淺冷油回收C4解吸塔控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究

鄒 弋，林 凡，張家鏢

（1. 中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800；3. 中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

煉廠干氣含氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、 丙烯等大量輕質(zhì)烴類的氣體，以前多是火炬直接放空或當(dāng)燃料燒掉，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。中國(guó)石化北京化工研究院[1-6］開(kāi)發(fā)的淺冷油吸收法回收煉廠干氣工藝是回收干氣中乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等高附加值氣體的有效方法。淺冷油吸收技術(shù)是以C4為吸收劑在15 ℃的操作溫度區(qū)間回收干氣中的C2及以上餾分，以汽油為再吸收劑吸收和回收尾氣中甲烷氫所夾帶的吸收劑，使用富C4的吸收劑輸送至解吸塔，將C2組分從富C4吸收劑中解吸得到C2提濃氣（C2s），再以解吸后的貧C4（C4+）為吸收劑循環(huán)使用[7-11］。工藝所得C2s可作為乙烯裝置的原料，進(jìn)一步加工制得高附加值的聚合級(jí)乙烯和丙烯產(chǎn)品。干氣回收裝置平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，還需維持全廠燃料氣的供求平衡，所以干氣回收裝置的生產(chǎn)負(fù)荷常年均有波動(dòng)，現(xiàn)階段的干氣回收技術(shù)往往集中于研究回收率、產(chǎn)品純度和雜質(zhì)組成等方面，對(duì)于關(guān)鍵單元在擾動(dòng)存在情況下的抗波動(dòng)性研究較少。

本工作基于Aspen Hysys流程模擬軟件中Dynamic動(dòng)態(tài)模擬模塊，建立了帶有二級(jí)冷凝器的C4解吸塔的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)于在系統(tǒng)外部一直處于波動(dòng)狀態(tài)時(shí)，C4解吸塔是否可在一定波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了研究，并探討了控制操作波動(dòng)范圍的有效方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工藝流程

模擬數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)石化北京化工研究院自主研發(fā)的淺冷油吸收法應(yīng)用于煉廠飽和干氣回收技術(shù)項(xiàng)目，目標(biāo)是回收煉廠不飽和干氣中的C2，C3組分。模擬對(duì)象是該工藝流程中的C4解吸塔，C4解吸塔的主要作用是將回收的C2，C3組分從富C4吸收劑中解吸，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow drawing.

由圖1可知，F(xiàn)EED為含有的C2，C3組分的富C4吸收劑，經(jīng)流量控制器FIC-101控制進(jìn)入C4解吸塔（C-101）。為了節(jié)省冷媒水的消耗量，C-101塔頂采用2級(jí)冷卻器。塔頂氣相首先經(jīng)過(guò)冷凝器（E-101），冷卻介質(zhì)為33 ℃循環(huán)水，不設(shè)溫控，將塔頂氣相冷卻至40 ℃以下，凝液進(jìn)入C-101塔回流罐（V-101）；剩余氣相進(jìn)入過(guò)冷器（E-102），冷卻介質(zhì)為7 ℃的冷媒水，經(jīng)溫度控制器TIC-102調(diào)節(jié)冷媒水用量，將氣相過(guò)冷至15 ℃后，凝液進(jìn)入C-101塔塔頂凝液罐（V-102），不凝氣為C2s排出界區(qū)。其中，V-102與V-101之前存在6 000 mm位差，位差提供的靜壓頭使V-102罐底液相可以順暢流入V-101中，另設(shè)置3 000 mm的靜液封是防止V-101和V-102中的氣相互竄。V-102中液相進(jìn)入V-101混合后，通過(guò)回流泵（P-102）輸送至C-101塔頂，V-101內(nèi)液位通過(guò)液位控制器LIC-102和FIC-102串級(jí)控制維持在50%。C-101塔壓通過(guò)壓力控制器PIC-101調(diào)節(jié)V-102罐頂管線閥實(shí)現(xiàn)，維持壓力為2.61 MPa（表壓，下同）。塔釜設(shè)有再沸器（E-103），通過(guò)溫度控制器TIC-101調(diào)節(jié)蒸汽流量維持E-103返回溫度為126.2 ℃，塔釜液位依靠液位控制器LIC-101調(diào)節(jié)，維持液位為50%。

