急冷油溶劑抽提減黏技術(shù)的模擬

鐘東文，肖樹(shù)萌，廖昌勇

（中國(guó)石化 茂名分公司，廣東 茂名 525000）

急冷油溶劑抽提減黏技術(shù)的模擬

鐘東文，肖樹(shù)萌，廖昌勇

（中國(guó)石化 茂名分公司，廣東 茂名 525000）

利用流程模擬軟件VMGSim，建立了乙烯裝置急冷油的溶劑抽提減黏工藝流程。以正丁烷為溶劑，在溶劑比為1～6、抽提壓力3～6 MPa、抽提溫度120～150 ℃的條件下，對(duì)黏度為968 mPa·s（50 ℃）的急冷油進(jìn)行了溶劑抽提減黏的模擬研究。模擬結(jié)果表明，急冷油的黏度降至16.4 mPa·s（50 ℃）以下。減黏油抽提率、減黏油黏度、抽余物瀝青質(zhì)含量的變化規(guī)律一致，均隨溶劑比的增大而提高、隨抽提壓力的增大而提高、隨抽提溫度的升高而降低。溶劑回收率和能耗隨回收溫度的升高而增大，隨回收壓力的提高而降低。

溶劑抽提；急冷油；減黏；乙烯裝置；流程模擬

急冷系統(tǒng)是乙烯裝置的一個(gè)重要組成部分，由急冷器、油洗塔、水洗塔等設(shè)備組成，作用是分離裂解汽油、柴油、燃料油等組分，也是回收熱量的關(guān)鍵設(shè)備。國(guó)內(nèi)乙烯裝置急冷系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題是急冷油黏度高、溫度低、能耗高［1］。急冷系統(tǒng)問(wèn)題的根源是急冷油在急冷系統(tǒng)內(nèi)長(zhǎng)期循環(huán)，生成瀝青質(zhì)，造成急冷油黏度增加，最終威脅裝置的運(yùn)行［2-3］。

目前，工業(yè)裝置采用加入調(diào)質(zhì)油和減黏劑、投用減黏塔等技術(shù)處理急冷油黏度增加的問(wèn)題［4］。加入調(diào)質(zhì)油只是降低急冷油黏度的應(yīng)急手段，不能從根本上解決急冷油的黏度增加問(wèn)題。加入減黏劑減黏效果不明顯［5-6］，還增加了費(fèi)用。減黏塔技術(shù)有多種不同的流程，只有采用乙烷爐裂解氣氣提的流程在一些裝置上取得了較好的效果，而采用高壓蒸汽氣提和真空閃蒸的效果都很差［7］。國(guó)內(nèi)一些乙烯裝置在使用現(xiàn)有減黏技術(shù)后［8-11］，消除了急冷油黏度過(guò)高對(duì)裝置運(yùn)行的威脅，但常常以降低油洗塔的塔釜溫度為代價(jià)，沒(méi)有充分利用急冷油的高品位熱量，稀釋蒸汽發(fā)生量不足，還需要消耗中壓蒸汽來(lái)補(bǔ)充，造成乙烯裝置能耗偏高。研究發(fā)現(xiàn)，利用溶劑抽提技術(shù)處理急冷油，可有效降低急冷油的黏度［12］。

流程模擬將由單元過(guò)程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，并在計(jì)算機(jī)上通過(guò)改變各種有效條件，得到所需結(jié)果，目前已廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方面。吳興松等［13-15］對(duì)乙烯急冷系統(tǒng)的流程模擬進(jìn)行了研究。

本工作利用流程模擬軟件VMGSim，以近臨界態(tài)的正丁烷為溶劑，對(duì)乙烯裝置急冷油進(jìn)行溶劑抽提減黏的模擬研究，考察了溶劑進(jìn)料量與急冷油進(jìn)料量的比（溶劑比）、抽提溫度、抽提壓力等抽提條件對(duì)減黏效果的影響，以及回收溫度和回收壓力對(duì)溶劑回收率的影響。

