流程模擬在焦化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡飛云 劉江楠 張 強(qiáng)

(1.獨(dú)山子石化煉油廠儀表車間，新疆 克拉瑪依 833600；2.天利高新甲乙酮廠，新疆 克拉瑪依 833600)

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)是焦化裝置的后續(xù)處理單元，主要是對(duì)焦化上游裝置產(chǎn)生的輕烴進(jìn)行解析回收分離，以取得合格的干氣、液態(tài)烴和穩(wěn)定汽油。流程模擬技術(shù)自誕生以來(lái)，得到了迅猛的發(fā)展。在石油化工領(lǐng)域，該技術(shù)在裝置設(shè)計(jì)、裝置改造、人員培訓(xùn)、節(jié)能降耗及產(chǎn)品收率的提高等方面，取得了很好的成績(jī)。在保證穩(wěn)定汽油質(zhì)量的前提下，利用流程模擬技術(shù)對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高輕烴收率，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1～4]。

1 工藝流程及軟件介紹①

某廠120萬(wàn)t焦化裝置由燃燒爐、焦炭塔、主分餾塔/吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)組成。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)主要由吸收塔、解析塔、穩(wěn)定塔和再吸收塔組成，主分餾塔塔頂產(chǎn)品富氣合粗汽油是吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的進(jìn)料。其中粗汽油打入吸收塔作為吸收劑吸收C3、C4組分；富氣經(jīng)過(guò)富氣壓縮機(jī)增壓后與吸收塔塔底富吸收油和解析塔塔頂解析氣一起被冷換設(shè)備冷卻后進(jìn)入三相分離罐(平衡罐)，分離出富氣、凝縮油和廢水；凝縮油進(jìn)入解析塔，絕大部分C2組分隨著解析氣離開(kāi)解析塔塔頂；解析塔塔底的脫乙烷汽油換熱后進(jìn)入穩(wěn)定塔，穩(wěn)定塔的主要作用是生產(chǎn)出合格的液化氣和穩(wěn)定汽油產(chǎn)品，同時(shí)盡量減少塔頂不凝氣的排放；粗汽油與穩(wěn)定汽油一起作為吸收塔的吸收劑，對(duì)吸收塔富氣C3、C4組分進(jìn)行吸收。穩(wěn)定汽油一部分作為產(chǎn)品出裝置，一部分作為補(bǔ)充吸收劑進(jìn)入吸收塔塔頂，補(bǔ)充吸收劑不僅從“量”上提高了吸收液氣比，而且也從“質(zhì)”上提升了吸收效果[5]。

Aspen HYSYS是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)模擬、設(shè)計(jì)和性能監(jiān)測(cè)的流程模擬工具。它具有最先進(jìn)的集成工程環(huán)境、強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)模擬及物性預(yù)測(cè)系統(tǒng)等特點(diǎn)[6]。

2 流程模擬的搭建

2.1 簡(jiǎn)化與假設(shè)條件

為建立吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的流程模擬，需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化與假設(shè)，提出如下的簡(jiǎn)化與假設(shè)條件：

a. 對(duì)于油氣中含有的微量的H2S、S以及重金屬等物質(zhì)對(duì)油氣的分離過(guò)程不產(chǎn)生影響，所以在組分表中將這些成分忽略掉；

b. 由于戊烯的種類眾多，因此在組分列表中用1-戊烯來(lái)代表所有的戊烯；

c. 實(shí)際裝置所用的閥門均選為同一種型號(hào)的閥門，壓降和CV值由實(shí)際數(shù)據(jù)確定；

d. 忽略塔單元和換熱器與周圍環(huán)境的熱交換損失[7]。

2.2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算原理

穩(wěn)態(tài)計(jì)算中的三大基本守恒是物料守恒、能量守恒和組分守恒。HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬環(huán)境下，同時(shí)計(jì)算以上三類平衡，而且在迭代過(guò)程中，壓力、流量、組分和溫度的計(jì)算頻率是不相等的。

2.3 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)料富氣組分的確定

對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)而言，粗汽油有流程數(shù)據(jù)，而富氣組分沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有流量、壓力及溫度等參數(shù)，但吸收穩(wěn)定系統(tǒng)主要的進(jìn)料就是富氣和粗汽油，如果沒(méi)有富氣的組分結(jié)果，穩(wěn)態(tài)流程的搭建將無(wú)從談起。但產(chǎn)品或中間物流有化驗(yàn)數(shù)據(jù)，據(jù)此可以根據(jù)產(chǎn)品和中間物流的化驗(yàn)數(shù)據(jù)和流量，反推出進(jìn)料富氣組分。產(chǎn)品選穩(wěn)定汽油、液化氣和燃料氣，中間物流選吸收塔頂氣。燃料氣調(diào)節(jié)閥平時(shí)都處于關(guān)的位置，基本上沒(méi)有燃料氣的產(chǎn)生。吸收塔頂氣到再吸收塔沒(méi)有流量測(cè)量?jī)x表，需要根據(jù)富氣、粗汽油、穩(wěn)定汽油、液化氣和燃料氣推導(dǎo)出吸收塔頂氣的流量，具體等式如下：

Q吸收塔頂氣=Q富氣+Q粗汽油-Q穩(wěn)定汽油-Q液化氣-Q燃料氣

穩(wěn)定汽油、粗汽油、液化氣和燃料氣的化驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、2。

表1 穩(wěn)定汽油化驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 氣體組分化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)(體積) %

