溶劑油生產(chǎn)兩塔分餾單元的建模與應(yīng)用

吳文波

（上海高橋愛思開溶劑有限公司，上海 200137）

溶劑油作為5大類石油產(chǎn)品之一[1]，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，涉及衣食住行的方方面面。無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，溶劑油產(chǎn)品都發(fā)揮著越來越重要的作用，例如在食用油加工、印刷油墨、皮革、農(nóng)藥、橡膠、化工聚合、醫(yī)藥以及IC電子部件、精細(xì)儀器部件的清洗等諸多方面都有著廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)在市場(chǎng)上銷售的溶劑油產(chǎn)品多達(dá)200多種[2]。

目前，國(guó)外溶劑油產(chǎn)家主要有荷蘭殼牌石油公司、美國(guó)埃克森美孚、韓國(guó)SK株式會(huì)社、法國(guó)道達(dá)爾等，國(guó)內(nèi)溶劑油產(chǎn)家主要有清江石化、滄州煉油、高橋SK、荊門石化等。溶劑油生產(chǎn)的原料主要有催化重整抽余油、油田穩(wěn)定輕烴、直餾汽油、煤油、柴油或加氫裂化柴油、煤油等餾分油。生產(chǎn)工藝主要有分餾和加氫兩大塊組成，在先后次序上，有的采用先分餾后加氫的生產(chǎn)工藝，有的采用先加氫后分餾的生產(chǎn)工藝。由于溶劑油生產(chǎn)裝置不同于一般的石油化工裝置，在一套溶劑油裝置內(nèi)要生產(chǎn)出不同牌號(hào)的產(chǎn)品，這些都需要通過分餾單元來進(jìn)行加工處理，因此溶劑油生產(chǎn)裝置的分餾單元一般被稱為關(guān)鍵單元。

本文以溶劑油生產(chǎn)裝置的兩塔分餾單元為研究對(duì)象，針對(duì)兩塔分餾單元的實(shí)際情況，分析其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，如產(chǎn)品模式切換頻繁、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、裝置運(yùn)行負(fù)荷變化幅度大等，在結(jié)合裝置實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以化工工藝過程模擬軟件Aspen HYSYSV7.1為工具，建立兩塔分餾單元的過程模型，用于分析產(chǎn)品模式切換動(dòng)態(tài)過程、預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、預(yù)測(cè)分餾塔運(yùn)行狀態(tài)等等，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

1 分餾單元理論分析

1.1 分餾單元工藝流程

溶劑油生產(chǎn)裝置的分餾單元主要工藝是精餾單元操作，將原料油品（加氫裂化航煤、加氫裂化柴油、重整汽油、烷基化油等）或者中間產(chǎn)品切割成所需餾分的油品，或作為中間產(chǎn)品直接出廠，或作為中間原料進(jìn)入加氫反應(yīng)單元再進(jìn)行加工處理。兩塔分餾單元工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 兩塔分餾單元工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flow diagram of double tower distillation unit

原料油經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入脫輕塔T101，塔頂脫除輕組分后，塔底重組分物料經(jīng)離心泵P101送入脫重塔T102，在T102塔中塔底脫除重組分，塔頂采出合格中間品，或作為成品出廠，或進(jìn)入下一道反應(yīng)單元在進(jìn)行加工處理。

1.2 分餾單元設(shè)備參數(shù)

分餾單元的主要設(shè)備為精餾塔設(shè)備[3]，精餾塔的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 精餾塔的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design data of the distillation tower

1.3 分餾單元工藝參數(shù)

對(duì)分餾單元的工藝參數(shù)進(jìn)行全面分析，認(rèn)識(shí)清楚單元操作的主要因素與次要因素，對(duì)分餾單元模型的建立及方案比較起至關(guān)重要的作用[4，5]。

（1）操作壓力 分餾塔的操作壓力對(duì)分餾塔的操作影響最大，一般不作為調(diào)節(jié)參數(shù)，只是在必要的時(shí)候才進(jìn)行調(diào)節(jié)。分餾塔的最低操作壓力為塔頂回流罐控制溫度下的頂塔產(chǎn)品的泡點(diǎn)壓力，提高操作壓力，可以提高塔的處理能力，整個(gè)塔的操作溫度也會(huì)增高，但是分離效率會(huì)有所降低，塔頂冷凝器負(fù)荷會(huì)增加。

（2）進(jìn)料溫度 合適的進(jìn)料溫度可以充分發(fā)揮塔的分離效率，若進(jìn)料溫度過高，則減少了精餾段的效果，若進(jìn)料溫度過低，則增加了提餾段的負(fù)擔(dān)。

（3）塔釜溫度 整個(gè)分餾塔的熱源90%由塔釜再沸器提供，其決定了分餾塔的塔釜溫度。塔釜溫度一般為塔釜產(chǎn)品在其分壓下的泡點(diǎn)溫度。

（4）塔頂溫度 塔頂溫度對(duì)塔頂產(chǎn)品的控制非常明顯，直接影響到分餾塔產(chǎn)品的初餾點(diǎn)，以及閃點(diǎn)指標(biāo)，其一般為塔頂產(chǎn)品在其本身油氣分壓下的露點(diǎn)溫度。在一定的操作壓力下，一般通過回流量以及塔釜再沸器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 分餾單元特殊性

