淺冷油吸收工藝回收煉油廠飽和干氣的模擬

張敬升

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

淺冷油吸收工藝回收煉油廠飽和干氣的模擬

張敬升

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

針對(duì)某煉油廠241.5 kt/a飽和干氣，采用淺冷油吸收工藝回收其中的碳二及碳二以上餾分，用VMGSim流程模擬軟件對(duì)淺冷油吸收工藝進(jìn)行模擬，并對(duì)凝液直接送至碳四吸收塔（方案一）和凝液送至凝液汽提塔（方案二）兩種方案進(jìn)行比較。模擬結(jié)果表明，兩種方案的產(chǎn)品產(chǎn)量及組成存在差別，方案一比方案二多產(chǎn)富乙烷氣1.33 t/h，但輕烴產(chǎn)量減少1.38 t/h，方案一富乙烷氣中乙烷的含量及輕烴中丙烷的含量均低于方案二；兩種方案回收的富乙烷氣和輕烴作為乙烯裝置裂解原料產(chǎn)出的乙烯、丙烯等產(chǎn)品的產(chǎn)量基本相同；方案二中碳四吸收塔和碳四解吸塔的塔釜溫度比方案一低3～4 ℃，但綜合能耗（每噸原料的能耗合標(biāo)準(zhǔn)油）比方案一高2.4 kg。

干氣回收方案；淺冷油吸收技術(shù)；流程模擬；干氣凝液；富乙烷氣；輕烴

煉油廠干氣主要來自原油的一次加工和二次加工，如常減壓蒸餾、催化裂化、加氫裂化、熱裂化和延遲焦化等過程中所產(chǎn)生的氣體［1］，其中富含氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯等大量輕質(zhì)烴類資源和少量雜質(zhì)。目前，國內(nèi)煉油廠干氣大都用作工業(yè)和民用燃料氣，其余則放火炬燒掉，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。若能回收其中的乙烯、乙烷、丙烯和丙烷等作為生產(chǎn)乙烯的原料，一方面可替代部分乙烯裂解原料的輕質(zhì)油，另一方面可使裂解原料輕質(zhì)化，這將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著石油資源的日益緊張和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，世界煉化工業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此煉油廠干氣的合理利用受到了高度重視，并逐漸成為煉化企業(yè)降低乙烯生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)資源有效利用的重要手段。

本工作針對(duì)國內(nèi)某煉油廠副產(chǎn)飽和干氣的現(xiàn)狀，采用VMGSim流程模擬軟件，對(duì)干氣中碳二及碳二以上組分和氫氣的回收方案進(jìn)行模擬研究。

1 煉油廠干氣回收技術(shù)的選擇

目前，從煉油廠干氣中回收碳二、碳三等組分最常用的方法主要有深冷分離法、變壓吸附法和油吸收法［2-8］。

1.1 深冷分離法

深冷分離法［9］是提濃干氣的傳統(tǒng)工藝，它利用原料中各組分相對(duì)揮發(fā)度的差異，在低溫下將干氣中各組分按工藝要求冷凝下來，然后用精餾法將其中的各類烴依其蒸發(fā)溫度的不同逐一分離。通常情況下，乙烯收率為85%左右，純度為聚合級(jí)。由于干氣中的氫、甲烷組分一般需在-100 ℃的低溫下進(jìn)行分離，循環(huán)制冷流程比較復(fù)雜，裝置能耗高、投資大，所以深冷分離法一般適合處理干氣量較大的情況，特別適合于煉油廠集中的地區(qū)。另外，深冷分離對(duì)原料預(yù)處理的要求較高。

1.2 變壓吸附法

變壓吸附技術(shù)是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的氣體分離技術(shù)［10］，該技術(shù)主要依據(jù)吸附劑對(duì)各組分吸附選擇性的不同來達(dá)到對(duì)混合氣進(jìn)行分離的目的，通常采用多塔循環(huán)操作，以實(shí)現(xiàn)工藝過程的連續(xù)性［11-13］。變壓吸附法具有能耗較低、流程相對(duì)獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)，可適用于中小規(guī)模的裝置；但該方法所用設(shè)備龐大、碳二回收率不高、產(chǎn)品純度較低，如需要進(jìn)一步提高純度，可采用多級(jí)變壓吸附，但投資相應(yīng)增加、占地面積大。一般單純的變壓吸附工藝適合用于有后續(xù)氣體分離裝置的企業(yè)。