注：C5以上大于3.43%。

對(duì)上述物料在HYSYS中進(jìn)行流程搭建。先選取液態(tài)烴、燃料氣和吸收頂氣3個(gè)物流，分別輸入組分，對(duì)穩(wěn)定汽油則須在基礎(chǔ)環(huán)境中進(jìn)行物料定義，對(duì)4路物料的溫度、壓力和流量根據(jù)實(shí)際輸入。選取一混合器，將4路物料進(jìn)行混合，然后輸入三相分離器中，給予適當(dāng)?shù)臒崃?，使粗汽油或富氣流量與實(shí)際相等，得到的富氣組分即為所求組分，其流程模擬如圖1所示。

圖1 富氣組分搭建流程模擬

搭建出富氣的組分見(jiàn)表3。

表3 富氣組分 %

注：NBP[0]系列組分為虛擬組分。

2.4 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的流程模擬搭建

根據(jù)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)際流程、主要設(shè)計(jì)參數(shù)、操作條件及簡(jiǎn)化與假設(shè)條件和富氣組分，建立進(jìn)料物流，并選擇合適的單元模塊進(jìn)行流程的搭建，流程模擬步驟為：

a. 根據(jù)平衡罐建立物流，建立粗汽油、解析氣、吸收塔塔底抽出油3股循環(huán)物流，給定其溫度、壓力、流量和組成；

b. 建立一級(jí)循環(huán)，用模擬的吸收塔塔底富吸收油數(shù)據(jù)去修正假設(shè)的吸收塔塔底富吸收油數(shù)據(jù)；

c. 增加解析塔進(jìn)料加熱器單元和解析塔單元，給定解析塔進(jìn)料溫度和解析塔的獨(dú)立變量；

d. 建立二級(jí)循環(huán)，用模擬的解析塔塔頂解析氣數(shù)據(jù)修正假設(shè)的解析氣數(shù)據(jù)；

e. 繼續(xù)增加穩(wěn)定塔進(jìn)料加熱器和穩(wěn)定塔單元，給定穩(wěn)定塔的進(jìn)料溫度、穩(wěn)定塔的獨(dú)立變量；

f. 建立三級(jí)循環(huán)，用模擬的補(bǔ)充吸收劑數(shù)據(jù)去修正假設(shè)的補(bǔ)充吸收劑數(shù)據(jù)；

g. 增加再吸收塔單元，用計(jì)算好的貧吸收油物流和貧氣物流與再吸收塔連接。建立四級(jí)循環(huán)，用模擬的富吸收油數(shù)據(jù)去修正假設(shè)的富吸收油數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)上述步驟，得到整個(gè)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。

從數(shù)據(jù)(表4)對(duì)比來(lái)看，模擬流程較好地吻合了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

表4 焦化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型數(shù)據(jù)與實(shí)際對(duì)比

3 流程模擬在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的現(xiàn)狀

流程模擬搭建如圖2所示。為了保證穩(wěn)定汽油的質(zhì)量，解析塔應(yīng)盡可能將C2組分解析出來(lái)，如果貧吸收油吸收效果不好，就會(huì)導(dǎo)致干氣中帶液嚴(yán)重，C3+損失較多?，F(xiàn)行的貧吸收油為柴油，根據(jù)相似相溶原理，擬以穩(wěn)定汽油為再吸收塔貧吸收油，對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行流程改造。進(jìn)入再吸收塔的穩(wěn)定汽油，對(duì)貧氣物流進(jìn)行吸收，吸收了C3+的富吸收油再返回平衡罐，與平衡罐中其他物流混合，液相部分再進(jìn)解析塔解析，氣相部分進(jìn)吸收塔吸收。

圖2 再吸收塔改造流程模擬

3.2 效果對(duì)比

在其他條件不變的情況下，分別用穩(wěn)定汽油和柴油做貧吸收油進(jìn)行模擬,改變各自的流量，觀察在相同流量下，干氣中C3以上物質(zhì)的質(zhì)量流量變化。從圖3可知，在同一流量下，穩(wěn)定汽油吸收能力強(qiáng)于柴油的吸收能力；隨著流量的增加，穩(wěn)定汽油的吸收效果比柴油的吸收效果更為明顯。但受限于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的處理能力，以穩(wěn)定汽油為貧吸收油不能無(wú)限制提高，而且穩(wěn)定汽油的返回量越大，整個(gè)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的能耗也會(huì)相應(yīng)增加。

圖3 貧吸收油吸收效果對(duì)比

3.3 收益計(jì)算

其他條件不變，在相同的貧吸收油流量下，利用穩(wěn)定汽油做貧吸收油，將會(huì)更好地降低干氣中的C3+含量，增加液態(tài)烴的收率，其吸收效果見(jiàn)表5。

表5 相同流量(26t/h)吸收劑的吸收效果

由表5可知，用柴油作再吸收塔吸收劑液態(tài)烴的收率為4.02t/h，用汽油作再吸收塔吸收劑液態(tài)烴的收率為5.87t/h，按液態(tài)烴銷售價(jià)格每噸4 000元，年正常生產(chǎn)300天計(jì)算，可獲得經(jīng)濟(jì)效益300×24×(5.87-4.02)×4000=53251200元,經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

流程模擬能較好地模擬裝置工況，進(jìn)行仿真訓(xùn)練和技術(shù)改造模擬，可提高裝置的運(yùn)行效益。焦化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)在流程模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了技術(shù)改造仿真，并對(duì)仿真的經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)果進(jìn)行了探討，這將有助于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施。