1 流程模擬

1.1 熱力學(xué)模型和急冷油組分的選擇

本研究采用VMGSim 8.0流程模擬軟件，該軟件具有瀝青、重油等獨(dú)特的物性表征技術(shù)，適用于急冷油的模擬。

由于急冷油溶劑抽提減黏工藝流程模擬的條件范圍是在溶劑的近臨界區(qū)，所以采用了Advanced Peng-Robinson熱力學(xué)模型，相比于其他熱力學(xué)模型，該模型在臨界點(diǎn)附近有較好的精度。

以某200 kt/a乙烯裝置的急冷油為參照，它的黏度為993 mPa·s（50 ℃）。按虛擬組分法將急冷油分割為9個(gè)虛擬組分，得到的模型急冷油的黏度為968 mPa·s（50 ℃）、密度為962 kg/m3、平均相對(duì)分子質(zhì)量為502。該模型急冷油中最重的一個(gè)虛擬組分為瀝青質(zhì)。

1.2 模型參數(shù)的設(shè)置

1.2.1 模擬流程

急冷油溶劑抽提減黏的模擬流程如圖1所示。由乙烯裝置急冷系統(tǒng)引出一股用于減黏的急冷油S401，進(jìn)入抽提塔上部，溶劑S402進(jìn)入抽提塔下部，溶劑和急冷油在抽提塔內(nèi)逆流抽提。輕組分S403從抽提塔頂引出，降低壓力并通過(guò)換熱器調(diào)節(jié)溫度后進(jìn)入回收塔1，實(shí)現(xiàn)溶劑和減黏油的分離。重組分S404從抽提塔底引出，經(jīng)過(guò)減壓閥降低壓力后，進(jìn)入回收塔2實(shí)現(xiàn)瀝青質(zhì)和溶劑的分離。分離后的溶劑分別從回收塔1和回收塔2的塔頂引出，補(bǔ)充少量溶劑S411后進(jìn)入壓縮機(jī)加壓，在通過(guò)換熱器和冷卻器降低溫度后循環(huán)使用。回收塔2的塔底排出富含瀝青質(zhì)的抽余物。回收塔1的塔底得到的S407即為減黏油，它的成分是急冷油中的輕組分和中間組分，黏度很低，減黏油返回急冷系統(tǒng)可以降低整體急冷油的黏度。

圖1 急冷油溶劑抽提減黏的模擬流程Fig.1 Simulated process for the viscosity reduction of quenching oil in an ethylene plant by solvent extraction.

1.2.2 模擬計(jì)算的工藝條件

抽提塔：壓力3～6 MPa、溫度120～150 ℃、理論板2、溶劑比1～6；回收塔（塔1和塔2的條件一致）：壓力0.2～0.6 MPa、溫度70～100 ℃。

1.2.3 考察指標(biāo)

減黏油黏度：S407流股50 ℃時(shí)的黏度，體現(xiàn)了減黏效果；減黏油抽提率：S407與S401流股的質(zhì)量流量比，體現(xiàn)了減黏效率；抽余率：S410與S401流股的質(zhì)量流量比；抽余物瀝青質(zhì)含量：S410流股中最重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，體現(xiàn)了排出瀝青質(zhì)的效率；溶劑回收率：回收溶劑（S406和S409）與進(jìn)料溶劑S402的質(zhì)量流量比；回收能耗：壓縮機(jī)和冷卻器所消耗的能量。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑比的影響

