考慮壓力因素的柴油加氫改質(zhì)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)改造

王 偉，馮 霄

（中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249）

當(dāng)今社會(huì)正面臨著能源短缺的嚴(yán)峻考驗(yàn)，如何降低工業(yè)中的能源消耗是目前迫切需要解決的問題[1]。統(tǒng)計(jì)研究表明，我國(guó)能源利用效率只有32%，比先進(jìn)國(guó)家低十多個(gè)百分點(diǎn)[2]。能源利用效率的提高可以顯著增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和改善環(huán)境，因而節(jié)能降耗成為國(guó)家和企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。在眾多節(jié)能方法中，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)既有利于裝置挖潛改造，消除“瓶頸”，也能指導(dǎo)優(yōu)化裝置操作，達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能降耗、降低成本的目的[3]。

與新設(shè)計(jì)相比，換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改造是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，由于影響因素多、控制變量復(fù)雜，因此，需要在實(shí)際應(yīng)用中考慮換熱網(wǎng)絡(luò)的各種約束條件，以提高改造的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性。近些年，國(guó)內(nèi)外研究者在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造時(shí)主要考慮的實(shí)際工程因素有換熱器選優(yōu)、壓力降和工程量等，并取得了很好的研究成果。如，Nie和Zhu[4]指出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中面積的分配以及管、殼程的安排是影響壓降的兩個(gè)主要因素，應(yīng)該充分考慮這兩個(gè)因素，以便把壓降減至最低。李國(guó)慶等[5]提出以最小投資和最小工程量完成現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的改造，特別針對(duì)被加熱物流在換熱過程中出現(xiàn)汽化，形成氣阻，壓力降增加的問題，提出了相應(yīng)的解決方案。

然而，國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)考慮壓力因素的研究。大家知道，高壓換熱器的成本遠(yuǎn)高于常壓換熱器，同時(shí)高壓物流對(duì)管件的尺寸﹑壁厚及材料等技術(shù)條件有嚴(yán)格要求；裝置中其它零件，如法蘭﹑墊片和螺母等，也需要大大提高其技術(shù)條件?？梢?，高壓導(dǎo)致裝置的設(shè)備成本大大提高。除此之外，高壓也加大了裝置的操作難度和非穩(wěn)定性。這些都突顯了壓力因素在換熱網(wǎng)絡(luò)改造中的重要性。

本文以某煉廠柴油加氫改質(zhì)裝置為例，利用夾點(diǎn)技術(shù)[6]對(duì)其換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱集成分析，著重考慮了壓力因素對(duì)改造過程的影響，綜合地進(jìn)行整個(gè)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中冷熱物流之間的合理匹配，通過多種方案的對(duì)比找出最優(yōu)節(jié)能方案。

1 柴油加氫改質(zhì)裝置簡(jiǎn)介

柴油加氫改質(zhì)技術(shù)以改善劣質(zhì)二次加工柴油質(zhì)量為目標(biāo)，一方面降低催化裂化柴油中的硫、氮等雜質(zhì)含量，改善油品顏色，同時(shí)大幅度提高柴油十六烷值[7]。

隨著我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展政策，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸提高，國(guó)內(nèi)清潔油品的需要日益增長(zhǎng)。所以很多煉油廠都有較大的加氫改質(zhì)車間以滿足市場(chǎng)需求，如荊門石化公司的500萬噸/年柴油加氫改質(zhì)裝置，蘭州石化公司120萬噸/年柴油加氫改質(zhì)裝置等。國(guó)內(nèi)柴油加氫改質(zhì)技術(shù)和催化劑已趨于成熟，以FRIPP的MCI和RIPP的RICH等為代表。在現(xiàn)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下，國(guó)內(nèi)開發(fā)的柴油加氫催化劑及相關(guān)工藝技術(shù)，基本可滿足脫硫及多環(huán)芳烴飽和的需求[7]。

