催化重整裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與優(yōu)化

高東斌，彭昌根

(中海煉化惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086)

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催化重整裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與優(yōu)化

高東斌，彭昌根

(中海煉化惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086)

運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)催化重整裝置現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)夾點(diǎn)之下因使用熱公用工程，導(dǎo)致冷公用工程超目標(biāo)值186%，熱公用工程超目標(biāo)值136%，E204取熱過(guò)多導(dǎo)致重整生成油出裝置溫度低，增加了4.4 MW熱量消耗。通過(guò)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，合理取熱，熱公用工程減少26.4%，冷公用工程減少37.6%，換熱面積減少10.4%。實(shí)現(xiàn)了能量合理回收利用，提高了裝置經(jīng)濟(jì)性。

催化重整；夾點(diǎn)技術(shù)；能量松弛

催化重整是主要的石油二次加工過(guò)程之一，全世界約70%的芳烴來(lái)自于煉油廠的催化重整裝置，而隨著石油化工、精細(xì)化工的迅速發(fā)展，對(duì)芳烴的需求量不斷增加[1]，這為重整工業(yè)創(chuàng)造了較大的發(fā)展空間。催化重整裝置在煉油廠中是能耗最大的裝置之一。隨著催化劑性能的不斷發(fā)展，催化重整反應(yīng)條件越來(lái)越來(lái)苛刻，反應(yīng)壓力越來(lái)越低，轉(zhuǎn)化深度越來(lái)越深，能耗也隨之增加。催化重整過(guò)程以石腦油為原料，生產(chǎn)高辛烷值汽油或富含芳烴的原料，反應(yīng)過(guò)程為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，中間反應(yīng)物料需要多次加熱，所以裝置燃料氣消耗量很大[2]。

原油價(jià)格、燃料氣價(jià)格及其他公用工程價(jià)格波動(dòng)極大影響了煉廠經(jīng)濟(jì)效益，因此降低能耗是催化重整工藝一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。UOP CYCLMAX工藝通過(guò)以下方面降低裝置能耗：(1)反應(yīng)器出口高溫油氣預(yù)熱進(jìn)料石腦油、精餾塔塔底熱流與進(jìn)料換熱以回收過(guò)程熱量，降低燃料氣消耗。(2)混合進(jìn)料換熱器采用純逆流焊板式換熱器，利于深度換熱，提高傳熱效率。(3)循環(huán)氫壓縮機(jī)采用9.5 MPa蒸汽背壓至3.5 MPa蒸汽式透平驅(qū)動(dòng)，增壓機(jī)采用3.5 MPa蒸汽的凝氣式透平驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蒸汽逐級(jí)利用。煉油廠通過(guò)提高加熱爐效率，降低排煙溫度等措施降低重整裝置能耗[3]。以上方法并沒有從換熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)催化重整工藝用能情況進(jìn)行分析，沒有最大化回收系統(tǒng)熱量。換熱網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)換熱器構(gòu)成的子系統(tǒng)，通過(guò)工藝物流之間換熱來(lái)降低能耗。換熱網(wǎng)絡(luò)的合成可用于系統(tǒng)熱量集成，以降低公用工程消耗、減少換熱單元數(shù)以及降低總操作費(fèi)用。

夾點(diǎn)技術(shù)[4]作為一種成熟的過(guò)程系統(tǒng)用能分析方法，已在多套裝置取得明顯效果。但是運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)降低重整能耗的研究卻很少。馬曉明等[5]運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)連續(xù)重整生產(chǎn)過(guò)程用能分析，根據(jù)冷熱組合曲線確定夾點(diǎn)位置，參考夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)提出改造方案，冷熱公用工程分別節(jié)約18.2%和10.5%，但組合曲線法確定夾點(diǎn)位置過(guò)程繁雜且易于出錯(cuò)。紀(jì)明山等[6]通過(guò)Aspen energy analyzer軟件對(duì)重整裝置預(yù)加氫工段進(jìn)行能量分析并優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化后公用工程節(jié)能23.5%，該分析并沒有考慮重整工段，只是做了換熱網(wǎng)絡(luò)的局部?jī)?yōu)化。

本文通過(guò)對(duì)催化重整裝置現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析，利用問(wèn)題表格法求解并繪制總組成曲線，找到系統(tǒng)過(guò)程夾點(diǎn)，識(shí)別換熱網(wǎng)絡(luò)中違背夾點(diǎn)原理的設(shè)計(jì)并根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)原理予以改進(jìn)，部分冷熱物流重新匹配，最大化熱量回收，以減少公用工程消耗，降低重整裝置能耗。