1.3 油吸收法

油吸收法又稱吸收-精餾法，主要是利用吸收劑對(duì)干氣中各組分的溶解度不同來分離氣體混合物［2-8］。依據(jù)吸收操作溫度的不同，油吸收法可大致分為深冷油吸收（一般低于-80 ℃）、中冷油吸收（一般為-20～-40 ℃，最低-70～-80 ℃）和淺冷油吸收（一般高于0 ℃）3種工藝。其中，深冷油吸收法和中冷油吸收法一般首先需要對(duì)原料進(jìn)行除雜質(zhì)處理，而且由于操作溫度低、制冷負(fù)荷大，能耗相對(duì)較大、投資較高。

為進(jìn)一步提高吸收溫度、節(jié)省低溫冷量消耗和降低設(shè)備投資，中國石化北京化工研究院開發(fā)了用于回收干氣中碳二、碳三餾分的淺冷油吸收工藝［14-17］。該工藝將油吸收溫度提高到10～15 ℃，無需丙烯制冷壓縮機(jī)和干燥等凈化步驟，流程大為簡(jiǎn)化，并且具有回收率高（碳二及碳二以上組分的回收率可達(dá)90%以上）、產(chǎn)品品質(zhì)高、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長、對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、投資少、綜合能耗相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。

2 干氣回收的淺冷油吸收工藝流程

2.1 干氣工況及組成

煉油廠干氣可簡(jiǎn)單劃分為兩大類：一是催化裂化等裝置副產(chǎn)的含較多烯烴的不飽和干氣；二是常減壓蒸餾、加氫、重整等裝置副產(chǎn)的幾乎不含烯烴的飽和干氣。

某煉油廠飽和干氣的工況及組成見表1。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這部分飽和干氣中約含乙烷58 kt/a、丙烷46 kt/a、C4+75 kt/a，具有很大的回收利用潛力。

表1 某煉油廠飽和干氣的工況及組成Table 1 Operating conditions and composition of dry gas from a ref nery

結(jié)合上述干氣回收技術(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)某煉油廠飽和干氣的實(shí)際情況，確定采用淺冷油吸收法來回收該煉油廠飽和干氣中的碳二及碳二以上組分。整個(gè)干氣回收裝置由干氣壓縮單元和淺冷油吸收單元組成，設(shè)計(jì)年操作時(shí)間8 400 h。

干氣回收流程的模擬采用VMGSim流程模擬軟件，該軟件由加拿大虛擬物流集團(tuán)開發(fā)，具有完善的物性數(shù)據(jù)庫及豐富的過程單元模塊，相對(duì)于Aspen Plus和Pro/Ⅱ等其他流程模擬軟件，它在工藝流程設(shè)計(jì)尤其是精餾塔的計(jì)算方面顯得更為靈活和方便。VMGSim流程模擬軟件在干氣淺冷油吸收工藝的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用，其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性也得到了小試、中試及工業(yè)化裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的證實(shí)。

為獲得較好的吸收效果，淺冷油吸收工藝適宜的壓力為3.5～4.0 MPa，而原料飽和干氣的壓力僅為0.53 MPa，因此需要設(shè)置一臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)原料飽和干氣進(jìn)行增壓。當(dāng)原料飽和干氣升壓至3.79 MPa并冷卻至15 ℃時(shí)，飽和干氣中的重組分可出現(xiàn)部分冷凝，凝液的組成見表2。

表2 某煉油廠飽和干氣凝液的工況及組成Table 2 Operating conditions and composition of the dry gas condensate from the ref nery

由表2可知，凝液中乙烷+丙烷的含量超過42%（x）（約3.2 t/h）。為回收這部分凝液，擬采用兩種方案，其區(qū)別主要在于對(duì)壓縮單元中凝液的處理方式不同。

2.2 干氣回收方案一

飽和干氣淺冷油吸收工藝流程方案一見圖1。飽和干氣采用三段離心式壓縮機(jī)壓縮，最終壓縮至約3.85 MPa。段前均設(shè)置吸入罐，段后用循環(huán)水冷卻至40 ℃。三段出口干氣用溴化鋰制冷機(jī)組產(chǎn)生的7 ℃冷媒水冷至15 ℃后送入閃蒸罐，分離出的氣相和凝液分別送入碳四吸收塔的下部和上部。碳四吸收塔塔頂采出的未被吸收的CH4和H2等輕組分中夾帶部分碳三、碳四，送入汽油吸收塔進(jìn)行回收；塔釜采出的富碳四吸收劑依靠壓差進(jìn)入碳四解吸塔。在碳四解吸塔塔頂?shù)玫礁缓彝?、丙烷的提濃氣，可直接送乙烯裝置的乙烷爐；塔釜得到的貧碳四吸收劑經(jīng)換熱、冷卻后送入碳四吸收塔頂循環(huán)使用。碳四吸收塔及碳四解吸塔的塔釜再沸器可采用煉油廠余熱或低壓蒸汽作為熱源。

圖1 飽和干氣淺冷油吸收工藝流程方案一Fig.1 Scheme Ⅰ for the recovery of the dry gas by means of shallow-cool oil-absorption technology.