本文所研究的某煉廠柴油加氫改質(zhì)裝置，其原料來源于催化柴油、焦化柴油、直餾柴油和部分抽出油，四種原料的混合比例為 28∶55∶14∶3，具有 120 萬噸/年的處理能力。裝置特點(diǎn)是采用中壓加氫改質(zhì)-中間餾分油加氫補(bǔ)充精制組合工藝。

柴油加氫改質(zhì)裝置的工藝過程可分為加氫改質(zhì)、分餾、煤油加氫補(bǔ)充精制3道工序。簡(jiǎn)易流程圖如圖1所示。

（1）加氫改質(zhì)工序 原料油自裝置外來，先與產(chǎn)品柴油換熱至80～100 ℃，然后由反應(yīng)進(jìn)料泵抽出升壓后與混合氫混合（物流在泵前后壓力分別為0.5 MPa和13.5 MPa，見圖1反應(yīng)進(jìn)料泵兩側(cè)），先與加氫改質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行換熱，再經(jīng)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐加熱至反應(yīng)溫度，自上而下流經(jīng)加氫改質(zhì)反應(yīng)器。出來的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入熱高壓分離器進(jìn)行氣液分離，熱高壓分離器出來的氣體冷卻后進(jìn)入冷高壓分離器，進(jìn)行氣、油、水三相分離。冷高壓分離器頂出來的氣體進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)，冷高壓分離器油相和水相分別送至冷低壓分離器再次進(jìn)行氣液分離。

（2）分餾工序 低分油在脫硫化氫汽提塔中經(jīng)過蒸汽汽提除去H2S。塔頂富含LPG的氣體和液體送至焦化裝置吸收穩(wěn)定部分回收液化氣和干氣。塔底油經(jīng)分餾塔進(jìn)料加熱爐加熱后進(jìn)入產(chǎn)品分餾塔。分餾塔設(shè)兩個(gè)側(cè)線抽出和一個(gè)中段回流。側(cè)線抽出重石腦油產(chǎn)品和煤油，塔頂為輕石腦油，塔底為柴油。中段回流用于發(fā)生0.35 MPa蒸汽和預(yù)熱采暖水。本工序物流的壓力等級(jí)為0.1～2.2 MPa。

（3）煤油加氫補(bǔ)充精制工序 煤油側(cè)線塔底的煤油與一次通過的補(bǔ)充氫混合?；鞖溆瓦M(jìn)入煤油加氫補(bǔ)充精制反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物冷卻后進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物分離罐，分離出的富氫氣體經(jīng)氫氣增壓機(jī)增壓后并入加氫改質(zhì)部分新氫壓縮機(jī)入口循環(huán)使用，分離出的液相進(jìn)入航煤分餾塔，通過塔底重沸器加熱，在塔頂分出少量的溶解氫及輕組分氣體，塔底航煤產(chǎn)品經(jīng)換熱、冷卻后送出裝置。本工序物流的壓力等級(jí)為0.2～2.0 MPa。

2 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 物流數(shù)據(jù)提取

根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)，對(duì)某煉廠柴油加氫改質(zhì)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，提取出20股熱物流，12股冷物流，將這些物流數(shù)據(jù)列表如表1所示。表1中冷流C1、C2和C3即為反應(yīng)進(jìn)料泵兩側(cè)物流，原料油C1與產(chǎn)品柴油換熱至 100 ℃，然后進(jìn)入濾后原料緩沖罐，由反應(yīng)進(jìn)料泵抽出升壓后與混合氫混合至121 ℃形成 C2，先與加氫改質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行換熱至330 ℃，然后C3再經(jīng)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐加熱至366 ℃。

2.2 夾點(diǎn)計(jì)算

原始數(shù)據(jù)中最小傳熱溫差為 12 ℃，考慮熱回收能量、換熱面積、換熱網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)用和工況穩(wěn)定操作等因素，本文的分析中取夾點(diǎn)溫差為10 ℃[3]，經(jīng)過計(jì)算可以得到：平均夾點(diǎn)溫度為215 ℃，即夾點(diǎn)處熱流溫度為220 ℃，冷流溫度為210 ℃。換熱網(wǎng)絡(luò)所需的最小加熱公用工程為9318.14 kW ，最小冷卻公用工程為28149 kW。而現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的加熱公用工程為27905.2 kW，冷卻公用工程為46736.2 kW。故節(jié)能潛力約為18587.2 kW，約占現(xiàn)行加熱公用工程的66.6%。相關(guān)復(fù)合曲線如圖2所示。

