基于Aspen Plus的氣體分餾裝置的模擬與優(yōu)化

吳 昊 天

(中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司煉油廠，南京 210048)

近年來，隨著市場對高純度丙烯、丙烷的需求量日趨擴(kuò)大，氣體分餾裝置作為國內(nèi)煉油廠以催化裂化液化氣和延遲焦化液化氣為原料分離生產(chǎn)高純度丙烯的主要裝置，其生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化、工藝條件優(yōu)化以及節(jié)能降耗等越來越受到重視。

近年來，國內(nèi)在氣體分餾裝置的模擬計算優(yōu)化、靈敏度分析等工作已開展多年且相當(dāng)成熟可靠。在眾多的優(yōu)化工作中，非常重要的一項(xiàng)就是通過優(yōu)化精餾塔操作以求實(shí)現(xiàn)提高丙烯的收率[1-3]。目前中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司(簡稱揚(yáng)子石化)2號氣體分餾裝置存在丙烯產(chǎn)品實(shí)際收率與設(shè)計收率相差大(裝置設(shè)計丙烯產(chǎn)品收率為35.11%，實(shí)際收率為33.12%)、精丙烯塔兩塔能耗較大等問題，導(dǎo)致了丙烯的損失與裝置能量的浪費(fèi)，造成了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。針對這一情況，利用Aspen Plus軟件對該裝置進(jìn)行流程模擬分析優(yōu)化的工作便很有必要。本課題通過建立揚(yáng)子石化2號氣體分餾裝置穩(wěn)態(tài)模型對裝置主要操作參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的精餾塔操作方案，以期應(yīng)用流程模擬結(jié)果指導(dǎo)裝置生產(chǎn)操作，達(dá)到裝置增產(chǎn)丙烯的目的。

1 工藝流程簡述

揚(yáng)子石化現(xiàn)有處理量為2.00 Mt/a的2號催化裂化裝置所產(chǎn)的液化氣供處理能力為0.48 Mt/a的2號氣體分餾裝置作為原料，根據(jù)精餾原理將氣體分餾裝置凈化后的液化氣切割分離為不同組分，以獲得丙烯、丙烷和混合C4等主要產(chǎn)品。揚(yáng)子石化2號氣體分餾裝置由脫丙烷塔、脫乙烷塔、精丙烯塔一塔、精丙烯塔二塔4個塔組成，其具體工藝流程如圖1所示。從原料緩沖罐來的精制液化氣先經(jīng)脫丙烷塔分離，將較輕的C2、C3組分與較重的C4、C5組分分離，塔釜得到混合C4產(chǎn)品，塔頂采出的C2、C3組分從脫丙烷塔塔頂冷凝罐經(jīng)泵抽出后再進(jìn)入脫乙烷塔，在脫乙烷塔分離出的輕組分C2從塔頂冷凝罐氣相采出，塔釜的C3組分在自壓作用下進(jìn)入精丙烯塔進(jìn)行分離提純。其中，因受制造、運(yùn)輸?shù)葪l件限制精丙烯塔采用雙塔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，分為精丙烯塔一塔、精丙烯塔二塔。精丙烯塔一塔塔頂氣相全部送至精丙烯塔二塔塔底作為氣相進(jìn)料，精丙烯塔二塔塔底液相經(jīng)泵抽出后送至精丙烯塔一塔塔頂作為液相進(jìn)料。經(jīng)精丙烯塔二塔塔頂冷凝器冷凝后的液相采出得到產(chǎn)品丙烯，精丙烯塔一塔塔底液相采出得到產(chǎn)品丙烷。

圖1 2號氣體分餾裝置工藝流程示意

2 Aspen Plus模型的建立

2.1 物性方法的選擇

合理采用Aspen提供的物性方法是準(zhǔn)確進(jìn)行模擬計算的關(guān)鍵。在Aspen提供的物性計算方法中，RK-SOAVE，PENG-ROB，NRTL，BK10這4種物性計算方法都可用于烴類物系分離的模擬[4]。本課題根據(jù)裝置的實(shí)際物料組分和工藝條件(溫度為40～110 ℃、壓力為1.80～2.60 MPa等)進(jìn)行物性計算方法的選擇。因模擬的體系中的烴類物質(zhì)屬于非極性體系，故選用RK-SOAVE為模型的物性計算方法，并據(jù)此計算體系中物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)[5-6]。

2.2 模型模塊的選取

利用Aspen Plus繪制氣體分餾裝置的模擬流程，模型采用四塔流程，脫丙烷塔、脫乙烷塔、精丙烯塔一塔、精丙烯塔二塔均采用RadFrac模型。RadFrac模型是一個基于平衡的嚴(yán)格二相、三相精餾塔計算模塊，用于模擬各種類型的多級氣-液精餾操作。各塔塔底均選擇熱虹吸式重沸器，脫丙烷塔和精丙烯塔二塔塔頂均選擇全冷凝器，飽和液相回流；脫乙烷塔塔頂選擇部分氣相冷凝器；泵均采用Pump模型。脫丙烷塔、脫乙烷塔、精丙烯塔一塔均設(shè)置有上、中、下3種進(jìn)料位置，因?qū)嶋H進(jìn)料位置均為中間位置，故模型計算中采用中間位置進(jìn)料。