1 催化重整工藝流程

圖1為催化重整簡(jiǎn)化工藝流程，預(yù)加氫精制油與加氫精制重石腦油混合進(jìn)入重整反應(yīng)器反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)再接觸回收輕烴送至脫除C5及以下輕烴組分，塔底重整生成油經(jīng)塔底進(jìn)料換熱器換熱直接送至芳烴聯(lián)合裝置。

圖1 重整裝置設(shè)計(jì)工藝流程

2 夾點(diǎn)技術(shù)原理和方法

考慮到催化重整裝置部分物流存在著禁止匹配以及換熱網(wǎng)絡(luò)改造的可行性，并未提取所有冷熱物流數(shù)據(jù)，僅提取可用于熱量回收的物流物性數(shù)據(jù)。例如重整反應(yīng)器出口熱物流并不適合分流與其他物流換熱，工業(yè)上通常采用高效的板式換熱器使進(jìn)料換熱終溫達(dá)到443 ℃，降低重整裝置能耗。此外，不必要的分流或復(fù)雜的換熱流程將導(dǎo)致重整反應(yīng)系統(tǒng)壓降升高，這對(duì)于超低壓重整是不利的。根據(jù)重整工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)提取了6個(gè)熱物流數(shù)據(jù)和6個(gè)冷物流數(shù)據(jù)。

存在相變過(guò)程的物流，由于相變潛熱和顯熱存在明顯差異，須對(duì)物流分段處理。相變過(guò)程熱量變化由下式計(jì)算：

Qi=mi·ri

(1)

顯熱變化過(guò)程熱量變化由下式計(jì)算：

Qi=MCPi(To-Ti) (2)

續(xù)表1

C4450123023054405012301780272545542C5133413405440441909134013484152866609C63805753021660257570039329901

3 CCR換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與改造

3.1 CCR換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析

由問(wèn)題表法計(jì)算得到于溫度為236 ℃處熱通量為0 MW(見圖2 GCC曲線)，該處熱量傳遞受熱力學(xué)第一定律限制，傳熱溫差必須大于等于最小傳熱溫差，保證傳熱推動(dòng)力，該處即為夾點(diǎn)。夾點(diǎn)之上需要由熱公用工程提供熱量，該處溫度高達(dá)236 ℃，為保證足夠的傳熱推動(dòng)力，應(yīng)當(dāng)以中壓蒸汽或加熱爐作為加熱熱源，煉廠中通常采用加熱爐做熱源。夾點(diǎn)之下位于150 ℃左右的物流則可由空冷冷卻再用水冷冷卻至目標(biāo)溫度。

圖2 總組成曲線

圖3為實(shí)際的換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖，冷物流C3位于夾點(diǎn)之下卻使用了熱公用工程(即H3加熱器)，這不僅增加了熱公用工程，同時(shí)使得這部分熱量浪費(fèi)，夾點(diǎn)之下的熱物流不得不采用額外的冷公用工程冷卻，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了能量利用的嚴(yán)懲。C3物流完全汽化，該過(guò)程為潛熱變化，實(shí)際計(jì)算得到汽化所需的熱量為1.8 MW，同時(shí)夾點(diǎn)之下的熱物流需要額外1.8 MW的冷公用工程，共增加了3.6 MW公用工程消耗。

圖3 現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖

由圖3可見，熱物流H2經(jīng)E204取熱后由228 ℃冷卻至97 ℃作為熱供料直接送到芳烴聯(lián)合裝置。熱物流H2進(jìn)入重整油塔前須經(jīng)塔底進(jìn)料熱交換器E401加熱至129 ℃，物流H2先經(jīng)E204冷卻而后又加熱，由熱量衡算很容易得到物流H2由97 ℃升溫到129 ℃需要額外提供4.4 MW熱量。這樣的設(shè)計(jì)使得熱公用工程消耗23.6 MW，而理論上最小熱公用工程消耗只有17.3 MW；冷公用工程消耗13.2 MW，最小冷公用工程消耗只有7.1 MW，H3熱加熱器不正確配置以及E401過(guò)量的取熱使得熱冷公用工程分別超目標(biāo)值136.0%和186.4%。其結(jié)果如表2所示。

表2 公用工程消耗對(duì)比

3.2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造

位于夾點(diǎn)之下的加熱器H3需要被移除，冷物流C5則需由熱物流換熱至完全氣化。受最小傳熱溫差的限制，只有熱物流H1和H2溫度品味滿足最小推動(dòng)力的要求，熱物流H1需要保證汽提塔進(jìn)料溫度，不適合分流以加熱C5物流。因此需用熱物流H2分流加熱冷物流C5(如圖4所示E2熱交換器)，H2物流由E2取走1.8 MW熱量，冷物流C3換熱終溫將降低，脫戊烷塔底熱負(fù)荷則會(huì)直線上升。不難發(fā)現(xiàn)熱物流H3(即汽提塔塔頂氣相物流)的熱量尚未被完全利用，且具有足夠的溫差推動(dòng)力，預(yù)先用H3預(yù)熱冷物流C3(如圖4所示E1換熱器)，保證C3換熱終溫的同時(shí)提高H2終溫，可以取消E401，避免能量的浪費(fèi)。