2.3 不合理換熱分析

現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)三原則（夾點(diǎn)之上不能有冷卻公用工程；夾點(diǎn)之下不能有加熱公用工程；不能有跨越夾點(diǎn)的傳熱[3]）分析該換熱網(wǎng)絡(luò)。不合理的換熱環(huán)節(jié)如表2所示。

表1 冷熱物流數(shù)據(jù)匯總表

3 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.1 對(duì)壓力因素的考慮

該裝置中主要的高壓物流是加氫改質(zhì)工序中反應(yīng)進(jìn)料泵后的原料油和反應(yīng)產(chǎn)物。因此，在反應(yīng)進(jìn)料泵低壓側(cè)，應(yīng)盡量讓低壓物流與原料油換熱，提高泵的進(jìn)料溫度，以便減少高壓側(cè)高壓換熱器。同時(shí)，應(yīng)讓高壓側(cè)原料油盡量與高壓反應(yīng)產(chǎn)物換熱，而盡量不考慮高壓物流與低壓物流換熱，以減少高壓換熱器的個(gè)數(shù)。但考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，如若需要提高反應(yīng)進(jìn)料泵的進(jìn)料溫度，必須得重新更換一臺(tái)新泵，才能獲得更好的低壓換熱條件。

因此，本文對(duì)柴油加氫改質(zhì)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)提出了3個(gè)改造方案。

方案 1，不考慮壓力因素，僅考慮溫度要求，按照夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法則提出的最大熱回收方案。

方案 2，完全考慮壓力因素，重新?lián)Q一臺(tái)反應(yīng)進(jìn)料泵，最大化提高其低壓側(cè)的進(jìn)料溫度。

方案3，部分考慮壓力因素，不更換反應(yīng)進(jìn)料泵，其進(jìn)料溫度不變，只是在匹配冷熱物流時(shí)考慮壓力因素，盡量保證高壓物流與高壓物流之間換熱。

表2 不合理換熱環(huán)節(jié)

3.2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

3.2.1 方案1

為達(dá)到最大節(jié)能效果，根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)物流匹配準(zhǔn)則對(duì)柴油加氫改質(zhì)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新匹配，匹配時(shí)優(yōu)先考慮熱負(fù)荷大的冷卻器。具體改造步驟如下，改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)Ⅰ如圖4所示。

（1）消除物流 H1的跨夾點(diǎn)傳熱，用熱物流H1直接將冷物流C2加熱到366 ℃，可除去加熱爐F1，剩余的熱通過新增換熱器E1#與冷物流 C6換熱，夾點(diǎn)之下的冷物流C2由夾點(diǎn)之下的熱物流來加熱；消除物流H2、H10和H17的跨夾點(diǎn)傳熱，將熱物流H2、H10和H17通過新增換熱器E2#、E3#和E4#與夾點(diǎn)之上的冷物流進(jìn)行換熱，夾點(diǎn)之下的冷物流C4、C7和C10由夾點(diǎn)之下的熱物流來加熱。

（2）去掉物流H5夾點(diǎn)之上的冷卻器A2，代之以新增換熱器 E11#與夾點(diǎn)之上的冷物流 C12進(jìn)行換熱，物流H10的冷卻器E15用換熱器E5#代替，來與冷物流C2換熱。

（3）去掉物流 C12夾點(diǎn)之下的加熱器 E23，增加換熱器E12#，與夾點(diǎn)之下的熱物流H6換熱。

改造后，新增換熱器總數(shù)為 14個(gè)，其中高壓換熱器8個(gè)。節(jié)約加熱公用工程18523.44 kW，實(shí)現(xiàn)了最大節(jié)能目標(biāo)。