1.2 穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)據(jù)

穩(wěn)態(tài)模擬的物料平衡數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)C-101分離后塔頂?shù)玫紺2s，塔頂產(chǎn)品期望C4及以上組分不高于6.07 %（x）。塔釜產(chǎn)品期望丙烷含量不高于0.47%（x）。

表1 物料平衡數(shù)據(jù)Table 1 Material balance data

1.3 動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型涉及的邊界物料為原料、C2s和C4+吸收劑3股。在動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中，常把設(shè)備分為流導(dǎo)設(shè)備和非流導(dǎo)設(shè)備。本工作涉及的非流導(dǎo)設(shè)備為罐，一般認(rèn)為不產(chǎn)生壓降；流導(dǎo)設(shè)備主要包括塔、換熱器和閥門。閥門通過(guò)規(guī)定閥門系數(shù)（Cv或Cg）得到流量與壓降平方根的關(guān)系。塔一般規(guī)定氣相流過(guò)每塊塔板時(shí)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，而壓降與氣相組成有關(guān)系。換熱器不僅需要流量與壓降的關(guān)系，還需要總傳熱系數(shù)與換熱面積的乘積，本工作換熱器實(shí)際換熱系數(shù)經(jīng)HTRI軟件核算?？刂葡到y(tǒng)的PID參數(shù)整定對(duì)于整個(gè)動(dòng)態(tài)模型的真實(shí)性、可操作性和抗波動(dòng)性至關(guān)重要，本工作涉及的控制儀表只采用比例控制和積分控制，屬于反饋式控制方式。

2 結(jié)果與討論

2.1 上游波動(dòng)的影響

上游波動(dòng)主要來(lái)源為：1）原料來(lái)源處短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化，界區(qū)無(wú)法及時(shí)作出反應(yīng)；2）界區(qū)閥組由于長(zhǎng)時(shí)間沖蝕造成損壞，導(dǎo)致閥門動(dòng)作時(shí)偏差較大。上游波動(dòng)發(fā)生時(shí)，可造成進(jìn)料量的周期性波動(dòng)。為設(shè)置上游擾動(dòng)，本工作在動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中為進(jìn)料物流設(shè)置一個(gè)閥位擾動(dòng)，波動(dòng)范圍是正常閥位的85%～115%，導(dǎo)致進(jìn)料物流的流量波動(dòng)范圍為正常進(jìn)料的78.18%（x）～151.62%（x）。圖2為進(jìn)料量波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間的變化。由圖2可知，塔頂產(chǎn)品C2s流量（x）波動(dòng)范圍為104.6%～120.9%；塔頂產(chǎn)品中C4含量（x）波動(dòng)范圍為97.1%～106.4%；塔釜產(chǎn)品C4+流量（x）波動(dòng)范圍為107.6%～123.3%；塔釜產(chǎn)品丙烷含量（x）波動(dòng)范圍為98.3%～104.7%。綜上所述，塔頂和塔釜產(chǎn)品組成基本可以維持在預(yù)期值5%以內(nèi)，由此可見(jiàn)，C4解吸塔的塔釜容積、再沸器和溫度控制可以降低上游原料波動(dòng)的影響，在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定操作，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)影響較小。

