低分油汽提塔的工藝設(shè)計(jì)

王振華

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

加氫裝置中汽提塔的主要作用是將低分油中的短鏈烴類化合物(C1～C4)及H2S等組分汽提出來，以便餾分油進(jìn)入下游的分餾塔生產(chǎn)出合格目標(biāo)產(chǎn)品。汽提塔的選型、操作壓力、進(jìn)料溫度、塔板數(shù)及進(jìn)料位置等因素都直接影響著汽提效果及整個(gè)汽提系統(tǒng)的能耗大小。因此，對(duì)汽提塔進(jìn)行模擬計(jì)算和分析各操作條件對(duì)分離效率的影響，對(duì)工藝設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)都有積極的意義。

1 流程簡(jiǎn)介

混氫的原料油經(jīng)過加氫反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物，通過高壓換熱器與混氫后的原料油換熱至140℃，進(jìn)入高壓空冷器冷卻至50℃，再進(jìn)入冷高壓分離器，分離出的氣相為循環(huán)氫進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)；液相降壓至進(jìn)入低壓分離器進(jìn)一步分離，氣相為含有H2S的低分氣；液相為低分油須汽提出低分油中的短鏈烴類化合物(C1～C4)及H2S等組分，然后再進(jìn)入分餾塔分餾獲得產(chǎn)品。本文主要就低分油汽提塔的相關(guān)工藝設(shè)計(jì)過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化過程加以討論。

2 進(jìn)料數(shù)據(jù)

低分油中C5+組分密度為：846 kg/m3@20℃，加工量為35 t/h。

表1 低分油組分Table 1 Component of oil from low pressure cold separator

表2 C5+組分D86餾程Table 2 C5+ Component D86 distillation range

3 汽提塔操作壓力的確定

本項(xiàng)目中汽提塔的操作壓力是根據(jù)塔頂餾出產(chǎn)品能克服冷換設(shè)備及管線、管件的壓力降，順利流回至回流罐或其它目的地(本項(xiàng)目目的地為焦化裝置脫硫塔)的壓力。汽提塔塔頂氣含有H2S，需要送至焦化裝置脫硫塔(操作壓力現(xiàn)為0.55MPa(G))進(jìn)行脫硫，考慮管路輸送過程中的壓力損失50kPa，汽提塔塔頂氣壓力定為0.6MPa(G)。

4 汽提塔類型的選擇

汽提塔有干式汽提和濕式汽提。干式汽提主要是通過塔底再沸器提供全塔的熱負(fù)荷；濕式汽提是在塔底通入過熱水蒸汽，在溫度和壓力一定時(shí)，降低油氣分壓，增加汽化率，即提高產(chǎn)品中輕組分的拔出率，從而脫除產(chǎn)品中輕組分。

本項(xiàng)目中產(chǎn)品對(duì)H2S的控制指標(biāo)比較嚴(yán)格，H2S在塔底油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于1 ppm。在計(jì)算模擬過程中，若要使塔底油中H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到上述目標(biāo)，對(duì)于干式汽提塔來說可通過提高進(jìn)料溫度或提高塔底加熱負(fù)荷情況下，增加塔頂回流比來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)；而濕式汽提塔由于塔底沒有熱源，塔內(nèi)的熱量提供主要靠原料自身所帶熱量及蒸汽本身的熱量，因此，濕式汽提塔只能通過提高塔進(jìn)料溫度和增加汽提蒸汽用量。而汽提蒸汽量一般占進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2%～3%，若汽提蒸汽量過大，汽提蒸汽會(huì)塔盤上生成冷凝水，形成油水兩相，分餾效果差。因此，在上述蒸汽量調(diào)節(jié)范圍有限的基礎(chǔ)上，只能通過提高進(jìn)料溫度來實(shí)現(xiàn)上述控制指標(biāo)。

表3為塔板數(shù)按10塊理論板計(jì)算，進(jìn)料位置按第3塊理論板(塔板編號(hào)自上而下)模擬計(jì)算結(jié)果。

表3 汽提塔模擬數(shù)據(jù)Table 3 Stripper simulation data

通過表3可以看出，要實(shí)現(xiàn)H2S在塔底油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于1ppm的目標(biāo)，濕式汽提塔的進(jìn)料溫度非常高，對(duì)應(yīng)的進(jìn)料加熱器及塔頂空空冷器的熱負(fù)荷也非常大，整體能耗高。因此本項(xiàng)目汽提選擇干式汽提塔較適宜。