3.2.2 方案2

更換反應(yīng)進(jìn)料泵后，保證高壓冷熱物流H1和C2內(nèi)部換熱完全，不與其它低壓流股換熱，除去冷物流C3中加熱爐F1，直接用熱物流H1把冷物流C2加熱到 366 ℃，反算出反應(yīng)進(jìn)料泵的進(jìn)料溫度為182.7 ℃。具體改造步驟如下，改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)Ⅱ如圖5所示。

（1）去掉熱物流H10中換熱器E15和E16，通過增加換熱器E1#與升壓前C2換熱，C2溫度由121 ℃上升為153.1 ℃；去掉熱物流H12中冷卻器E10，通過增加換熱器E2#繼續(xù)與升壓前C2換熱，C2溫度由 153.1 ℃上升為 169.7 ℃；去掉熱物流H13中冷卻器E12，通過增加換熱器E3#繼續(xù)與升壓前C2換熱，C2溫度由169.7 ℃上升為177.7 ℃；增加換熱器E4#，使熱物流H14繼續(xù)與升壓前C2換熱，C2溫度由177.7 ℃上升為182.7 ℃；去掉冷物流C3中加熱爐F1，使H1繼續(xù)與C2完全換熱，C2最終溫度達(dá)到366 ℃。

（2）增加換熱器E5#，使熱物流H3與冷物流C1換熱；增加換熱器E6#，使熱物流H6與冷物流C12換熱；去掉熱物流H5中空冷器A2，再增加換熱器E7#，使熱物流H5繼續(xù)與冷物流C12換熱。

（3）增加換熱器 E8#，使熱物流 H15和冷物流C9換熱；增加換熱器E9#，使熱物流H17和冷物流C8換熱；再增加換熱器E10#，使熱物流H20與冷物流C10換熱。

改造后，新增換熱器總數(shù)為 10個(gè)，其中高壓換熱器0個(gè)。節(jié)約加熱公用工程11038.5 kW，占現(xiàn)有加熱公用工程的 39.6%，是節(jié)能潛力的 59.4%。

3.2.3 方案3

考慮現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)已有結(jié)構(gòu)的限制，不更換反應(yīng)進(jìn)料泵，進(jìn)料溫度不變，在匹配冷熱物流時(shí)盡量減少高壓物流與低壓物流之間的換熱，具體改造步驟與方案2相同，此時(shí)需要注意壓力的影響。

表3 3個(gè)改造方案的比較

改造后，新增換熱器總數(shù)為 10個(gè)，其中高壓換熱器4個(gè)。節(jié)約加熱公用工程也是11038.5 kW。

3.3 3個(gè)方案的比較

據(jù)上節(jié)，3個(gè)方案的各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

由表3分析可得。

（1）方案1與方案2相比，方案1能更多地回收余熱，但對(duì)原有換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大，設(shè)備投資也大大提高。不僅新增換熱器數(shù)目多了4臺(tái)，甚至于高壓換熱器數(shù)目多達(dá)8臺(tái)?？梢?，壓力對(duì)于換熱網(wǎng)絡(luò)的改造具有較大影響，在今后的研究中需要給予更多的關(guān)注。

（2）方案2與方案3相比，余熱回收值相同，主要不同點(diǎn)在于反應(yīng)進(jìn)料泵的改動(dòng)，一個(gè)是更換了反應(yīng)進(jìn)料泵，以提高其進(jìn)料溫度；另一個(gè)是增加了 4臺(tái)高壓換熱器，而不改變泵的進(jìn)料溫度。因此，方案2在新設(shè)計(jì)中更優(yōu)，而方案3在改造時(shí)更易實(shí)施。

4 結(jié) 語

通過在用夾點(diǎn)法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)改造的同時(shí)，考慮了壓力因素，在盡量多地回收余熱時(shí)，可有效降低設(shè)備投資成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。并以某煉廠柴油加氫改質(zhì)裝置為例，說明了壓力因素對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)改造的影響不可忽視。

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