催化汽油加氫脫硫裝置分離塔的優(yōu)化調整分析

趙德強

中國石油蘭州石化公司

法國Axens的Prime-G+技術在催化汽油選擇性加氫脫硫方面具有領先優(yōu)勢[1]。中國石油蘭州石化公司(以下簡稱蘭州石化)1.8×106t /a催化汽油加氫脫硫裝置采用Prime-G+工藝，于2010年12月30日開車成功，生產滿足國Ⅳ標準要求的車用汽油，產品中各主要技術指標均達到或優(yōu)于設計要求[2]。從2017年1月1日起，在全國范圍內執(zhí)行車用汽油國Ⅴ排放標準，蘭州石化對催化汽油加氫脫硫裝置進行改造，繼續(xù)使用Prime-G+工藝，增加二段加氫脫硫單元，將催化汽油中硫質量分數(shù)由630 μg/g降至10 μg/g，改造后裝置由選擇性加氫單元、一段加氫脫硫單元和二段加氫脫硫單元3部分組成，于2016年9月27日一次開車成功，產品質量滿足國Ⅴ汽油標準[3]。國Ⅴ升級改造后工藝流程簡圖見圖1，以下就裝置選擇性加氫單元分離塔存在的問題及優(yōu)化情況進行總結，為國內同類裝置的運行提供借鑒。

1 選擇性加氫單元及分離塔簡介

1.1 選擇性加氫單元及分離塔工藝流程

從兩套催化裝置來的催化汽油(不足時由罐區(qū)送料，多余時返罐區(qū))經原料過濾器(SR-101)過濾后進入原料罐(D-102)，經原料泵(P-101)升壓與新氫混合進入選擇性加氫進料/加氫脫硫反應產物換熱器(E-102)、選擇性加氫進料/反應產物換熱器(E-103)、選擇性加氫進料/分離塔塔底油換熱器(E-104)和選擇性加氫進料/二段穩(wěn)定塔塔底油換熱器(E-106)分別與一段加氫脫硫單元反應產物、選擇性加氫反應產物、分離塔塔底油和二段穩(wěn)定塔塔底油換熱后進入選擇性加氫反應器(R-101)，在Ni-Mo基催化劑HR845S的作用下，進行二烯烴轉化為單烯烴、輕硫醇轉化為重硫化物和烯烴異構化反應。反應產物進入選擇性加氫進料/反應產物換熱器(E-103)換熱后進入分離塔(C-101)，塔頂氣經空冷器(A-101)冷卻后進入回流罐(D-103)，液相經回流泵(P-102)后進行全回流，輕汽油從第5層塔板側線抽出，經輕汽油空冷器(A-203)冷卻后作為原料進輕汽油醚化裝置，塔底的部分重汽油由一段加氫脫硫進料泵(P-201)升壓后進入一段加氫脫硫單元，部分重汽油經重沸爐泵(P-104)與選擇性加氫進料/分離塔塔底油換熱器(E-104)換熱后進入重沸爐(F-101)加熱，為分離塔(C-101)提供熱源[4]。工藝流程簡圖見圖2。

1.2 分離塔主要控制回路

分離塔主要控制回路如下：

(1) 塔頂壓力PIC10501分程控制回路。

(2) 空冷器冷后溫度TIC10602與空冷器變頻串級控制回路。

(3) 塔頂回流罐液位LIC10602與回流量FIC10601串級控制回路。

(4) 輕汽油在線硫分析AIC10501與靈敏板溫度TIC10503及輕汽油抽出量FIC10502復雜控制回路。

(5) 塔底液位LIC10701與一段加氫脫硫進料泵出口流量FIC20101串級控制回路。

(6) 塔底重沸爐出口溫度TIC10708與燃料氣流量、燃料氣壓力串級控制回路。

(7) 塔底重沸爐8路進爐流量FIC10701自動控制回路。

(8) 塔頂回流量FIC10601與塔底重沸爐燃料氣流量FIC30101串級控制回路。

2 分離塔存在問題分析

2.1 分離塔分割效果差、回流比低

2.1.1標定情況

2017年2月8日～10日，對裝置進行了標定，表1為標定時分離塔輕汽油、進料和塔底油的分析項目。

從表1可以看出，輕汽油95%餾出溫度為59 ℃，分離塔塔底油5%餾出溫度為72.5 ℃，兩者溫差為13.5 ℃，低于溫度差≥30 ℃的設計要求，說明分離塔分割效果不好，從分離塔塔底油的初餾點和輕汽油的終餾點來看，輕重汽油重疊較多，導致輕汽油產品中攜帶塔底重組分較多，硫質量分數(shù)達到10.4 μg/g，超過硫質量分數(shù)不大于10 μg/g的指標要求，輕汽油的終餾點達到70 ℃，不滿足醚化裝置輕汽油終餾點為63～67 ℃的要求。