以正丁烷為溶劑對(duì)急冷油進(jìn)行抽提減黏，在保持抽提溫度120 ℃、抽提壓力4 MPa、急冷油進(jìn)料量10 000 kg/h不變的情況下，溶劑比對(duì)減黏油的抽提率和黏度的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，模擬得到的減黏油的抽提率為61.04%～65.31%，隨溶劑比的增大而升高。模擬得到的減黏油的黏度為13.1～15.7 mPa·s，在溶劑比2～6范圍內(nèi)，減黏油的黏度隨溶劑比的增大而升高。急冷油溶劑抽提減黏的溶劑比越高，溶劑與急冷油接觸得越充分，有更多的中間組分進(jìn)入減黏油中，中間組分的增加略微提高了減黏油的黏度。而溶劑比為1時(shí)，溶劑用量太少，急冷油中的輕重組分未能很好地分離，造成減黏油黏度偏高。

圖2 溶劑比對(duì)減黏油抽提率和黏度的影響Fig.2 Influences of solvent ratio on the extraction rate and viscosity of extract. Conditions：extraction temperature 120 ℃，extraction pressure 4 MPa，quenching oil feeding rate 10 000 kg/h. Solvent ratio：ratio of solvent to quenching oil in feedstock.

溶劑比對(duì)抽余率和抽余物瀝青質(zhì)含量的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，模擬得到的抽余物的抽余率為34.68%～38.95%，隨溶劑比的增大而降低。模擬得到的抽余物瀝青質(zhì)含量為78.75%～94.48%（w），隨溶劑比的增大而升高。提高溶劑比，急冷油中的輕重組分分離得更清晰，抽余物中殘留的中間組分含量減少，而瀝青質(zhì)含量提高。為了保持急冷系統(tǒng)內(nèi)急冷油總量穩(wěn)定，一般單位時(shí)間內(nèi)從急冷油中排出的物料量是固定的，排出物中瀝青質(zhì)含量越高，排出的瀝青質(zhì)越多，越有利于降低急冷油的黏度。提高溶劑比可提高排出的抽余物中瀝青質(zhì)的含量，對(duì)減黏有利。

圖3 溶劑比對(duì)抽余物抽余率和瀝青質(zhì)含量的影響Fig.3 Influences of the solvent ratio on the raffinate rate and asp halt content in raffinate. Conditions referred to Fig.2.

溶劑比對(duì)壓縮機(jī)和冷卻器能耗的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，壓縮機(jī)和冷卻器的能耗隨溶劑比的增大線性增大，溶劑比過(guò)大造成能耗偏高。

圖4 溶劑比對(duì)壓縮機(jī)和冷卻器能耗的影響Fig.4 Influences of the solvent ratio on the energy consumption of the compressor and the cooler. Conditions referred to Fig.2.

由圖2和圖3可知，提高溶劑比對(duì)減黏油的抽提率和黏度影響較小，但可以明顯提高排出系統(tǒng)的抽余物中瀝青質(zhì)的含量，對(duì)減黏有利。圖2結(jié)果顯示，溶劑比過(guò)低，急冷油中輕重組分不能很好地分離?？紤]到溶劑比為4時(shí)，減黏油抽提率為63.90%、減黏油黏度為14.4 mPa·s、抽余物中瀝青質(zhì)含量為91.37%（w），減黏效果較好，故選擇適宜的溶劑比為4。

2.2 抽提溫度和壓力的影響

溫度和壓力對(duì)正丁烷溶劑密度的影響見(jiàn)圖5。正丁烷臨界壓力為3.79 MPa、臨界溫度為151.9 ℃。在壓力接近臨界壓力、溫度低于臨界溫度時(shí)，正丁烷為近臨界態(tài)；在低于當(dāng)前壓力的沸點(diǎn)溫度時(shí)，正丁烷為液態(tài)；在高于當(dāng)前壓力的沸點(diǎn)溫度時(shí)，正丁烷為氣態(tài)。由圖5可見(jiàn)，正丁烷在3 MPa、130 ℃時(shí)的密度為405 kg/m3，而相同壓力下140 ℃時(shí)的密度陡降至96 kg/m3，是氣、液兩種不同相態(tài)的體現(xiàn)。而在相同相態(tài)下，正丁烷的密度會(huì)隨溫度的下降和壓力的升高而小幅提升。