碳四吸收塔塔頂出來的CH4和H2等氣體送入汽油吸收塔底部，與穩(wěn)定汽油逆流接觸，吸收氣體中夾帶的碳三及碳三以上重組分。汽油吸收塔塔頂氣體排入燃料氣管網(wǎng)；汽油吸收塔塔底富汽油吸收劑送至汽油穩(wěn)定塔進(jìn)行解吸。汽油穩(wěn)定塔塔頂出來的氣相主要為CH4和部分碳二及碳二以上組分，返回至壓縮機(jī)一段；塔頂液相為碳三和碳四，與碳四解吸塔釜的貧碳四吸收劑混合后送到碳四吸收塔循環(huán)使用；塔釜液相作為吸收劑返回汽油吸收塔塔頂循環(huán)使用。汽油穩(wěn)定塔塔釜再沸器可采用煉油廠余熱或低壓蒸汽加熱。

為平衡系統(tǒng)中的重組分，在碳四解吸塔塔底抽出一股物料作為輕烴產(chǎn)品，主要為碳四及碳五，可送至乙烯裝置的輕烴爐。飽和干氣回收裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，只需分別在碳四吸收塔塔頂和汽油吸收塔塔頂補(bǔ)充少量的正構(gòu)碳四和穩(wěn)定汽油，大幅降低了碳四吸收劑及汽油吸收劑的消耗。

2.3 干氣回收方案二

飽和干氣淺冷油吸收方案二的設(shè)計(jì)思路是將凝液中的重組分分離出來送往凝液汽提塔進(jìn)行回收，這樣可以降低碳四吸收塔及碳四解吸塔的塔釜溫度，降低兩塔的熱負(fù)荷。方案二的工藝流程見圖2。原料飽和干氣經(jīng)壓縮、冷卻至15 ℃后送入閃蒸罐，分離出的氣相送入碳四吸收塔，采用與方案一相同的流程，依次通過碳四吸收、碳四解吸、汽油吸收、汽油解吸等操作得到富乙烷氣、輕烴以及燃料氣。

閃蒸罐凝液送入凝液汽提塔，通過塔釜再沸器加熱將其中的碳二、碳三蒸出后返回至壓縮機(jī)二段，塔釜液相主要為碳三以上組分，與碳四解吸塔塔釜抽出的輕烴混合后作為輕烴產(chǎn)品一并送往乙烯裝置的輕烴爐。

圖2 飽和干氣淺冷油吸收工藝流程方案二Fig.2 Scheme Ⅱ for the recovery of the dry gas by means of the shallow-cool oil-absorption technology.

3 結(jié)果與討論

飽和干氣回收方案一和方案二均可達(dá)到回收原料飽和干氣中的碳二及碳二以上組分的目的。但由于兩個(gè)方案對(duì)干氣凝液的處理方式不同，造成產(chǎn)品產(chǎn)量及組成、各塔的操作條件、公用工程及能耗等方面存在差異。在碳二和碳三的回收率為93%的前提下，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行比較。

3.1 產(chǎn)品產(chǎn)量及組成對(duì)比

原料飽和干氣經(jīng)淺冷油吸收可獲得富乙烷氣、輕烴及燃料氣等產(chǎn)品，兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝的產(chǎn)品產(chǎn)量及組成見表3。方案一需要補(bǔ)充碳四吸收劑2 627 kg/h、汽油吸收劑41 kg/h，方案二需要補(bǔ)充碳四吸收劑2 627 kg/h、汽油吸收劑42 kg/h，兩者大致相當(dāng)，故忽略補(bǔ)充吸收劑的影響。

表3 兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝的產(chǎn)品產(chǎn)量及組成Table 3 Composition and yields of products obtained from the two schemes for the dry gas recovery

從表3可見，兩種方案的燃料氣量基本相當(dāng)，但方案一回收所得的富乙烷氣比方案二多1.33 t/h左右，相應(yīng)地方案一中輕烴的產(chǎn)量比方案二減少約1.38 t/h。

