丙烯精餾塔節(jié)能及擴(kuò)能優(yōu)化方案研究

戴薇薇，謝恪謙，張 星，王英龍，呂豐財(cái)，劉曉燕

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

丙烯精餾塔是煉油廠氣體分餾裝置的核心設(shè)備。主要作用是通過精餾得到高純度的聚合級丙烯，以供應(yīng)下游丙烯深加工裝置使用[1]。由于所分離的丙烯與丙烷沸點(diǎn)差小，相對揮發(fā)度小，且產(chǎn)品純度要求高，故該塔的塔板較多，回流比大，投資大，能耗高[2]。其塔釜再沸器的熱負(fù)荷很大[3]，在整個(gè)裝置能耗中占比很高。因此，降低丙烯精餾塔，尤其是丙烯精餾塔塔釜再沸器的負(fù)荷，成為裝置節(jié)能的關(guān)鍵[4]。

隨著催化裂化裝置工藝技術(shù)的進(jìn)步、原料多樣化和多產(chǎn)液化氣等新工藝的不斷推廣應(yīng)用，液化氣產(chǎn)量不斷增加，特別是作為氣體分餾裝置經(jīng)濟(jì)效益核心的丙烯產(chǎn)量更是呈現(xiàn)出大幅上升的趨勢[5]，導(dǎo)致氣體分餾裝置丙烯精餾塔加工規(guī)模大幅度增加。另外隨著公用工程價(jià)格的變化，以及設(shè)備制造水平不斷提高所造成的設(shè)備成本下降，對于老廠改造和新建大規(guī)模丙烯精餾塔來說，若仍采用原來的設(shè)計(jì)參數(shù)，就不太適合[2]。因此，本研究利用Pro Ⅱ 9.4軟件對丙烯精餾塔進(jìn)行模擬計(jì)算，利用Origin 8.6軟件對模擬數(shù)據(jù)擬合，考察進(jìn)料位置和塔板數(shù)與能耗之間的關(guān)系，并探究塔板數(shù)對全塔氣液兩相負(fù)荷的水力學(xué)影響。通過與目前公用工程價(jià)格和設(shè)備投資概算的結(jié)合，以期對老廠擴(kuò)能改造以及新建丙烯精餾塔提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)與方法步驟。

1 基本參數(shù)

1.1 丙烯精餾塔常規(guī)流程

丙烯精餾塔的常規(guī)流程如圖1所示，目前丙烯精餾塔一般采用雙塔流程，兩塔串聯(lián)，并分別在1號丙烯精餾塔塔底設(shè)塔底重沸器，2號丙烯精餾塔塔頂設(shè)冷凝器進(jìn)行塔頂回流。

圖1 丙烯精餾塔的常規(guī)雙塔流程

1.2 流程模擬參數(shù)設(shè)置

利用Pro Ⅱ 9.4.2軟件對丙烯精餾塔進(jìn)行流程模擬，氣液相計(jì)算均選用Soave-Redlich-Kwong方法[6]。進(jìn)料物流參數(shù)為：流量10 t/h，溫度70 ℃，壓力2.8 MPa；丙烯精餾塔參數(shù)為：塔頂壓力2.0 MPa，全塔壓降0.1 MPa，塔頂冷凝器壓力1.95 MPa，冷凝溫度40 ℃；產(chǎn)品精度要求為：塔頂產(chǎn)品中φ(C3H6)不小于99.6%，塔底產(chǎn)物中φ(C3H6)不大于0.5%。

為考察進(jìn)料組成不同時(shí)塔板數(shù)量對能耗的影響趨勢是否一致，分別設(shè)定了高丙烯含量[φ(C2)=0.04%，φ(C3H8)=27.56%，φ(C3H6)=72%]進(jìn)料和低丙烯含量[φ(C2)=0.04 %，φ(C3H8)=72%，φ(C3H6)=27.56%]進(jìn)料2種工況進(jìn)行模擬。

盡管實(shí)際生產(chǎn)中為了滿足生產(chǎn)或擴(kuò)能改造的要求，塔板開孔采用了不同的閥型，但對丙烯-丙烷分離來說，塔板效率均可達(dá)100%或略高于100%[5]。因此，流程模擬時(shí)塔板效率以100%計(jì)，塔板間距以450 mm計(jì)，在塔板數(shù)為180，190，200，210，220，230，240時(shí)，選取最佳進(jìn)料位置進(jìn)料[7]，考察不同塔板數(shù)時(shí)對應(yīng)的塔頂冷凝器負(fù)荷、塔底重沸器負(fù)荷與回流比。

1.3 公用工程價(jià)格與設(shè)備投資

丙烯精餾塔塔頂冷凝器目前普遍采用空氣冷卻器，塔底重沸器能耗以1.0 MPa蒸汽用量作為考核指標(biāo)，1.0 MPa低壓蒸汽價(jià)格按130 元/t計(jì)算。