2.2 背壓波動(dòng)的影響

造成背壓波動(dòng)的原因?yàn)椋?）由于受到更下游裝置壓控閥門損壞導(dǎo)致的周期性操作波動(dòng)，即平穩(wěn)型波動(dòng)；2）因下游裝置含有兩相流的管道，因管道設(shè)計(jì)考慮不足或生產(chǎn)負(fù)荷降低導(dǎo)致管道內(nèi)部形成活塞流，進(jìn)而因下游不暢導(dǎo)致的壓力驟升驟降，即驟變型波動(dòng)。本工作在動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中為系統(tǒng)背壓設(shè)置一個(gè)擾動(dòng)，波動(dòng)范圍為正常背壓（2.15 MPa）的83.7%～116.3%，最小值為1.80 MPa，最大值為2.50 MPa。兩種背壓波動(dòng)形式不同的是，平穩(wěn)型波動(dòng)在20 min的周期內(nèi)平穩(wěn)上升后再下降，近似于因操作波動(dòng)導(dǎo)致的背壓波動(dòng)；驟變型波動(dòng)在20 min的周期內(nèi)急升至最高壓力后，穩(wěn)定約8 min后急劇下降至最低壓力，再穩(wěn)定約8 min后急劇上升，近似于因下游管道產(chǎn)生活塞流時(shí)的背壓波動(dòng)情況。在背壓變化明顯的情況下，兩種波動(dòng)形式的塔壓均未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說(shuō)明通過(guò)壓力控制器PIC-101控制C-101塔壓的設(shè)置，可較平穩(wěn)地維持塔壓穩(wěn)定，但塔頂和塔釜產(chǎn)品組成卻產(chǎn)生了較大的變化。圖3為背壓波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間的變化。

圖2 進(jìn)料量波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間的變化Fig.2 The composition changes with time in feed fluctuation.

圖3 背壓波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間的變化Fig.3 The composition changes with time in back pressure fluctuation.

由圖3可知，在平穩(wěn)型波動(dòng)情況下，塔頂產(chǎn)品C2s中C4組分含量最小值為5.40%（x），最大值為7.56%（x）；在驟變型波動(dòng)情況下，塔頂產(chǎn)品C4組分含量最小值為5.46%（x），最大值為8.25%（x）。在平穩(wěn)型波動(dòng)情況下，塔釜產(chǎn)品丙烷含量最小值為0.45%（x），最大值為0.50%（x）；在驟變型波動(dòng)情況下，塔釜產(chǎn)品丙烷含量最小值為0.45%（x），最大值為0.51%（x）?？梢?jiàn)，兩種背壓波動(dòng)情況對(duì)塔釜操作參數(shù)影響明顯大于上游原料波動(dòng)情況，但驟變型背壓波動(dòng)對(duì)塔釜產(chǎn)品的影響更大。雖然現(xiàn)有控制方案仍能在背壓波動(dòng)情況下使系統(tǒng)的波動(dòng)維持在一定范圍，但是此時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)受到了影響。

2.3 數(shù)據(jù)與分析

2.3.1 擾動(dòng)分析

精餾塔系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素眾多，主要包括塔頂冷卻回流系統(tǒng)和塔釜加熱系統(tǒng)。圖4a為2種背壓波動(dòng)情況下再沸器E-103入口流量、熱負(fù)荷和塔釜溫度隨時(shí)間變化情況。由圖4a可知，3組操作參數(shù)在兩種背壓波動(dòng)情況下的波動(dòng)范圍較為平穩(wěn)。圖4b為回流量和塔釜的操作波動(dòng)情況。由圖4b可知，兩種背壓波動(dòng)情況較為相似，但驟變型背壓波動(dòng)范圍更大，塔頂回流量波動(dòng)范圍為期望值（48 103 kg/h）的30.0%～157.4%，波動(dòng)明顯過(guò)大。圖4c為塔頂氣相溫度、E-101出口溫度和E-102出口溫度隨時(shí)間變化情況。由圖4c可知，兩種背壓波動(dòng)情況下，3個(gè)溫度點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相當(dāng)，但驟變型背壓波動(dòng)更為明顯。由此可見(jiàn)，塔頂回流量的波動(dòng)是導(dǎo)致塔釜液位波動(dòng)的原因，因此解決塔頂回流波動(dòng)問(wèn)題是解決C-101操作穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在無(wú)法消除背壓波動(dòng)影響的情況下，只能通過(guò)控制回流波動(dòng)來(lái)降低C-101精餾系統(tǒng)的波動(dòng)，但無(wú)法從根本上消除波動(dòng)。

圖4 背壓波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間變化Fig.4 The composition changes with time in back pressure fluctuation.