表1 標定時分離塔輕汽油、進料和塔底油的分析項目Table 1 Analysis items of splitter LCN, feedstock and HCN during unit calibration分析項目輕汽油分離塔進料分離塔塔底油餾程/℃IBP23.2562.505%72.5010%26.7581.0050%35.75114.2590%50.50173.5095%59.00FBP70.0202.5密度(20 ℃)/(kg·m-3)<650.0754.4總硫質量分數(shù)/(μg·g-1)10.4256.5320.0φ(烯烴)/%37.7535.35二烯值/(g I2·(100 g)-1)0.730.72研究法辛烷值90.4086.95w(硫醇)/%<0.000 30.001

2.1.2正常運行情況

因正常運行時，缺少輕汽油95%餾出溫度和分離塔塔底油5%餾出溫度的分析數(shù)據，實際運行時參考輕汽油90%餾出溫度和分離塔塔底油10%餾出溫度的溫度差來判斷分割效果，輕汽油90%餾出溫度和分離塔塔底油10%餾出溫度的溫度差見表2，分離塔塔頂氣相組成分析見表3。從表2可以看出，兩者的溫度差為18～21 ℃，表明輕重汽油分割效果差，分離塔分割精度不好。從表3可以看出，塔頂氣相組成中C5+C6體積分數(shù)>7%，表明部分輕汽油進入塔頂氣相，既影響了輕汽油的收率，又造成了辛烷值的損失。

表2 輕汽油90%餾出溫度和分離塔塔底油10%餾出溫度差Table 2 Temperature difference between LCN 90% TBP and HCN 10% TBP℃輕汽油90%餾出溫度重汽油10%餾出溫度溫度差53～5874～7618～21

表3 塔頂氣氣相組成分析%Table 3 Gas phase composition analysis of overhead gasφ(C5)φ(C6)φ(C5+C6)0.62～1.116.73～9.887.35～10.99

2.1.3原因分析

表4為分離塔的工藝參數(shù)。從表4可以看出，分離塔塔頂壓力為0.89 MPa，達到設計值，進料溫度為130～135 ℃，重沸爐出口溫度為218～223 ℃，回流比為0.55～0.58，均低于設計值，造成分離塔整體熱量不足，這是造成輕重汽油分割效果差、回流比低的主要原因。

表4 分離塔的工藝參數(shù)Table 4 Process parameters of splitter項目塔頂溫度/℃原料溫度/℃塔底溫度/℃回流罐溫度/℃塔頂壓力/MPa輕汽油抽出比例/%重沸爐出口溫度/℃回流比設計值102153214460.89272300.63標定值103130200300.89242180.55實際值103～106130～135203～20630～500.8924～25218～2230.55～0.58

從輕汽油的抽出情況分析，抽出比例為24%～25%，低于設計值，會導致重汽油攜帶部分輕汽油進入一段加氫脫硫單元，造成辛烷值的損失。表4表明，分離塔各參數(shù)波動范圍較大，是造成輕重汽油分割效果差、回流比低的另一個主要原因。分離塔的8個控制回路中只有3個投用自動控制，其他的均處于手動控制狀態(tài)，由操作人員根據經驗來調節(jié)，具有一定的隨意性，平穩(wěn)率和控制精度較差，不利于將分離塔保持在較佳的操作區(qū)域。

2.2 輕汽油在線硫含量、靈敏板溫度與抽出量的復雜控制回路反應滯后

輕汽油在線硫含量分析儀用于控制輕汽油抽出量，最適宜的輕汽油抽出量取決于原料中的硫含量和產品硫規(guī)格，可用位于分離塔的輕汽油抽出塔板以下的靈敏板上的溫度控制器直接控制輕汽油抽出量和硫含量。原設計輕汽油在線硫含量、靈敏板溫度與抽出量的復雜控制回路由1個間斷計算過程邏輯進行控制，該間斷控制方案雖然可以實現(xiàn)硫含量對輕汽油抽出流量的控制，但此計算過程邏輯存在死區(qū)，即硫質量分數(shù)偏差在±0.8 μg/g以內時，溫度控制器的設定值不會改變。因此，投用現(xiàn)控制回路會造成硫含量控制精度滯后，導致輕汽油抽出比例偏低。

2.3 分離塔塔頂壓力偏高

分離塔塔頂氣的設計可以排入酸性氣裝置或PSA裝置。目前，分離塔塔頂氣排入PSA裝置，PSA裝置的入口壓力為0.4～0.5 MPa，分離塔設計壓力為0.89 MPa，實際控制壓力為0.89 MPa，遠高于PSA裝置的入口壓力。在塔頂壓力較高的情況下，要保持相同的分離效果，需要較大的回流比、較高的重沸爐出口溫度和較多的燃料氣用量。在相同的回流比下，塔壓較高會使分離塔的分離效果下降，輕汽油抽出比例降低。

3 優(yōu)化措施及效果

3.1 整定分離塔各回路PID參數(shù)，全部投用自動控制

PID 整定調節(jié)的目標是讓系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而使最大動態(tài)偏差盡可能小，調節(jié)時間最短，調節(jié)過程系統(tǒng)輸出的誤差積分值最小。通過湊試法整定PID的參數(shù)，在湊試時，可參考比例系數(shù)、積分時間和微分時間對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調整實行先比例、后積分、再微分的整定步驟[5]。