丙烯精餾塔筒體材質(zhì)為Q345R(板材100%UT檢測，Ⅱ級合格)，殼體進(jìn)行100% RT檢測，Ⅱ級合格，并進(jìn)行焊后整體熱處理(價(jià)格為12 100元/t)。內(nèi)件材質(zhì)為Q235B(價(jià)格為11 500元/t)，保溫材質(zhì)為硅酸鋁制品(價(jià)格為1 200 元/m3)。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)料位置的優(yōu)化

選取高丙烯含量組成的進(jìn)料，對200層塔板的丙烯精餾塔進(jìn)行Pro Ⅱ模擬。分別選取第135，136，137層作為進(jìn)料塔板，考察該塔板上方的氣相組成及相應(yīng)的塔頂冷凝器、塔底重沸器熱負(fù)荷，結(jié)果如表1所示。以組分差值衡量塔板上方氣相組成與進(jìn)料物流組成的差別，組分差值指塔板上方氣相組成與進(jìn)料物流組成中C3H8含量之差絕對值與C3H6含量之差絕對值的和。由表1可以看出，當(dāng)進(jìn)料塔板為第136層時(shí)，該層塔板上方的氣相組成與進(jìn)料物流的組成最接近時(shí)，塔頂冷凝器負(fù)荷和塔底重沸器負(fù)荷均達(dá)到最低值。

由此可見，在新設(shè)計(jì)丙烯精餾塔時(shí)，進(jìn)料位置的選取對于控制全塔熱負(fù)荷有著非常重要的作用。在對老裝置進(jìn)行改造時(shí)，根據(jù)進(jìn)料組成現(xiàn)狀對進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，能夠起到顯著的節(jié)能降耗作用，是最簡潔有效的優(yōu)化改造手段。

表1 不同塔板進(jìn)料時(shí)的Pro Ⅱ模擬結(jié)果

2.2 不同塔板數(shù)對能耗及回流比的影響

對不同塔板數(shù)進(jìn)行考察時(shí)，均通過2.1節(jié)中的方法選取最優(yōu)進(jìn)料位置，確保模擬出的塔底重沸器負(fù)荷均為最低值。分別模擬塔板數(shù)為180，190，200，210，220，230，240的丙烯精餾塔，進(jìn)料組成選取高丙烯含量工況。模擬所得回流比和塔頂塔底負(fù)荷如表2所示。由表2可以看出，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔的分離效果逐漸提升，丙烯精餾塔的回流比、塔頂冷凝器負(fù)荷和塔底重沸器負(fù)荷都逐漸降低且降低的幅度隨著塔板數(shù)的增加而逐漸減小。

表2 不同塔板數(shù)的丙烯精餾塔模擬結(jié)果(高丙烯含量工況)

注：塔底重沸器的蒸汽用量由HTRI 7.0軟件計(jì)算。

選取塔底重沸器負(fù)荷為考察對象，利用Origin 8.6對其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。以x表示塔板數(shù)，y表示重沸器負(fù)荷，擬合出的曲線方程見式(1)，擬合度為0.999 78。

圖2 塔底重沸器負(fù)荷與塔板數(shù)的關(guān)系

y=8 134.1+161 594.4×0.978 78x

(1)

由式(1)可知，隨著x值的增加，y值不斷減小，且斜率的絕對值逐漸減小，且存在極限為yx=∞=8 134.1 kW。表明隨著塔板數(shù)的增加，塔底重沸器負(fù)荷不斷減小，但減小的幅度逐漸降低，且存在最小值。因此，對于一定的進(jìn)料組成而言，分離效果的提升和塔底重沸器負(fù)荷的降低均存在極限。

當(dāng)以低丙烯含量工況進(jìn)料時(shí)，Pro Ⅱ模擬結(jié)果見表3。由表3可以看出，仍然是精餾塔負(fù)荷隨著塔板數(shù)的增加而減小，且減小幅度逐漸降低。因此，無論進(jìn)料組成中關(guān)鍵組分是何比例，隨著塔板數(shù)增加，精餾塔負(fù)荷的變化趨勢相同。

表3 不同塔板數(shù)的丙烯精餾塔模擬結(jié)果(低丙烯含量工況)

注：塔底重沸器的蒸汽用量由HTRI 7.0軟件計(jì)算。

2.3 塔板數(shù)對精餾塔處理量的影響

在確定最佳進(jìn)料位置的條件下，通過Pro Ⅱ軟件模擬低丙烯含量進(jìn)料工況的精餾塔水力學(xué)，考察進(jìn)料量不變時(shí)塔板數(shù)由200增加到240對塔徑的影響，以及塔徑不變時(shí)塔板數(shù)由200增加到240對精餾塔處理量(進(jìn)料量)的影響，結(jié)果見表4。

