強(qiáng)化吸收過程的吸收穩(wěn)定節(jié)能流程及模擬分析

雷 楊，曾丹林，王光輝，陳清林

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，武漢 430081；2.中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院/低碳化學(xué)與過程節(jié)能廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

強(qiáng)化吸收過程的吸收穩(wěn)定節(jié)能流程及模擬分析

雷 楊1，曾丹林1，王光輝1，陳清林2

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，武漢 430081；2.中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院/低碳化學(xué)與過程節(jié)能廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

開發(fā)了一種吸收塔帶有側(cè)線抽出的節(jié)能流程，新增吸收塔下部側(cè)線液相采出經(jīng)冷卻進(jìn)入平衡罐，吸收塔塔底油直接進(jìn)入穩(wěn)定塔。并從能量效益方面對比分析新流程與傳統(tǒng)“四塔流程”，研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)“四塔流程”相比，新流程的解吸塔再沸器負(fù)荷、平衡罐前冷卻器負(fù)荷及系統(tǒng)能耗分別降低12.2%，10.4%，5.2%。

吸收穩(wěn)定 吸收 節(jié)能 計(jì)算機(jī)模擬 過程系統(tǒng)

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油煉制及海上油氣處理等過程的輕烴處理。在保證產(chǎn)品精度的前提下降低系統(tǒng)能耗得到了廣泛的關(guān)注。考慮到吸收塔內(nèi)C1～C5等多組分的吸收速率，吸收塔塔底物流直接進(jìn)入解吸塔會導(dǎo)致部分C4和C5組分在解吸塔內(nèi)部循環(huán)。能量流上表現(xiàn)為部分解吸塔再沸器熱量轉(zhuǎn)移到平衡罐前冷凝器冷卻，本質(zhì)上屬于一種“隱蔽”的重復(fù)冷卻升溫。

目前，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)節(jié)能及改善吸收效果的研究主要集中在以下兩個方面：一是工藝流程創(chuàng)新。如周文娟等[1]提出一種帶有二級冷凝及中間再沸器的復(fù)合節(jié)能工藝，具有降低系統(tǒng)冷熱負(fù)荷及降低解吸氣量、緩解解吸塔負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)；陸恩錫等[2]對雙塔流程中吸收塔塔底油經(jīng)平衡罐進(jìn)入解吸塔和直接進(jìn)入解吸塔兩種流程進(jìn)行對比分析，認(rèn)為經(jīng)過平衡罐的流程總體效益更明顯；黃明富等[3]采用穩(wěn)定塔下部側(cè)線抽出物流替代穩(wěn)定汽油作為補(bǔ)充吸收劑，該流程具有改善吸收效果、能耗基本不變及改造投資少等特點(diǎn)；張達(dá)等[4]提出將富氣流向改為直接進(jìn)入解吸塔，新流程降低了解吸塔負(fù)荷，同時取消了氣壓機(jī)前的空氣冷卻。二是操作參數(shù)優(yōu)化。如閻龍等[5]使用靈敏度分析方法對延遲焦化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的主要影響因素進(jìn)行了分析，給出了解吸塔釜溫度、穩(wěn)定塔釜溫度等參數(shù)的優(yōu)化方案；李國慶等[6]認(rèn)為解吸率是影響系統(tǒng)能耗及產(chǎn)品收率的關(guān)鍵變量，借助流程模擬、能量優(yōu)化和數(shù)值回歸技術(shù)提出了求解吸收穩(wěn)定系統(tǒng)最優(yōu)解吸率的系統(tǒng)方法及具體實(shí)施手段。

本研究提出一種新型的節(jié)能工藝流程。該流程根據(jù)吸收塔中各組分吸收速率的差異，在吸收塔中下部側(cè)線采出液相并送入凝縮油罐，吸收塔塔底油直接進(jìn)入穩(wěn)定塔。避免系統(tǒng)內(nèi)部組分循環(huán)造成的重復(fù)冷卻升溫。并通過能量效益對比分析和評價傳統(tǒng)流程和所提出的新流程，為新流程的整體優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 節(jié)能型工藝流程及模擬模型

1.1 節(jié)能型工藝流程的提出

工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的吸收穩(wěn)定流程由吸收塔、再吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔等四塔構(gòu)成(簡稱“四塔流程”)，簡稱基準(zhǔn)流程，如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)流程T1—吸收塔；T2—再吸收塔；T3—解吸塔；T4—穩(wěn)定塔；D1—凝縮油罐；E1—凝縮油罐前冷卻器；E2、E3—吸收塔中間冷卻器；E4—解吸塔進(jìn)料換熱器；E5—解吸塔再沸器；E6—穩(wěn)定塔進(jìn)料換熱器；E7—穩(wěn)定塔塔頂冷卻器；E8—穩(wěn)定塔再沸器；E9—穩(wěn)定汽油冷卻器。 ◇物流編號。 圖2同