從表3還可見，由方案一回收所得富乙烷氣中乙烷的含量為53.73%（x），低于方案二中乙烷的含量（58.46%（x）），但對(duì)于乙烷+丙烷的含量，方案一為84.09%（x），略高于方案二的82.73%（x）；對(duì)于輕烴產(chǎn)品，方案一回收得到的輕烴中主要為碳四、碳五，而方案二中的輕烴除碳四、碳五外，還含有23.52%（x）的丙烷（主要為凝液汽提塔釜液相中所夾帶的丙烷），其平均相對(duì)分子質(zhì)量明顯小于方案一中的輕烴；燃料氣的組成，兩種方案差別很小。

總體來看，兩種方案回收得到的富乙烷氣中甲烷的含量均低于4%（x）、O2含量低于10×10-6（x），是優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)裂解原料，可直接送至乙烯裝置的乙烷爐；輕烴產(chǎn)品主要為丁烷和戊烷，也是比較好的裂解原料，可直接送至乙烯裝置的輕烴爐。

兩種方案中富乙烷氣和輕烴的產(chǎn)量及組成不同，作為裂解原料得到的裂解產(chǎn)品的產(chǎn)量可能會(huì)有所不同。因此，對(duì)以富乙烷氣和輕烴為裂解原料時(shí)主要產(chǎn)物乙烯、丙烯、丁烯及1，3-丁二烯的收率進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見表4。由表4可看出，由方案一可獲得的乙烯、丙烯、丁烯、1，3-丁二烯的流量分別為8.21，2.70，0.78，0.62 t/h；由方案二可獲得的乙烯、丙烯、丁烯、1，3-丁二烯的流量分別為8.22，2.71，0.79，0.62 t/h。這說明，采用兩種方案回收得到的富乙烷氣和輕烴作為乙烯裝置的裂解原料，整體效果基本相同。

表4 兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝產(chǎn)品的裂解產(chǎn)物收率Table 4 Yields of crackates obtained from the two schemes for the dry gas recovery

3.2 各塔操作條件的對(duì)比

在塔壓及理論板數(shù)相同的條件下，對(duì)兩種方案中各塔的操作溫度及所需的熱負(fù)荷進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

表5 兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝流程塔設(shè)備的操作條件Table 5 Operation conditions of towers in the two schemes for the dry gas recovery

從表5可見，兩種方案中對(duì)應(yīng)的塔頂溫度基本一致，差別在于塔釜溫度。首先，由于方案二將干氣經(jīng)壓縮后產(chǎn)生的凝液分離出來送往凝液汽提塔進(jìn)行處理，可以降低碳四吸收塔和碳四解吸塔的塔釜蒸發(fā)溫度，所以方案二中這兩個(gè)塔的塔釜溫度比方案一低3～4 ℃左右；其次，為了避免汽油穩(wěn)定塔的塔釜溫度過高，在兩個(gè)方案中都將其控制在160℃，而兩個(gè)方案中的汽油吸收塔的操作溫度較低且相差不大。

從表5還可見，方案二中碳四吸收塔與碳四解吸塔所需的熱負(fù)荷均低于方案一，但汽油穩(wěn)定塔熱負(fù)荷高于方案一。由于方案二采用凝液汽提塔來處理干氣凝液，所以該塔再沸器還需一部分熱量，但負(fù)荷不大。以總量計(jì)，方案一中碳四吸收塔、碳四解吸塔和汽油穩(wěn)定塔共需熱負(fù)荷10.918 MW，而方案二中凝液汽提塔、碳四吸收塔、碳四解吸塔以及汽油穩(wěn)定塔共需熱負(fù)荷10.862 MW，方案二略低，但兩者差別較小。

3.3 公用工程及能耗的對(duì)比

為了降低能耗，對(duì)兩個(gè)方案的換熱流程進(jìn)行優(yōu)化。在方案一中，碳四解吸塔塔釜抽出的貧碳四吸收劑和汽油穩(wěn)定塔塔釜抽出的貧汽油吸收劑溫度較高，可分別先通過碳四吸收塔的兩臺(tái)中間再沸器對(duì)提餾段抽出液進(jìn)行加熱，然后再用來預(yù)熱汽油穩(wěn)定塔的進(jìn)料；在方案二中，碳四解吸塔塔釜的貧碳四吸收劑同樣先通過碳四吸收塔的中間再沸器加熱提餾段抽出液，然后再去預(yù)熱汽油穩(wěn)定塔進(jìn)料，而汽油穩(wěn)定塔塔釜的貧汽油吸收劑則可先用來作為凝液汽提塔塔釜再沸器的熱源，然后再去預(yù)熱汽油穩(wěn)定塔的進(jìn)料。

兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝流程的公用工程及能耗見表6。為方便比較，碳四吸收塔、碳四解吸塔及汽油穩(wěn)定塔的塔釜再沸器均采用1.0 MPa飽和蒸汽作熱源，但實(shí)際運(yùn)行中，為節(jié)能可根據(jù)各塔釜溫度選擇相應(yīng)等級(jí)的蒸汽或采用煉油廠低溫余熱作為熱源。

表6 兩種飽和干氣淺冷油吸收工藝流程的公用工程及能耗Table 6 Utilities and energy consumption in the two schemes for the dry gas recovery

由表6可看出，兩個(gè)方案中所消耗的循環(huán)水量及蒸汽量大致相當(dāng)，主要差別在于電耗及7 ℃冷凍水耗量。由于方案二中凝液汽提塔塔頂氣相返回壓縮機(jī)重復(fù)升壓，所以電耗增加；在方案一中將低溫干氣凝液直接送至碳四吸收塔，降低了塔內(nèi)溫度并起到了部分碳四吸收劑的作用，從而降低了碳四吸收劑的循環(huán)量，所以用來冷卻循環(huán)碳四的7 ℃冷凍水耗量比方案二相應(yīng)減少。經(jīng)過折算，方案一的綜合能耗（以標(biāo)準(zhǔn)油計(jì)）為2 222.8 kg/h（每噸原料的能耗合標(biāo)準(zhǔn)油77.8 kg），低于方案二的綜合能耗2 291.9 kg/h（每噸原料的能耗合標(biāo)準(zhǔn)油80.2 kg）。

4 結(jié)論

1）針對(duì)國內(nèi)某煉油廠副產(chǎn)飽和干氣的實(shí)際情況，提出了淺冷油吸收工藝流程方案。采用VMGSim流程模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，考察了將凝液直接送至碳四吸收塔（方案一）和將凝液送至凝液汽提塔（方案二）兩種回收方案。

2）采用兩種方案回收得到的富乙烷氣和輕烴的產(chǎn)量及組成不同。與方案二相比，方案一富乙烷氣產(chǎn)量多1.33 t/h、輕烴產(chǎn)量少1.38 t/h；但將其作為乙烯裝置裂解原料，兩個(gè)方案獲得的乙烯、丙烯、丁烯和1，3-丁二烯等主要裂解產(chǎn)物的產(chǎn)量基本相同。

3）由于方案二將干氣凝液分離出來送往凝液汽提塔進(jìn)行處理，碳四吸收塔和碳四解吸塔的塔釜溫度比方案一降低3～4 ℃，但綜合能耗（每噸原料的能耗合標(biāo)準(zhǔn)油）比方案一高2.4 kg。

4）方案二中需增加一臺(tái)凝液汽提塔，設(shè)備投資相應(yīng)增加。綜合來看，將干氣凝液直接送入碳四吸收塔進(jìn)行回收比將其送入凝液汽提塔進(jìn)行回收具有能耗低、投資省的優(yōu)勢(shì)，所以推薦采用方案一對(duì)該煉油廠飽和干氣進(jìn)行回收，預(yù)期可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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（編輯 李治泉）

Simulation on Recovery of Refinery Dry Gas by Means of Shallow-Cool Oil-Absorption Technology

Zhang Jingsheng
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The shallow-cool oil-absorption technology was applied to the separation of C2+in dry gas from a refinery. Two schemes were designed in the light of different treatment ways of the gas condensate，in which，Scheme Ⅰ was for the recovery of the gas condensates in the C4absorption tower and Scheme Ⅱ was for the recovery of the gas condensates in the stripping tower. The simulation results obtained by VMGSim software revealed that the ethane-rich gas in schemeⅠ was 1.33 t/h more than that in scheme Ⅱ whereas the light hydrocarbon in scheme I was 1.38 t/h less than that in SchemeⅡ. Both the ethane-rich gas and the light hydrocarbon obtained in the two schemes are excellent pyrolysis feedstock and they can be used to produce the same amount of crackate such as ethylene and propylene. Both the bottom temperatures of the C4absorption tower and C4desorption tower in SchemeⅡ is 3-4 ℃ lower than those in Scheme Ⅰ，but the total energy consumption in Scheme Ⅱ is 2.4 kg standard oil higher than that in Scheme Ⅰ.

recovery of dry gas；shallow-cool oil-absorption technology；process simulation；gas condensate；ethane-rich gas；light hydrocarbon

1000 - 8144（2014）09 - 1069 - 07

TQ 028.17

A

2014 - 04 - 15；［修改稿日期］ 2014 - 06 - 11。

張敬升（1982—），男，山東省沂水縣人，博士，工程師，電話 010 - 59702907，電郵 zhangjs.bjhy@sinopec.com。