2.3.2 改進(jìn)方案

背壓變化直接影響塔頂產(chǎn)品C2s的流量。由于塔壓控制器PIC-101為反饋控制器，存在一定滯后性，且背壓持續(xù)波動(dòng)為壓力控制增加難度。設(shè)計(jì)時(shí)，所選閥門的Cv會(huì)一定程度上降低塔頂C2s的流量。為了保證回流穩(wěn)定，將流量控制器FIC-102投用并與回流罐液位控制器LIC-102形成串級(jí)控制。模擬了改善后的控制方案在驟變型塔壓波動(dòng)存在時(shí)的控制效果，并與未改善前的主要參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 改進(jìn)的背壓波動(dòng)工況下各組分隨時(shí)間變化Fig.5 The composition changes with time in back pressure fluctuation condition.

由圖5可知，改善后的控制方案較之前有了 明顯的改善，塔頂回流量波動(dòng)范圍比改善前縮小49.0%，塔釜最低液位波動(dòng)范圍比改善前縮小57.0 %，塔釜C2，C3輕組分波動(dòng)范圍縮小53.8%。改善后的塔頂出口溫度波動(dòng)范圍縮小74.7%；塔頂冷凝器E-101出口的溫度波動(dòng)范圍縮小54.2%；塔頂過(guò)冷器E-102出口的溫度波動(dòng)范圍比改善前縮小41.7%。在驟變型波動(dòng)情況下，改善后的塔頂產(chǎn)品C2s流量波動(dòng)范圍縮小19.4 %。塔頂產(chǎn)品C4組分含量波動(dòng)范圍縮小53.7%。改善后塔釜產(chǎn)品波動(dòng)范圍縮小50.2%。塔釜產(chǎn)品丙烷含量波動(dòng)范圍縮小50.9%。

3 結(jié)論

1）分析了上游原料波動(dòng)、下游平穩(wěn)型背壓波動(dòng)和下游驟變型背壓波動(dòng)3種上下游擾動(dòng)形式對(duì)精餾塔的操作波動(dòng)的影響。在下游驟變型背壓波動(dòng)存在下，塔的操作波動(dòng)最為明顯，塔頂和塔釜產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)范圍過(guò)大。淺冷油吸收工藝的C4解吸塔在3種擾動(dòng)下均可以在一定波動(dòng)范圍維持運(yùn)行，具有一定的抗擾動(dòng)能力。

2）動(dòng)態(tài)模擬可以有效反應(yīng)擾動(dòng)存在下塔操作參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，包括塔頂回流量、塔釜液位、塔釜液相組成、再沸器操作參數(shù)、回流罐液位、塔頂溫度分布、塔頂和塔釜產(chǎn)品流量和組分。

3）基于動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，提出塔頂壓力控制閥PV-101依靠波動(dòng)最低背壓選型和在塔頂回流罐液位控制投用流量串級(jí)控制2條有效的改進(jìn)措施。在驟變型背壓波動(dòng)情況下，改進(jìn)后的塔頂產(chǎn)品流量的波動(dòng)范圍縮小19.4%，塔頂產(chǎn)品組分含量波動(dòng)范圍縮小53.7%；塔釜產(chǎn)品波動(dòng)范圍較改善前縮小50.2%，塔釜產(chǎn)品組分波動(dòng)范圍縮小50.9%。

4）上下游擾動(dòng)對(duì)精餾塔的操作穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備壽命都有不良影響。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該首先盡量消除裝置上下游的擾動(dòng)，合理布置兩相流管道，避免出現(xiàn)活塞流影響系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。