通過對解吸氣的組成分析發(fā)現(xiàn)其中含有一定量的C3～C5組分，造成了部分C3～C5組分在吸收塔和解吸塔之間的循環(huán)，在能量上表現(xiàn)為重復(fù)冷卻升溫(帶有相變過程)，造成了能源的浪費(fèi)。對吸收塔的吸收過程進(jìn)行機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，由于各組分在吸收劑中溶解度的差異，吸收塔內(nèi)組分的分布是C1和C2組分集中在塔頂上部快速吸收，C4和C5組分集中在塔底下部快速吸收，C3組分則在全塔范圍內(nèi)被吸收?；诖?，提出一種節(jié)能型吸收塔側(cè)線液相抽出流程，簡稱節(jié)能流程，如圖2所示。在塔下段增設(shè)側(cè)線液相抽出，抽出液相、壓縮富氣和解吸氣混合后進(jìn)入凝縮油罐前冷卻器，減少了進(jìn)入解吸塔的凝縮油量與解吸氣中的C4和C5組分含量，從而有效降低了解吸塔的解吸熱負(fù)荷[7]。

圖2 節(jié)能流程

圖2與圖1流程相比，新增吸收塔塔底油/穩(wěn)定汽油換熱器(E10)。吸收塔T1側(cè)線液相抽出(物流7)與富氣(物流1)及解吸塔T3塔頂解吸氣(物流10)混合進(jìn)入凝縮油罐前冷卻器(E1)。吸收塔塔底油(物流14)經(jīng)與穩(wěn)定汽油換熱(E10)后，直接進(jìn)入穩(wěn)定塔上部。與基準(zhǔn)流程相比，節(jié)能新流程待優(yōu)化的參數(shù)增加，如吸收塔側(cè)線抽出流量及位置、吸收塔塔底油進(jìn)料溫度及位置等。本課題在原有換熱網(wǎng)絡(luò)基本保持不變的前提下，僅從流程上對比分析基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的差異，不涉及操作參數(shù)等優(yōu)化。

通過建立基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程的模擬模型，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析對比。

1.2 工藝流程及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以國內(nèi)某煉油企業(yè)180 t/h催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)為例，建立如圖1所示的模擬模型。從平衡罐出來的液相按3∶7的比例分兩股進(jìn)入解吸塔脫除C2以下組分，基準(zhǔn)流程的進(jìn)料組成見表1。

表1 進(jìn)料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

注： NBP—恩氏蒸餾溫度，℃。

1.3 參數(shù)規(guī)定及熱力學(xué)方法

模擬建模中，各塔的塔板效率折算[8]、模擬規(guī)定及變量選擇見表2。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)屬于在低壓條件下涉及烴類、石油餾分和某些非烴類氣體形成的非極性體系，基準(zhǔn)及節(jié)能流程建模均選擇采用SRK熱力學(xué)模型[9]。

表2 各塔的塔板效率及參數(shù)規(guī)定

1.4 模擬結(jié)果

在PRO/II8.2下建立基準(zhǔn)和節(jié)能流程的模擬模型。將兩種流程中物料流量和操作參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，分別見表3和表4。兩種流程的模擬結(jié)果顯示指標(biāo)滿足要求，表明所采用的模擬方法能較準(zhǔn)確地反映分離過程。模擬結(jié)果中干氣的質(zhì)量相對誤差較大，一方面是由于干氣占產(chǎn)品的比例較小，另一方面是由于實(shí)際工況中，液化氣直接送入氣體分離裝置的脫乙烷塔，液化氣中含有較多C2組分。

表3 物料流量模擬結(jié)果對比

表4 操作參數(shù)模擬結(jié)果對比

吸收塔下段側(cè)線抽出液相和解吸氣組成見表5。由表5可知：節(jié)能流程中，解吸氣流量減小，可有效降低解吸塔再沸器負(fù)荷；解吸氣中攜帶的C4和C5組分減少，大部分的C4和C5組分需通過凝縮油罐前冷卻器冷凝，因此可有效降低該冷卻器的負(fù)荷。

圖3為解吸塔氣液相負(fù)荷對比。由圖3可知，隨著塔板數(shù)增加，節(jié)能流程的解吸塔內(nèi)氣相和液相負(fù)荷均小于基準(zhǔn)流程的氣相和液相負(fù)荷。由于解吸塔的目的是將C2以下組分解吸，而該部分在凝縮油中的含量很少，所以在圖3中表現(xiàn)為液相負(fù)荷遠(yuǎn)大于氣相負(fù)荷。此外，由于解吸塔采用冷熱雙股進(jìn)料，第2塊理論板進(jìn)料有液相的熱進(jìn)料，所以第2塊理論塔板存在液相負(fù)荷的突變。

