輕石腦油分離裝置中熱耦合的應(yīng)用

楊兆銀 唐綺穎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

輕石腦油由C4～C6等多種烴類的混合物組成，含有大量的異構(gòu)C5、C6組分，直接用作乙烯裂解料，乙烯收率會受到影響；另一方面，輕石腦油自身辛烷值較低，無法大量調(diào)入汽油。為了有效利用輕石腦油資源，可將輕石腦油中正、異構(gòu)烷烴分離，富含正構(gòu)烷烴油作為乙烯裂解料，異構(gòu)烷烴油進(jìn)一步分離可生產(chǎn)高純度異戊烷產(chǎn)品以及高辛烷值清潔汽油的優(yōu)質(zhì)調(diào)和料（富含異構(gòu) C6）。

輕石腦油分離工藝可以實(shí)現(xiàn)以上所述的分離要求，整個工藝主要包括吸附單元和精餾單元兩部分。吸附單元以分子篩為吸附劑，氣相輕石腦油通過吸附塔時，正構(gòu)烷烴被分子篩吸附，將異構(gòu)烷烴分離出來。異構(gòu)烷烴在精餾單元經(jīng)過脫重、脫輕，分離出高純度異戊烷產(chǎn)品。輕石腦油分離流程工藝簡單，分離效率高，但是精餾操作的能耗相對比較高。以200 kt/a輕石腦油分離裝置為例，吸附單元和精餾單元的公用工程能耗見表1。從表1中可以看出，裝置大部分能耗集中在精餾單元，換句話說降低精餾單元的能耗是最有效的節(jié)能途徑。

表1 輕石腦油分離裝置公用工程能耗表

文中提出以一種熱耦合的方法優(yōu)化精餾單元流程，將進(jìn)入脫重塔進(jìn)料冷凝器的物流作為脫重塔塔底再沸器的熱源，與脫重塔塔釜物料進(jìn)行換熱，減少了蒸汽和循環(huán)冷卻水的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 工藝流程簡介

1.1 常規(guī)輕石腦油分離工藝

常規(guī)輕石腦油分離裝置（不考慮熱耦合）的工藝流程見圖1。液相輕石腦油加熱氣化后進(jìn)入吸附塔，正構(gòu)烷烴被分子篩吸附劑吸附，其余異構(gòu)烷烴從塔頂流出。氣相異構(gòu)烷烴在進(jìn)料冷凝器中冷卻后進(jìn)入脫重塔中部，脫除C6等異構(gòu)烷烴重組分。然后繼續(xù)進(jìn)入脫輕塔中部，脫除C4等異構(gòu)烷烴輕組分，異戊烷產(chǎn)品從脫輕塔塔頂餾出。

1.2 優(yōu)化的輕石腦油分離工藝

優(yōu)化后的輕石腦油分離裝置（利用熱耦合）的工藝流程見圖2。

優(yōu)化后的輕石腦油分離工藝與常規(guī)工藝流程相比，增加了一臺脫重塔再沸器（脫重塔蒸汽再沸器僅開車時使用）。吸附塔塔頂?shù)玫降臍庀喈悩?gòu)烷烴大部分進(jìn)入脫重塔再沸器，代替蒸汽加熱塔釜物料，冷凝后與小部分在進(jìn)料冷凝器中冷凝的異構(gòu)烷烴混合，作為脫重塔的進(jìn)料送入脫重塔中部。異構(gòu)烷烴進(jìn)入脫重塔再沸器的流量由脫重塔靈敏板上測得的溫度來控制。其它流程不變。

2 熱耦合操作條件的確定

圖1 輕石腦油分離工藝流程（不考慮熱耦合）

圖2 輕石腦油分離工藝流程（利用熱耦合）

熱耦合過程最關(guān)鍵的操作條件是脫重塔的塔頂壓力。塔頂壓力與脫重塔再沸器、脫重塔塔頂冷凝器以及脫重塔的工作情況都密切相關(guān)，在很大程度上影響了這些設(shè)備尺寸的計(jì)算。下面以200 kt/a輕石腦油分離裝置數(shù)據(jù)為例，通過分析不同塔頂壓力對這些設(shè)備尺寸的影響，來確定合適的熱耦合操作條件。

2.1 塔頂壓力對再沸器尺寸的影響

來自吸附塔塔頂異構(gòu)烷烴和脫重塔塔釜物料在脫重塔再沸器中進(jìn)行熱耦合。異構(gòu)烷烴的介質(zhì)狀態(tài)是過熱氣相，流量及性質(zhì)見表2。從表2中可以看出，異構(gòu)烷烴在再沸器中從193 ℃冷卻至116 ℃。從圖3上看到不同塔頂壓力下的塔釜溫度以及異構(gòu)烷烴與塔釜物料的傳熱溫差。隨著脫重塔塔頂壓力的不斷增加，對應(yīng)的塔釜溫度也隨之提高，而異構(gòu)烷烴與塔釜物料的對數(shù)平均溫差隨之減小。塔頂壓力為350 kPa（本文所標(biāo)示的壓力均為表壓）時，脫重塔塔釜溫度達(dá)到117 ℃，比異構(gòu)烷烴冷凝溫度高，熱耦合無法實(shí)現(xiàn)。因此，脫重塔塔頂壓力必須小于350 kPa。

表2 異構(gòu)烷烴流量及性質(zhì)

圖3 塔頂壓力對塔釜溫度、對數(shù)平均溫差的影響

脫重塔再沸器的熱負(fù)荷基本不變，當(dāng)異構(gòu)烷烴與塔釜物料之間的換熱溫差隨著脫重塔塔頂壓力的改變而變化時，脫重塔再沸器所需的換熱面積也隨之變化。換熱器總傳熱系數(shù)估計(jì)為221～430 W/(m2?K)[1]，這里選取300 W/(m2?K)作為總傳熱系數(shù)進(jìn)行換熱面積的估算。圖4為不同塔頂壓力下再沸器換熱面積估算值，可以看出隨著塔頂壓力的增大，所需的再沸器換熱面積也隨之增加。