5 進(jìn)料位置

最佳進(jìn)料板位置，本文主要從相同分離要求及塔板數(shù)下，回流比最小或冷凝器、再沸器熱負(fù)荷最小這個(gè)方面進(jìn)行比較[1]。由于汽提塔頂氣中H2S含量較高，塔頂餾出液不做產(chǎn)品產(chǎn)出，為全回流操作。適當(dāng)汽提塔的進(jìn)料位置，有利于產(chǎn)品的汽提效果，節(jié)省全全塔能耗。本項(xiàng)目通過逐塊塔板進(jìn)料，來模擬汽提塔系統(tǒng)，計(jì)算各進(jìn)料位置下的全塔能耗，尋找最佳進(jìn)料位置。模擬過程中，按總塔板數(shù)10塊理論塔板考慮。產(chǎn)品指標(biāo)為汽提塔底油中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)1ppm，塔頂冷后溫度為40℃計(jì)算，進(jìn)料溫度按170℃。塔的進(jìn)料位置與塔頂、塔底負(fù)荷詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 進(jìn)料位置優(yōu)化數(shù)據(jù)(進(jìn)料溫度170℃)Table 4 Feed position optimization data(Feed temperature 170℃)

從表4中可以看出，按汽提塔全塔總塔板為10理論板考慮，進(jìn)料位置自第3塊理論板全塔負(fù)荷最小，全塔最節(jié)能。

6 進(jìn)料溫度

在已確定進(jìn)料位置的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整低分油的進(jìn)塔溫度，確定最佳進(jìn)料溫度。餾分油的原始溫度按(即進(jìn)料加熱器進(jìn)口溫度)按100℃考慮。

表5 不同進(jìn)料溫度下的塔負(fù)荷Table 5 Tower heat load at different feed temperatures

由表5可以看出，系統(tǒng)熱負(fù)荷(進(jìn)料加熱器+塔底再沸器+冷凝器)與初始溫度成正比，即初始溫度越高，整個(gè)系統(tǒng)的總負(fù)荷就越高。而全塔負(fù)荷(塔底再沸器+冷凝器)時(shí)最低時(shí)，進(jìn)料溫度為155℃，此時(shí)與進(jìn)料塔板處的溫度一致。

從整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的角度考慮，應(yīng)該盡量降低溫度，以節(jié)約系統(tǒng)用能；而在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)從全塔用能最小來確定塔進(jìn)料溫度。這是由于進(jìn)料溫度越低，塔底再沸器的熱負(fù)荷就越高(由表5可以看出)，從而塔底再沸器中的餾分油的溫位也越高，需要較高加熱熱源，越難利用現(xiàn)有裝置中的熱源作為加熱介質(zhì)。所以本塔的進(jìn)料溫度確定為155℃。

7 塔板數(shù)

塔板數(shù)越多，越有利于物料的分餾，整個(gè)塔系統(tǒng)能耗也越低。但是，隨著塔板數(shù)的增加，整個(gè)塔的熱負(fù)荷變化趨于平緩，此時(shí)塔板數(shù)的增加對(duì)全塔的能耗影響逐漸減小，此拐點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)的塔板數(shù)為最佳塔板數(shù)。本項(xiàng)目中進(jìn)料位置按第3塊板進(jìn)料，調(diào)整塔板數(shù)，計(jì)算全塔熱負(fù)荷數(shù)據(jù)如表6。

表6 塔板數(shù)與全塔熱負(fù)荷數(shù)據(jù)表Table 6 Tray's number versus tower heat load of tower

由于表6可以看出，當(dāng)塔板數(shù)增加至20塊時(shí)，隨著塔板數(shù)的增加，全塔熱負(fù)荷減小趨勢(shì)相對(duì)緩慢，因此該汽提塔板數(shù)確定為20塊塔板。

8 再沸器類型選擇

各種類型的再沸器各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，操作壓力、設(shè)計(jì)溫差、結(jié)垢性、黏度和餾分油的加熱沸程都影響再沸器類型的選擇[2]。本項(xiàng)目中經(jīng)模擬計(jì)算，塔底油的進(jìn)料溫度及返回溫度分別為200℃和241℃(氣化率)。由于本項(xiàng)目下游的分餾塔及側(cè)線塔塔底需要較多高溫位(290～320℃)的塔底熱源，因此從節(jié)省投資角度，宜選用導(dǎo)熱油做塔底加熱介質(zhì)。再沸器的形式主要有熱虹吸式重沸器和釜式再沸器。本項(xiàng)目中的塔底物料的的粘度小(～0.24cP)、且油品不容易結(jié)焦，因此宜選用傳熱系數(shù)高，設(shè)備投資相對(duì)較小的熱虹吸式型式再沸器。而熱負(fù)荷較大(1236 kW)，再沸器換熱面積為124 m3，殼體較大，宜選擇臥式循環(huán)式再沸器，以便于安裝及平時(shí)的檢修。

9 結(jié)論

1)汽提塔操作壓力根據(jù)塔頂氣后續(xù)加工設(shè)備壓力確定；

2)根據(jù)項(xiàng)目中對(duì)塔底油中H2S含量的指標(biāo)要求，選擇以再沸器為塔底熱源的干式汽塔更容易達(dá)到項(xiàng)目要求；

3)根據(jù)全塔用能負(fù)荷較小的原則，確定了汽提原料的進(jìn)料溫度、塔板數(shù)及進(jìn)位置；

4)汽提塔底油品性質(zhì)及再沸器負(fù)荷選擇再沸器的設(shè)備結(jié)構(gòu)型式。