2 流程評價

模擬結(jié)果表明，基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程均可實(shí)現(xiàn)特定的分離任務(wù)。事實(shí)上物料及能量效益滿足Pareto曲線[10]，通過經(jīng)濟(jì)性評價可實(shí)現(xiàn)物料和能量的同時優(yōu)化。

表5 吸收塔下段側(cè)線抽出液相和解吸氣組成 kg/h

圖3 解吸塔氣液相負(fù)荷對比

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的熱負(fù)荷包括解吸塔塔底再沸器負(fù)荷、穩(wěn)定塔塔底再沸器負(fù)荷。冷卻負(fù)荷包括凝縮油罐前冷卻器冷卻負(fù)荷、吸收塔中段取熱量、穩(wěn)定塔冷凝器冷卻負(fù)荷以及穩(wěn)定汽油冷卻器冷卻負(fù)荷(即換熱器E9，出口溫度為40 ℃)。而解吸塔進(jìn)料加熱負(fù)荷、吸收塔塔底富吸收油進(jìn)料加熱器負(fù)荷和脫乙烷汽油進(jìn)料加熱器負(fù)荷屬于系統(tǒng)內(nèi)部余熱回收，不予考慮。為了基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程的對比更為合理，吸收塔的冷卻負(fù)荷保持不變(換熱器E2和E3)，穩(wěn)定汽油(含補(bǔ)充吸收劑)總的冷卻負(fù)荷保持不變，即換熱器E4和E9的負(fù)荷保持不變，基準(zhǔn)流程中換熱器E6的熱負(fù)荷等于節(jié)能流程中換熱器E6及E10的熱負(fù)荷之和。在同樣的進(jìn)料和產(chǎn)品質(zhì)量下，節(jié)能流程與基準(zhǔn)流程主要能耗點(diǎn)冷熱負(fù)荷的比較如圖4所示。

圖4 主要耗能點(diǎn)對比

節(jié)能流程中充分利用了穩(wěn)定汽油余熱，有效降低了凝縮油罐前冷卻器、解吸塔再沸器和穩(wěn)定塔冷凝器的負(fù)荷。與基準(zhǔn)流程相比，節(jié)能流程中解吸塔再沸器負(fù)荷降低12.2%，凝縮油罐前冷卻器負(fù)荷降低10.4%，穩(wěn)定塔再沸器負(fù)荷增加1.5%，穩(wěn)定塔冷凝器負(fù)荷減小10.4%。根據(jù)能耗折算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程的能耗分別為480.88 MJ/t和455.79 MJ/t。與基準(zhǔn)流程相比，吸收塔帶有側(cè)線抽出的節(jié)能工藝能耗降低5.2%。

3 結(jié) 論

(1) 在一定的分離精度要求下，通過流程改進(jìn)或操作參數(shù)優(yōu)化，減少或消除不必要的內(nèi)部循環(huán)，能有效降低系統(tǒng)能源消耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分離精度與能耗的權(quán)衡。

(2) 基于吸收過程機(jī)理，在吸收塔的側(cè)線設(shè)置液相采出進(jìn)入平衡罐前冷卻器，塔底物流直接進(jìn)入穩(wěn)定塔，能有效減少傳統(tǒng)流程中C4～C5在塔內(nèi)的重復(fù)冷卻升溫。所提出的節(jié)能新流程具有解吸塔再沸器負(fù)荷低、平衡罐前冷卻負(fù)荷低、系統(tǒng)能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

(3) 案例研究表明，新流程的解吸塔再沸器負(fù)荷、平衡罐前冷卻器負(fù)荷及系統(tǒng)能耗分別降低12.2%，10.4%，5.2%，節(jié)能效果明顯。

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SIMULATION ANALYSIS FOR ENERGY SAVING PROCESS OF ABSORPTION AND STABILIZATION SYSTEM OF INTENSIFIED ABSORPTION PROCESS

Lei Yang1， Zeng Danlin1， Wang Guanghui1， Chen Qinglin2

(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081； 2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SunYat-SenUniversityKeyLabofLow-carbonChemistry&EnergyConservation)

A novel and energy saving flowsheet is proposed in which a side draw line was added in the absorber. The bottom stream of the absorber flows into the stabilization column， and the liquid stream from the side line at the lower part of the tower enters the flash tank through cooling. The comparison of new flowsheet and conventional “four tower process” are made in view of energy efficiency. The study shows that the reboiling duty， cooling duty in front of the flash tank and energy consumption are reduced by 12.2%， 10.4% and 5.2%， respectively， compared with the conventional flowsheet.

absorption and stabilization system； absorption； energy saving； computer simulation； process systems

2015-04-28； 修改稿收到日期： 2015-07-05。

雷楊，博士，講師，研究方向?yàn)檫^程系統(tǒng)工程。

王光輝，E-mail：wghwang@263.net。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21473126)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20124219110002)。