PID整定前后各控制回路自動控制投用情況見表5。從表5可以看出，整定前只有3個回路投用自動控制，自控率較低；整定后，8個回路全部投用自控，分離塔各參數(shù)的平穩(wěn)率和控制精度有較大的提高，有利于分離塔保持在較佳的操作區(qū)域。

表5 整定前后各控制回路自控投用情況Table 5 Automatic control system application situation of various control loops before and after setting up控制回路編號控制方式整定前整定后PIC10501自動自動TIC10602手動自動LIC10602自動自動AIC10501手動自動FIC10601手動自動LIC10701自動自動TIC10707手動自動FIC10701手動自動

3.2 對輕汽油在線硫含量控制進行組態(tài)變更

通過組態(tài)變更，增加1個對輕汽油在線硫含量連續(xù)計算過程邏輯，實現(xiàn)選擇輕汽油硫含量AIC10501、分離塔靈敏板溫度TIC10503和輕汽油抽出量FIC10502復雜控制回路的連續(xù)控制。

3.3 定期清洗空冷器翅片

隨著運行時間的增加，空冷器翅片及其間隙會被灰塵堵塞，冷卻風不能有效通過翅片，冷卻效果變差，冷卻后溫度升高，不利于塔頂溫度和回流比的穩(wěn)定操作。通過定期清洗空冷器翅片管外表面的灰塵、污垢物，使空冷器翅片間隙保持暢通，可以保證冷卻效果，穩(wěn)定回流溫度，有利于塔頂溫度的平穩(wěn)控制。

3.4 優(yōu)化調整分離塔工藝參數(shù)

表6為優(yōu)化調整前后工藝參數(shù)對比情況，表7為優(yōu)化調整后輕汽油90%餾出溫度和分離塔塔底油10%餾出溫度差，表8為優(yōu)化調整后塔頂氣氣相組成分析。從表6～表8可以看出，將分離塔進料溫度提高到145 ℃，逐步降低分離塔塔頂壓力至0.81 MPa，重沸爐出口溫度降低9～10 ℃，穩(wěn)定提高回流比為0.62～0.65，達到設計值。通過上述工藝參數(shù)的調整優(yōu)化，分離塔分割精度提高，輕汽油90%餾出溫度與分離塔塔底油10%餾出溫度的差值為42～47 ℃，分離塔塔頂氣相中C5+C6體積分數(shù)降至4%以下，降低了辛烷值損失。從表6和表9可以看出，輕汽油抽出比例提高到27%～28%，輕汽油中硫質量分數(shù)為9～10 μg/g，終餾點為64～67 ℃，滿足醚化裝置要求。

表6 優(yōu)化調整前后工藝參數(shù)對比情況Table 6 Comparison of process parameters before and after optimization adjustment數(shù)值塔頂溫度/℃原料溫度/℃塔底溫度/℃回流罐溫度/℃塔頂壓力(G)/MPa輕汽油抽出比例/%重沸爐出口溫度/℃回流比設計值102153214460.8926.72300.63優(yōu)化調整前103～106130～135203～20630～500.8824～25220～2230.55～0.58優(yōu)化調整后105～107145196～19843～460.8127～28211～2130.62～0.65

表7 優(yōu)化調整后輕汽油90%餾出溫度和分離塔塔底油10%餾出溫度差Table 7 Temperature difference between LCN 90% TBP and HCN 10% TBP after optimization adjustment ℃輕汽油90%餾出溫度重汽油10%餾出溫度溫度差43～4688～9042～47

3.5 優(yōu)化調整效果

分離塔優(yōu)化調整后，輕汽油抽出比例提高3百分點，按照裝置2018年計劃催化汽油加工量為1 633 550 t、醚化汽油(輕汽油)價格為4965元/t、重汽油為4572元/t進行計算，年增加效益=(4965-4572)×3%×1 633 550=1926萬元，分離塔重沸爐燃料氣用量降低190 m3/h，燃料氣單價以1.27元/m3計算，年增加效益=190 m3/h×8400 h×1.27 元/m3=203萬元，合計年增加效益=2129萬元。

表8 優(yōu)化調整后塔頂氣氣相組成分析Table 8 Gas phase composition analysis of overhead gas after optimization adjustment %φ(C5)φ(C6)φ(C5+C6)0.22～0.512.58～3.763.10～3.98

表9 優(yōu)化調整后輕汽油品質Table 9 LCN quality after optimization adjustment硫質量分數(shù)/(μg·g-1)終餾點/℃9～1064～67

4 結論

(1) 優(yōu)化措施實施后，分離塔分割精度提高，回流比達到設計值，分離塔塔底油10%餾出溫度與輕汽油90%餾出溫度差提高到40 ℃以上，終餾點為64～67 ℃，滿足醚化裝置要求。

(2) 優(yōu)化措施實施后，在處理量相同的情況下，輕汽油抽出比例提高3百分點，重沸爐出口溫度降低8～10 ℃，重沸爐燃料氣用量降低190 m3/h，年增加效益2129萬元，經濟效益顯著。