圖5 正丁烷的密度Fig.5 Density of n-butane. Temperature/℃：a 120；b 125；c 130；d 135；e 140；f 145；g 150；h 155；i 160

在溶劑比4、回收溫度100 ℃、回收壓力0.2 MPa保持不變的條件下，抽提溫度和抽提壓力對(duì)減黏油的抽提率、減黏油黏度、抽余物瀝青質(zhì)含量的影響見(jiàn)圖6～8。由圖6可見(jiàn)，模擬得到的減黏油的抽提率為45.47%～65.65%。在抽提壓力3 MPa、抽提溫度140～150 ℃以及抽提壓力4 MPa、抽提溫度140 ℃的條件下，沒(méi)有得到模擬結(jié)果。相同壓力下，抽提率隨抽提溫度的升高而降低；相同溫度下，抽提率隨抽提壓力的升高而提高，且在較低溫度時(shí)，壓力對(duì)抽提率的影響較小。由于流程模擬參數(shù)設(shè)定時(shí)，將抽提塔的理論塔板數(shù)設(shè)為定值，實(shí)際上忽略了傳質(zhì)能力對(duì)減黏的影響，減黏效果只受溶劑溶解能力的影響。在實(shí)驗(yàn)條件范圍（溶劑臨界點(diǎn)附近）內(nèi)，溶劑溶解能力主要受溶劑密度的影響，而密度與壓力成正比，與溫度成反比。因此，抽提率隨抽提壓力的升高而升高，隨溫度的升高而降低。由圖5可知，在3 MPa、140～150 ℃范圍內(nèi)，溶劑正丁烷的密度大大降低，已轉(zhuǎn)為氣相，失去了溶解急冷油中組分的能力，無(wú)法將急冷油中的輕組分抽提出來(lái)，所以在該范圍內(nèi)沒(méi)有得到減黏油抽提率的模擬結(jié)果。在4 MPa、140 ℃條件下沒(méi)有得到模擬結(jié)果可能是由于在考察溫度壓力對(duì)抽提率影響時(shí)使用了模擬軟件的case study功能，對(duì)多個(gè)條件進(jìn)行連續(xù)模擬計(jì)算，該點(diǎn)的前一條件沒(méi)有得到模擬結(jié)果，對(duì)該點(diǎn)的初值造成了影響，使該點(diǎn)的結(jié)果沒(méi)有收斂。

圖6 抽提溫度和抽提壓力對(duì)減黏油抽提率的影響Fig.6 Influences of extracting temperature and pressure on the extraction rate. Conditions：recove ry temperature 100 ℃，recovery pressure 0.2 MPa，solvent ratio 4.

圖7 抽提溫度和抽提壓力對(duì)減黏油黏度的影響Fig.7 Influence of extracting temperature and pressure on the viscosity of the extract. Conditions referred to Fig.6.

由圖7可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，黏度模擬結(jié)果為4.8～16.4 mPa·s，除了抽提壓力3.5 MPa、抽提溫度150 ℃的結(jié)果外，其他結(jié)果變化趨勢(shì)與減黏油抽提率的變化趨勢(shì)一致，抽提率越高，急冷油中越多的中間組分被抽提出來(lái)。隨著抽提得到的減黏油中中間組分含量的增加，減黏油的黏度也稍有增大。抽提壓力3.5 MPa、抽提溫度150 ℃下得到的黏度模擬值明顯偏高，該點(diǎn)非常接近正丁烷的臨界點(diǎn)（3.79 MPa、151 ℃），應(yīng)該是受到臨界點(diǎn)附近溶劑性質(zhì)劇烈變化的影響。

由圖8可看出，抽余物瀝青質(zhì)含量為59.69%～93.71%（w），變化趨勢(shì)與減黏油抽提率一致，隨溫度升高而降低，隨壓力的升高而增大。在實(shí)驗(yàn)條件范圍（溶劑臨界點(diǎn)附近）內(nèi)，溶劑溶解能力主要受溶劑密度的影響，隨溫度的降低或壓力的升高，溶劑溶解能力增強(qiáng)，能將急冷油中全部的輕組分和更多的中間組分抽提出來(lái)，而抽余物中輕組分和中間組分越來(lái)越少，瀝青質(zhì)含量越來(lái)越高。

圖8 抽提溫度和抽提壓力對(duì)抽余物瀝青質(zhì)含量的影響Fig.8 Influences of extracting temperature and pressure on the asphalt content in the raffinate. Conditions referred to Fig.6.