表4 塔板數(shù)、處理量與塔徑的關(guān)系(低丙烯含量工況)

注：塔徑為通過Pro Ⅱ水力學(xué)計(jì)算后，增加20%面積余量并圓整后數(shù)據(jù)。

由表4可以看出：若塔板數(shù)為200，則進(jìn)料量為10 000 t/h時(shí)所需的塔徑為3 400 mm；若塔板數(shù)由200增加為240，則同樣進(jìn)料量下塔徑減小為3 200 mm；當(dāng)進(jìn)料量增加為11 500 t/h時(shí)，240層丙烯精餾塔的所需塔徑為3 400 mm。因此，當(dāng)塔徑均為3 400 mm時(shí)，240層丙烯精餾塔的處理量比200層丙烯精餾塔的處理量增長15 %。

塔板數(shù)增加意味著全塔分離效率的提升，因此在處理量不變的情況下，全塔氣液相負(fù)荷降低，直觀的表現(xiàn)為塔徑減小。同理，若保持塔徑不變，增加塔板數(shù)，可在滿足分離精度的條件下處理更大量的進(jìn)料。在擴(kuò)能改造時(shí)，如筒體和基礎(chǔ)滿足荷載需求，可通過增加塔板數(shù)達(dá)到擴(kuò)能增產(chǎn)的目的。

2.4 能耗與投資估算

選取200層塔板與240層塔板的高丙烯含量進(jìn)料模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗與投資的比較。由于塔頂冷凝器現(xiàn)在一般采用空氣冷卻器，因此能耗方面僅考察塔底重沸器蒸汽用量的變化。如表2所示，200層塔板時(shí)蒸汽用量為18.09 t/h，240層塔板時(shí)蒸汽用量為15.89 t/h。因此，以年運(yùn)行時(shí)間8 400 h計(jì)，塔板增加40層，可節(jié)約低壓蒸汽18.48 kt/a，生產(chǎn)成本每年可降低240.5萬元。

根據(jù)塔頂物料流量和塔底重沸器負(fù)荷粗略估算可知，空氣冷卻器與重沸器的規(guī)格變化不大，因此設(shè)備投資估算時(shí)，忽略冷換設(shè)備、容器等設(shè)備，僅考慮丙烯精餾塔筒體和塔板的造價(jià)。丙烯精餾塔塔板間距為450 mm，塔板層數(shù)增加意味著塔高增加。200層與240層丙烯精餾塔的投資對比見表5，其內(nèi)部收益率及投資回收期對比見表6。

表5 200層與240層丙烯精餾塔投資對比 萬元

表6 200層與240層丙烯精餾塔內(nèi)部收益率及投資回收期對比

注：投資回收期僅針對設(shè)備總投資，不包括運(yùn)行成本。

由上述內(nèi)容可知，對于200層和240層丙烯精餾塔而言，二者的凈現(xiàn)值與投資回收期均表現(xiàn)良好，且后者增加的設(shè)備投資遠(yuǎn)小于其節(jié)約的生產(chǎn)成本。但是塔體越高，地震和風(fēng)的載荷就越大，壁厚的增加會(huì)使設(shè)備一次性投資增長。因此，塔板層數(shù)的選擇應(yīng)參考具體情況。

3 結(jié) 論

(1)丙烯精餾塔的節(jié)能優(yōu)化，可為全廠的節(jié)能降耗帶來顯著效果。進(jìn)料位置的選取對于控制全塔負(fù)荷有著非常重要的作用，當(dāng)進(jìn)料塔板氣相組成與進(jìn)料組成最接近時(shí)，塔頂冷凝器負(fù)荷和塔底重沸器負(fù)荷均達(dá)到最低值。在對老裝置進(jìn)行改造時(shí)，根據(jù)進(jìn)料組分現(xiàn)狀對進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，能夠起到顯著的節(jié)能降耗作用，是最簡潔有效的優(yōu)化改造手段。

(3)丙烯精餾塔的熱負(fù)荷隨著塔板數(shù)的增加而降低，且降低的幅度逐漸減小并最終到達(dá)極值。因此，應(yīng)根據(jù)具體的公用工程價(jià)格、設(shè)備投資以及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和人工成本選擇最恰當(dāng)?shù)乃鍖訑?shù)。以確保設(shè)備的一次性投資、建設(shè)運(yùn)行成本與公用工程費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)化。

(4)塔板數(shù)增加意味著全塔分離效率的提升，因此塔徑一定時(shí)，增加塔板數(shù)，可在滿足分離精度的條件下處理更大的進(jìn)料量。改造時(shí)，在設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施滿足載荷需求的前提下，可通過增加塔板數(shù)達(dá)到擴(kuò)能增產(chǎn)或節(jié)能降耗的目的。