利用軟件HTRI6.0對再沸器進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步計(jì)算得到再沸器的凈重，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出脫重塔塔頂壓力越高，再沸器凈重越大，說明設(shè)備費(fèi)用越高。

圖4 不同塔頂壓力下的再沸器換熱面積

圖5 不同塔頂壓力下的再沸器凈重

圖6 塔頂壓力對塔頂冷凝溫度、對數(shù)平均溫差的影響

塔頂冷凝器的熱負(fù)荷基本不變，當(dāng)塔頂餾出物料與冷卻劑之間的換熱溫差隨著脫重塔塔頂壓力的改變而變化時，塔頂冷凝器所需的換熱面積也隨之變化。換熱器總傳熱系數(shù)估計(jì)為430 ～ 848 W/(m2?K)[1]，這里選取800 W/(m2?K)作為總傳熱系數(shù)進(jìn)行換熱面積的估算。圖7為不同塔頂壓力下冷凝器換熱面積估算值，隨著塔頂壓力的增大，所需的冷凝器換熱面積也隨之減小。塔頂壓力從100 kPa增加到150 kPa過程中，換熱面積的減小趨勢最大，塔頂壓力從150 kPa增加到300 kPa過程中，換熱面積繼續(xù)減小，但減小趨勢明顯平緩。

利用軟件HTRI6.0對冷凝器進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步計(jì)算得到冷凝器的凈重，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出冷凝器換熱面積變化趨勢與圖7基本相同，脫重塔塔頂壓力越高，冷凝器凈重越小，說明設(shè)備費(fèi)用越低。

圖7 不同塔頂壓力下的冷凝器換熱面積

2.2 塔頂壓力對塔頂冷凝器尺寸的影響

脫重塔塔頂餾出氣相在脫重塔塔頂冷凝器中全部冷凝為液相，常用冷卻劑為循環(huán)冷卻水，進(jìn)口溫度33℃。圖6為不同塔頂壓力下，塔頂餾出物料的冷凝溫度和以及塔頂物料與循環(huán)冷卻水之間的傳熱溫差。當(dāng)塔頂壓力為50 kPa時，塔頂?shù)睦淠郎囟戎挥?7℃，循環(huán)冷卻水無法將之冷凝，必須改用其它冷卻劑。這樣可能造成冷卻劑的費(fèi)用增加，因此，這里的塔頂壓力應(yīng)該高于50 kPa。

2.3 塔頂壓力對脫重塔尺寸的影響

脫重塔內(nèi)精餾過程受到塔的操作壓力的影響，一旦改變塔的操作壓力，將使每塊塔板上的氣液相平衡的組成發(fā)生改變。壓力升高，則氣相中的重組分減少，相應(yīng)的提高了氣相中的輕組分的濃度；液相中的輕組分含量增加，同時也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少。因此，脫重塔內(nèi)氣相的體積流量隨著塔頂壓力的提高而減小，如圖9所示。在一定的空塔速度下，塔內(nèi)的氣相體積負(fù)荷變小，由氣相負(fù)荷決定的塔徑就越小。對塔設(shè)備的凈重（包括：塔體、塔內(nèi)件以及平臺）進(jìn)行估算，當(dāng)塔徑縮小時，塔內(nèi)件和平臺的重量隨之減少，但是塔體壁厚增加引起塔體重量增加。從圖10可以看出塔設(shè)備的總凈重隨著塔頂壓力的提高呈先減少后增加的趨勢，當(dāng)塔頂壓力是250 kPa時，塔設(shè)備的總凈重最小。

圖8 不同塔頂壓力下的冷凝器凈重

2.4 塔頂壓力的確定

以上是脫重塔精餾系統(tǒng)主要設(shè)備（脫重塔再沸器、脫重塔塔頂冷凝器、脫重塔）的重量受到塔頂壓力變化影響的結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，塔頂壓力為250 kPa時，三者的重量之和最小，此時設(shè)備的投資費(fèi)用最省。即塔頂壓力控制在250 kPa是最優(yōu)的熱耦合操作條件。

3 節(jié)能效果

圖9 不同塔頂壓力下的塔內(nèi)氣相體積流量

圖10 不同塔頂壓力下的塔設(shè)備凈重量

優(yōu)化后的進(jìn)料冷凝器熱負(fù)荷從2.5 MW減少到0.2 MW，脫重塔塔釜蒸汽再沸器熱負(fù)荷從2.3 MW減少到0 MW。精餾單元的公用工程能耗從8.38 MW減少到3.78 MW，較原精餾單元降低了約54.9%的能耗，節(jié)能效果顯著。表3為優(yōu)化后200 kt/a輕石腦油分離裝置的節(jié)省能耗表。從表3可看出每年可節(jié)省費(fèi)用600多萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

表3 節(jié)省能耗計(jì)算表

4 結(jié)論

本文提出一種在輕石腦油分離裝置中利用熱耦合方法優(yōu)化精餾單元的新工藝流程。優(yōu)化后的工藝流程，可以降低精餾單元約54.9%的能耗，節(jié)能效果顯著，使輕石腦油分離技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上更有競爭力。

熱耦合等優(yōu)化工藝流程的方法對降低石油化工過程的能耗起非常重要的作用，化工精餾過程的優(yōu)化節(jié)能技術(shù)開發(fā)將越來越受到重視[2]。

[1] 中石化上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊4版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：656.

[2] 高維平,楊瑩,張吉波.化工精餾高效節(jié)能技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2008,25(3):1-5.