綜合圖6～8可見(jiàn)，選擇較低的抽提溫度和較高的抽提壓力對(duì)提高減黏效果和減黏效率有利。但溫度太低，急冷油的黏度偏高會(huì)影響抽提塔內(nèi)的傳質(zhì)，壓力太高對(duì)抽提塔裝置的設(shè)計(jì)和建造造成困難，所以抽提溫度120 ℃、抽提壓力4 MPa是較適宜的抽提條件。

2.3 回收塔溫度和壓力的影響

在急冷油進(jìn)料量10 000 kg/h、溶劑比4、抽提溫度120 ℃、抽提壓力4 MPa的條件下，回收塔溫度和壓力對(duì)溶劑回收率的影響見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，溶劑回收率在93.4%～99.8%之間，隨回收塔溫度的升高而升高，隨回收塔壓力的升高而降低，且在低溫高壓區(qū)的變化幅度較大。隨著溫度的升高和壓力的降低，溶劑的密度和溶解能力降低，有利于更加徹底地分離溶劑和減黏油。氣態(tài)正丁烷的密度隨壓力的增大是非線性變化的，隨著壓力的增大，正丁烷密度增大，溶解能力快速提高，溶劑損失率迅速增大。

圖9 回收塔溫度和壓力對(duì)溶劑回收率的影響Fig.9 Influences of temperature and pressure of the recovery tower on the solvent recovery. Conditions：extraction temperature 120 ℃，extraction pressure 4 MPa，quenching oil feeding rate 10 000 kg/h，solvent ratio 4.

回收塔溫度和壓力對(duì)壓縮機(jī)能耗和冷卻器能耗的影響見(jiàn)圖10和圖11。由圖10可見(jiàn)，壓縮機(jī)能耗為894～2 158 kW，隨溫度的升高而增大，隨壓力的升高顯著降低。因?yàn)殡S著回收壓力的提高，壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差降低，能耗下降。而回收溫度的上升使得回收得到的正丁烷溶劑密度下降，相同質(zhì)量的溶劑的體積增大，造成壓縮機(jī)能耗增加。由圖11可見(jiàn)，冷卻器能耗為1 058～2 280 kW，隨溫度的升高而略有增大，隨壓力的升高顯著降低。因?yàn)榛厥账毫档?，使得壓縮機(jī)壓差降低，壓縮機(jī)進(jìn)出口的溫升大大降低，所需的冷卻量降低，冷卻器能耗降低。

圖10 回收塔溫度和壓力對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響Fig.10 Influences of temperature and pressure of the recovery tower on the energy consumption of the compressor. Conditions referred to Fig.9.

圖11 回收塔溫度和壓力對(duì)冷卻器能耗的影響Fig.11 Influences of temperature and pressure of the recovery tower on the energy consumption of the cooler. Conditions referred to Fig.9.