溶劑油生產(chǎn)的分餾單元，不論是在單元操作本身還是在工藝操作方面，與一般的精餾操作、蒸餾操作還是有很大的區(qū)別，其特殊性主要如下：

（1）單元操作本身的特殊性 分餾單元的精餾塔系統(tǒng)與一般的精餾塔沒有區(qū)別，但由于溶劑油生產(chǎn)的特性，分餾單元要滿足不同生產(chǎn)方案的需要，因此在設(shè)計(jì)時(shí)精餾系統(tǒng)是按照最大生產(chǎn)能力、最折中的設(shè)計(jì)方案來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，比如進(jìn)料口的位置在中部等等，因此無法根據(jù)每種生產(chǎn)方案進(jìn)行調(diào)整，而在正常生產(chǎn)操作中，由于生產(chǎn)方案不同，操作條件不同，所以精餾塔的操作是變化的，根本無法達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)。

（2）原料性質(zhì)的特殊性 分餾單元處理的原料，如加氫裂化航煤、加氫裂化柴油、重整汽油、烷基化油等，均屬于具有一定餾程范圍的油品，無法用每種化學(xué)組分的百分率來表達(dá)，因此在建模過程中還是具有一定的特殊性。

（3）工藝操作的特殊性 溶劑油生產(chǎn)的工藝操作的特殊性在于其要在一套固定的裝置設(shè)備中生產(chǎn)不同牌號(hào)的溶劑油產(chǎn)品，因此，時(shí)常要進(jìn)行原料的切換或者操作模式的切換，在此過程中，精餾操作處于非穩(wěn)態(tài)操作，建模難度比較大。

2 Asepn HYSYS 模型建立

用Aspen HYSYS進(jìn)行工藝過程模擬就是使用基本工程關(guān)系式，如質(zhì)量和能量平衡、相態(tài)和化學(xué)平衡，去預(yù)測(cè)一個(gè)工藝過程。給定合理的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、實(shí)際的操作條件和嚴(yán)格的平衡模型，能夠模擬實(shí)際裝置的現(xiàn)象[6，7]。物性集Aspen HYSYS用于計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)的方法和模型的集合，選擇適當(dāng)?shù)奈镄约菦Q定模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2.1 單元模塊的選擇

Aspen HYSYS軟件中包含了大部分通用的單元操作模型，其中塔的基本類型也有6種，吸收塔、液液萃取塔、再沸吸收塔、回流吸收塔、精餾塔和三相精餾塔，本文選用精餾塔模型。

2.2 物性模塊的選擇

在石油餾分油相平衡研究方法中，狀態(tài)方程法是常用的方法，包括Peng-Robinson、Chao-Seader、Grayson Streed、RK-SOAVE等物性模型[8]。對(duì)于減壓和低壓過程的餾分油精餾模擬可用前三種模型，這3種方法都適用于低壓系統(tǒng)（最多幾個(gè)大氣壓）的常壓精餾塔、減壓精餾塔等，所以本文對(duì)這3種物性方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

2.3 分餾單元模擬流程

用Aspen HYSYSV7.1建立分餾單元工藝流程模擬圖見圖2。

圖2 兩塔分餾單元Aspen HYSYS 工藝模擬流程圖Fig.2 Aspen HYSYS simulation Process of double tower distillation unit

2.4 工藝模擬步驟

Aspen HYSYSV7.1軟件采用的結(jié)算方為序貫?zāi)K法[9]，本文兩塔分餾單元的計(jì)算模擬步驟見圖3。

圖3 Aspen HYSYS 工藝模擬計(jì)算步驟圖Fig.3 Simulation procedure in Aspen HYSYS

3 模擬參數(shù)

本文選取了實(shí)際生產(chǎn)模式為粗D-60生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)作為模擬計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入規(guī)定，其中加氫航煤原料、粗D-60產(chǎn)品指標(biāo)以及操作條件的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2～4。

表2 加氫裂化航煤原料分析數(shù)據(jù)Tab.2 Properties of hydro cracked kerosene

表3 粗D-60 生產(chǎn)模式的操作條件Tab.3 Operation conditions of raw D-60 production mode

表4 粗D-60 質(zhì)量數(shù)據(jù)Tab.4 Properties of raw D-60

模擬流程中的輸入是根據(jù)裝置實(shí)際參數(shù)確定的。分餾塔進(jìn)料是對(duì)油品的一次平衡汽化，在忽略散熱損失的情況下，是絕熱閃蒸過程，在輸入規(guī)定中，流量規(guī)定值、回流溫度值等都依據(jù)裝置實(shí)際參數(shù)，2個(gè)塔的塔板液相流量規(guī)定值是依據(jù)塔的實(shí)際操作情況而定的。