圖4 改造換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖

催化重整裝置常常受氯腐蝕影響而不得不停工檢修換熱器，換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)改造必須要考慮因腐蝕問(wèn)題的禁止匹配。易于出現(xiàn)腐蝕的物流避免與其他工藝物流匹配，以免泄露造成事故。煉廠實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，重整裝置腐蝕主要發(fā)生在脫戊烷塔和脫丁烷塔頂冷卻器。這些低溫部位銨鹽積聚導(dǎo)致?lián)Q熱器腐蝕穿孔，汽提塔頂雖然也是低溫操作，但卻鮮有出現(xiàn)換熱器腐蝕泄露的情況。因此利用汽提塔頂熱源預(yù)熱脫戊烷進(jìn)料的匹配是可行的。

如圖4所示，E204-E1-C2構(gòu)成了一個(gè)熱負(fù)荷路徑(黃色標(biāo)記線條)，顯然E1的取熱量顯得至關(guān)重要，取熱量過(guò)大，E1溫差推動(dòng)力小，所需的換熱面積大；取熱量過(guò)小，E204熱負(fù)荷大，熱物流H2換熱終溫將大大降低，需要額外的加熱器加熱物流H2至泡點(diǎn)溫度。當(dāng)E1取熱量為5.0 MW時(shí)，冷端傳熱溫差為12.5 ℃，大于最小傳熱溫差，在保證最小傳熱溫差的同時(shí)且熱物流H2終溫提高至126.2 ℃。熱公用工程減少了26.5%，冷公用工程減少了37.6%。優(yōu)化E204取熱，生成油直供芳烴溫度提高至126.2 ℃，減少不必要的熱量消耗和換熱單元，所需換熱面積減少10.4%。

圖5 改造換熱流程

HENdesignHENretrofitedsaving/%Heating/MW235173265Cooling/MW13282376Totalarea/m24066036423104

4 結(jié) 論

重整裝置現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)中脫丁烷塔底再沸器在夾點(diǎn)之下使用了熱公用工程，導(dǎo)致了能量利用嚴(yán)懲，冷熱公用工程均超過(guò)了目標(biāo)值10%。由于E204不合理的取熱導(dǎo)致生成油至芳烴聯(lián)合裝置熱量需重新加熱，浪費(fèi)了4.4 MW的熱量。

取消脫丁烷塔底蒸汽加熱器，由脫戊烷底油供熱，重整生成油進(jìn)料預(yù)先由汽提塔頂氣相預(yù)熱，減少E204取熱，保證脫戊烷塔進(jìn)料溫度的同時(shí)提高生成油至芳烴聯(lián)合裝置供料溫度，可移除E401。熱公用工程節(jié)約 26.5%，冷公用工程節(jié)約37.6%，同時(shí)換熱面積減少10.4%。

[1] Qiu Jiang. Present situation and research progress of aromatic aromatic-hydrocarbon production technology[J]. Contemporary Chemical Industry, 2006, 35(5):313-317.

[2] YuanZhongxun. Energy consumption analysis and energy conservation measures for Semi-regenerative catalytic reformer[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals, 1996, 27(4):30-33.

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[7] Ian C Kemp. Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy. 2nd [M]. Oxford: Elsevier, 2007:46-47.

Pinch Analysis and Optimization of Heat Exchanger Network for CCR Plant

GAO Dong-bin, PENG Chang-gen

(CNOOC Huizhou Refinery, Guangdong Huizhou 516086, China)

The exiting heat exchanger network of naphtha reformer plant was analyzed based on pinch theory. It showed that the cooler was in use below the pinch point, leading the cooling and heating utility duties exceed the target of 186% and 136% respectively. And the temperature of reformate to aromatic plant was not eligible due to too much heat transfer by E204, which increased an extra 4.4 MW of energy consumption. Both heating and cooling utility duties were sharply reduced by retrofitting the heat exchanger network (heating utility of 26.4%, cooling utility of 37.6%), while the total heat transfer area required was reduced by almost 10.4%. the energy was recycled reasonably, and made novel network more economically feasible.

naphtha reformer; pinch theory; energy relaxation

高東斌(1969-)，男，中海煉化惠州煉化技能專家，主要從事催化重整技術(shù)管理。

TQ021.8

A

1001-9677(2016)023-0138-03