綜合圖9～11可見(jiàn)，提高回收塔溫度會(huì)降低溶劑損失率但增加能耗，考慮到回收塔溫度對(duì)能耗的影響較小，故選擇較高的回收溫度（100 ℃）是合理的。提高回收壓力可降低能耗，卻對(duì)溶劑損失率產(chǎn)生不利影響，保持回收溫度100 ℃不變，回收塔壓力從0.2 MPa升至0.6 MPa，溶劑損失率從0.28%增至1.88%，提高了5.7倍；與此同時(shí)壓縮機(jī)能耗從2 158 kW降至1 160 kW，冷卻器能耗從2 280 kW降至1 245 kW，即能耗僅降低了50%左右。綜合考慮，選擇0.2 MPa為適宜的回收壓力。

3 結(jié)論

1）以正丁烷為溶劑，在溶劑比1～6、抽提壓力3～6 MPa、抽提溫度120～150 ℃、回收塔溫度70 ～ 100 ℃、回收塔壓力0.2 ～ 0.6 MPa范圍內(nèi)，對(duì)黏度為968 mPa·s（50 ℃）的急冷油進(jìn)行了溶劑抽提減黏的模擬研究。模擬結(jié)果表明，急冷油的黏度降至16.4 mPa·s（50 ℃）以下，減黏油抽提率最高達(dá)65.65%，抽余物中瀝青質(zhì)含量最高達(dá)93.71%（w）。采用正丁烷為溶劑對(duì)急冷油進(jìn)行溶劑抽提減黏，可大大降低急冷油黏度，減黏效率高，排出瀝青質(zhì)的效率高。

2）隨溶劑比的提高，急冷油輕重組分分離得更加清晰，減黏油抽提率、減黏油黏度和抽余物中瀝青質(zhì)含量均提高。溶劑比過(guò)低，輕重組分難以有效分離；溶劑比過(guò)高浪費(fèi)壓縮機(jī)能量。適宜的溶劑比為4，此時(shí)，減黏油抽提率為63.90%、抽余物中瀝青質(zhì)含量為91.37%（w）、減黏效果好。

3）降低抽提溫度和提高抽提壓力會(huì)提高抽提塔內(nèi)溶劑的密度和溶解能力，可將急冷油中的輕組分和更多的中間組分抽提出來(lái)，從而提高減黏油抽提率、減黏油黏度和抽余物瀝青質(zhì)含量。但溫度太低，急冷油的黏度偏高會(huì)影響抽提塔內(nèi)的傳質(zhì)，壓力太高對(duì)抽提塔設(shè)計(jì)和建造造成困難，適宜的抽提溫度為120 ℃、抽提壓力為4 MPa。

4）提高回收塔溫度可降低溶劑損失率，但稍微增加能耗；提高回收塔壓力可降低能耗，但顯著提高溶劑損失率。適宜的回收塔溫度為100 ℃、回收塔壓力為0.2 MPa。

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（編輯 王 萍）

Process simulation of viscosity reduction of quenching oil by solvent extraction

Zhong Dongwen，Xiao Shumeng，Liao Changyong

（Sinopec Maoming Company，Maoming Guangdong 525000，China）

A process fl ow for the viscosity reduction of quenching oil of an ethylene plant through solvent extraction was established by means of the VMGSim process simulation software. The process simulation was conducted under the conditions of subcritical n-butane as the solvent，the solvent ratio in the range of 1 to 6，the extracting pressure in the range of 3 to 6 MPa and the extraction temperature in the range of 120 to 150 ℃. The experimental results showed that，the viscosity of the quenching oil reduced from 968 mPa·s(50 ℃) to below 16.4 mPa·s(50 ℃). The extraction rate，extract viscosity of and asphalt content in raffi nate increased with increasing the solvent ratio and extraction pressure，and decreased with the extraction temperature rise. The solvent recovery and energy consumption increased with the recovery temperature rise，and decreased with increasing the recovery pressure.

solvent extraction；quenching oil；viscosity reduction；ethylene plant；process simulation

1000-8144（2017）04-0455-06

TQ 018

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.04.011

2016-11-07；［修改稿日期］2017-02-09。

鐘東文（1966—），男，廣東省惠州市人，大學(xué)，高級(jí)工程師，電話 0668-2243788，電郵zhongdw.mmsh@sinopec.com。聯(lián)系人：肖樹(shù)萌，電話 0668-2232092，電郵xiaosm.mmsh@sinopec.com。