4 模擬結(jié)果

4.1 模擬結(jié)果比較

評(píng)價(jià)流程模擬結(jié)果，主要看關(guān)鍵指標(biāo)是否滿足要求。這里從物料平衡、操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量3方面來比較。物料平衡模擬結(jié)果比較、熱量平衡模擬結(jié)果比較和產(chǎn)品質(zhì)量模擬結(jié)果比較分別見表5～7。

表5 物料平衡模擬計(jì)算結(jié)果比較Tab.5 Comparison in material balance simulation result

表6 熱量平衡模擬計(jì)算結(jié)果比較Tab.6 Comparison in heat balance simulation result

表7 產(chǎn)品質(zhì)量模擬計(jì)算結(jié)果比較Tab.7 Comparison in product properties simulation result

從物料平衡、熱量平衡和產(chǎn)品質(zhì)量模擬結(jié)果比較可得，對(duì)于分餾單元模塊的過程模擬，3種計(jì)算方法的模擬結(jié)果均與標(biāo)定數(shù)據(jù)的偏差均很小，采用Peng-Robinson方法的平均偏差最小。

4.2 分餾單元運(yùn)行狀況模擬

從物料平衡、熱量平衡以及產(chǎn)品質(zhì)量模擬3方面與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，綜合分析得到運(yùn)用Peng-Robinson熱力學(xué)模型所建立的工藝流程模型與實(shí)際裝置的分餾單元運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合最好，能很好的反應(yīng)實(shí)際裝置的運(yùn)行狀態(tài)，滿足建模的需要。因此，采用上文所建立的工藝流程模型，運(yùn)用Peng-Robinson熱力學(xué)模型，對(duì)上述粗D-60模式操作條件下的分餾單元進(jìn)行模擬，得到1#塔、2#塔運(yùn)行的溫度、壓力、汽液相負(fù)荷數(shù)據(jù)，見圖4～7。

圖4 T101 塔的溫度、壓力曲線圖Fig.4 Temperature and pressure of T101 tower

圖5 T101 塔的汽液相負(fù)荷圖Fig.5 Vapor-liquid load of T101 tower

圖6 T102 塔的溫度、壓力曲線圖Fig.6 Temperature and pressure of T102 tower

圖7 T102 塔的汽液相負(fù)荷圖Fig.7 Vapor-liquid load of T102 tower

5 模型驗(yàn)證與應(yīng)用

本節(jié)利用所建立的兩塔分餾單元模型，對(duì)產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，選取加氫裂化柴油原料加工生產(chǎn)粗D-100產(chǎn)品的生產(chǎn)方案進(jìn)行模擬，并與生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

表8～10為實(shí)際生產(chǎn)模式為粗D-100生產(chǎn)操作的加氫裂化柴油原料、粗D-100產(chǎn)品指標(biāo)以及操作條件，也即作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入規(guī)定。模擬結(jié)果見表11。

表8 加氫裂化航煤性質(zhì)Tab.8 Properties of hydro cracked diesel

表9 粗D-100 生產(chǎn)方案操作條件Tab.9 Operation conditions of raw D-100 production mode

表10 粗D-100 質(zhì)量數(shù)據(jù)Tab.10 Properties of raw D-100 product

表11 模擬計(jì)算結(jié)果比較Tab.11 Comparison in simulation result

利用所建立的工藝流程模型，對(duì)加氫裂化柴油原料加工生產(chǎn)粗D-100產(chǎn)品的生產(chǎn)方案進(jìn)行的模擬計(jì)算說明該生產(chǎn)模型能很好地符合溶劑油生產(chǎn)兩塔分餾單元的實(shí)際生產(chǎn)操作，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作有很好的指導(dǎo)作用。

6 結(jié)論

本文對(duì)溶劑油生產(chǎn)裝置的兩塔分餾單元進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，以其分餾單元的工藝特殊性為基礎(chǔ)，運(yùn)用Aspen HYSYSV7.1工藝模擬軟件為工具，并對(duì)Aspen HYSYS V7.1軟件模型中的Peng-Robinson、Chao-Seader、Grayson Streed 3種 狀態(tài)方程的適用性進(jìn)行模擬對(duì)比，數(shù)據(jù)顯示以Peng-Robinson狀態(tài)方程建立的模型，從物料平衡、熱量平衡和產(chǎn)品質(zhì)量模擬結(jié)果與標(biāo)定數(shù)據(jù)的平均偏差最小，最后成功地建立了適用于溶劑油生產(chǎn)兩塔分餾單元的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)模型的驗(yàn)證與應(yīng)用，顯示所建立的模型與裝置各種生產(chǎn)模式的實(shí)際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)吻合情況很好，能夠滿足溶劑油裝置分餾單元不同生產(chǎn)模式的需要，反映裝置不同生產(chǎn)模式的操作情況，為溶劑油生產(chǎn)產(chǎn)品開發(fā)、模式切換、節(jié)能降耗等工藝過程提供了切實(shí)可靠的理論依據(jù)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)操作，使企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)做到低能耗、高效率，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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