并未惡化。

5.3 解吸塔流程和操作優(yōu)化

在典型流程基礎(chǔ)上，關(guān)停解吸塔熱進(jìn)料、只開(kāi)冷進(jìn)料，同時(shí)增設(shè)中間再沸器。為了平衡塔內(nèi)氣液相負(fù)荷分布，多用穩(wěn)定汽油熱量，建議新增中段回流，以第7～8塊理論板抽出、第8～9塊理論板返回較宜，對(duì)應(yīng)的抽出溫度70～80℃，返塔溫度85～95℃，其熱負(fù)荷約占全塔總補(bǔ)熱量的40%，可起到充分減少塔底再沸器熱負(fù)荷的作用。

5.4 穩(wěn)定塔流程優(yōu)化

為了優(yōu)化吸收效果，宜在穩(wěn)定塔下部采出一股輕汽油，代替原塔底穩(wěn)定汽油作吸收塔補(bǔ)充吸收劑。鑒于穩(wěn)定塔結(jié)構(gòu)和輕汽油對(duì)富氣的吸收性能對(duì)比，建議輕汽油抽出口位置以從塔底上數(shù)第5塊實(shí)際板為宜；同時(shí)抽出量不應(yīng)大于原穩(wěn)定汽油補(bǔ)充吸收劑量。相比原流程，改進(jìn)后的流程較復(fù)雜：多一個(gè)抽出口、多1臺(tái)泵、多1臺(tái)輕汽油一次換熱器。建議輕汽油作為解吸塔中間再沸器熱源，與穩(wěn)定汽油中間再沸器一起雙掛，或加熱脫乙烷汽油1次。

5.5 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)流程和操作方案

綜上分析，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)流程和操作方案見(jiàn)圖9。改進(jìn)流程中，凝縮油罐操作溫度為50℃；吸收塔中段回流、粗汽油和補(bǔ)充吸收劑均為20℃進(jìn)塔，總冷水冷卻負(fù)荷為1 653kW，吸收塔塔頂操作溫度為26.9℃；解吸塔只開(kāi)冷進(jìn)料，并布置位于同一抽出和返回位置的兩個(gè)雙掛中間再沸器。其一用輕汽油（150.7℃、25t/h）作熱源，提供熱量1 144kW；其二用加熱完脫乙烷汽油的穩(wěn)定汽油（133℃、70.23t/h）作熱源，提供熱量2 141kW?；亓鲝?塊理論板抽出（77℃）、從8塊理論板返回（99℃），取得熱量3 285kW，因此降低塔底再沸器熱負(fù)荷2 432kW，降低41.9%；在穩(wěn)定塔塔底第5塊實(shí)際板處新增輕汽油抽出口，150.7℃的25t/h輕汽油被抽出，其平均相對(duì)分子質(zhì)量為82.8，較原塔底穩(wěn)定汽油低14.1%；輕汽油經(jīng)換熱、冷卻后進(jìn)吸收塔。同時(shí)，原塔底穩(wěn)定汽油抽出量從95.2t/h降低到70.2t/h，只作產(chǎn)品，換熱流程不變。調(diào)整過(guò)程中，各塔操作壓力均保持不變。

圖9 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)流程和操作方案

6 改進(jìn)流程和操作方案的效果分析

6.1 干氣質(zhì)量

流程及操作方案改進(jìn)前后的干氣質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出：改進(jìn)后，干氣中丙烯的體積分?jǐn)?shù)由2.070%下降到1.254%，降低39.4%；C3＋組分的總體積分?jǐn)?shù)由3.148%下降到1.823%，降低42.09%。

表2 流程及操作改進(jìn)前后干氣質(zhì)量對(duì)比

6.2 能 耗

流程及操作方案改進(jìn)前后的主要能耗指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可以看出，改進(jìn)后，解吸塔塔底再沸器熱負(fù)荷降低2 432kW，降幅達(dá)41.9%；穩(wěn)定塔再沸器由于塔底汽油量減少，不能將脫乙烷汽油加熱到原來(lái)的溫度進(jìn)塔，負(fù)荷只增加160kW，增幅僅2.4%。綜合考慮兩個(gè)再沸器熱源的能級(jí)差別，系統(tǒng)總節(jié)能率達(dá)17%，相當(dāng)于解吸塔底再沸器減少1.0MPa蒸汽消耗約2.2t/h。按蒸汽單價(jià)200元/t計(jì)，節(jié)能效益達(dá)369.6萬(wàn)元/a。

另外，改進(jìn)流程溴化鋁熱水制冷機(jī)組需提供冷量1 653kW，為此增加循環(huán)冷卻水消耗約540t/h（循環(huán)水傳熱溫差取6℃）；但凝縮油罐由于提溫操作，進(jìn)料冷卻負(fù)荷減少1 782kW（改進(jìn)前后分別為3 814kW和2 032kW），吸收塔中段回流停循環(huán)水冷卻（原冷卻負(fù)荷599kW），兩者合并少用循環(huán)水341t/h。兩者相抵，改進(jìn)流程只多用循環(huán)水199t/h，按單價(jià)0.2元/t計(jì)算，僅增加成本33.4萬(wàn)元/a。

表3 流程及操作方案改進(jìn)前后主要能耗指標(biāo)對(duì)比

6.3 物料平衡

對(duì)比圖1和圖9可以看出，改進(jìn)后干氣流量由4.71t/h下降到4.45t/h，下降5.52%，因此等值提高了液化氣的產(chǎn)量。按干氣和液化氣差價(jià)2 000元/t計(jì)算，增加效益436.8萬(wàn)元/a。

6.4 效 益

改進(jìn)流程需要增加1臺(tái)換熱器（輕汽油/中段再沸）及1套熱水溴化鋰制冷機(jī)組，按照改進(jìn)方案估計(jì)設(shè)備及安裝一次性投資440萬(wàn)元。折舊時(shí)間記為10年，綜合能耗和循環(huán)水耗及新增設(shè)備操作和折舊費(fèi)用，改進(jìn)流程及操作方案累計(jì)增加效益約700萬(wàn)元/a。

7 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有吸收穩(wěn)定系統(tǒng)干氣中C3＋組分?jǐn)y帶嚴(yán)重和能耗較高的問(wèn)題提出了改進(jìn)的操作方案，即：降低吸收塔操作溫度和使用穩(wěn)定塔側(cè)線(xiàn)輕汽油作補(bǔ)充吸收劑以改善吸收效果；提高凝縮油罐操作溫度到50℃；解吸塔采用全冷進(jìn)料操作，并設(shè)置兩個(gè)中間再沸器，分別以穩(wěn)定汽油和輕汽油作熱源，塔底再沸器熱負(fù)荷降幅達(dá)41.9%；實(shí)例對(duì)比分析表明，改進(jìn)流程及操作方案可使干氣中C3＋組分體積分?jǐn)?shù)降低42.09%，裝置能耗降低17%，實(shí)現(xiàn)總效益700萬(wàn)元/年。

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