2.3 模擬計算的有關(guān)工藝條件與規(guī)定

脫丙烷塔進(jìn)料為精制液化氣，其組成如表1所示。模型建立時，各塔的主要操作參數(shù)如表2所示。

表1 脫丙烷塔進(jìn)料組成 φ，%

表2 氣體分餾裝置各塔主要工藝參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品分離要求，實(shí)際生產(chǎn)中主要產(chǎn)品控制指標(biāo)為：丙烯產(chǎn)品中φ(丙烯)99.6%；丙烷產(chǎn)品中φ(丙烷)95.0%；混合碳四產(chǎn)品中φ(C5)2.8%。為使模型計算結(jié)果更加符合裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況，在各塔模型中添加設(shè)計規(guī)定如下：脫丙烷塔塔頂物料中φ(C4)0.01%，脫丙烷塔塔底物料中φ(C3)2.0%，塔頂輕關(guān)鍵組分丙烷的回收率為96.40%，塔頂重關(guān)鍵組分異丁烷的回收率為0.02%；精丙烯塔二塔塔頂物料中φ(丙烯)99.6%，精丙烯塔一塔塔底物料中φ(丙烷)95.0%，塔頂輕關(guān)鍵組分丙烯的回收率為99.90%，塔頂重關(guān)鍵組分丙烷的回收率為0.20%。

再以2號氣體分餾裝置實(shí)際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)和化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)定義各操作變量并建立穩(wěn)態(tài)模型，將模型計算值(模擬值)與實(shí)際生產(chǎn)中的物料組成(實(shí)際值)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，校正后的模型計算值與實(shí)際值較為接近，說明該模型能夠較好地反映裝置的真實(shí)運(yùn)行狀況，可為進(jìn)一步的分析優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

表3 氣體分餾裝置物料組成對比 φ，%

3 模型優(yōu)化分析

丙烯和丙烷是氣體分餾裝置的重要產(chǎn)品，在保證兩者產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，本課題以提高丙烯收率、節(jié)能降耗為目標(biāo)對模型進(jìn)行優(yōu)化分析。具體做法是，利用Aspen Plus的靈敏度分析工具對脫丙烷塔塔頂?shù)腃3、C4組分含量，精丙烯塔分離效果，以及各塔能耗的影響因素進(jìn)行分析，從而優(yōu)化氣體分餾裝置各塔的操作參數(shù)[7-8]。

3.1 精餾塔分離效果優(yōu)化

3.1.1 脫丙烷塔操作參數(shù)對分離效果的影響在實(shí)際生產(chǎn)中，脫丙烷塔的主要操作參數(shù)為塔頂壓力、塔頂回流比和塔底再沸量，由于塔頂回流比和塔底再沸量有對應(yīng)關(guān)系，故只考察一個。利用Aspen Plus的靈敏度分析工具得到脫丙烷塔塔頂壓力、塔頂回流比對塔分離效果與全塔熱負(fù)荷的影響，分別見圖2和圖3。

圖2 塔頂壓力對脫丙烷塔塔頂組分含量及全塔熱負(fù)荷的影響

圖3 塔頂回流比對脫丙烷塔塔頂組分含量及全塔熱負(fù)荷的影響

由圖2可以看出，塔頂壓力越低，物質(zhì)的相對揮發(fā)度越高，越有助于提高塔的分離精度，相應(yīng)的全塔熱負(fù)荷越低。但塔降壓操作的瓶頸在于塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷，考慮到裝置實(shí)際的空氣冷卻器能力，在保證分離效果的情況下，塔頂壓力控制為1.85～1.90 MPa較為合理。

由圖3可以看出：塔頂回流比對塔的影響較大，隨著回流比的增大，塔的分離精度也增加，全塔熱負(fù)荷增大，塔的操作成本增加；當(dāng)回流比增大到2.35時，繼續(xù)增大回流比對塔的分離效果影響已不大。因此，回流比應(yīng)控制為2.25～2.40，既可滿足分離要求，又能節(jié)約塔的操作成本。

3.1.2 精丙烯塔操作參數(shù)對分離效果的影響揚(yáng)子石化2號氣體分餾裝置的精丙烯塔存在能耗較大、丙烯和丙烷純度偏高的問題，具有較大優(yōu)化空間。利用Aspen Plus的靈敏度分析工具得到精丙烯塔塔頂壓力、塔頂回流比對精丙烯塔分離效果與全塔熱負(fù)荷的影響，分別見圖4、圖5。

圖4 塔頂壓力對精丙烯塔分離效果及全塔熱負(fù)荷的影響

圖5 塔頂回流比對精丙烯塔分離效果及全塔熱負(fù)荷的影響

由圖4和圖5可以看出：降低精丙烯塔塔頂壓力有助于丙烯、丙烷的分離并降低全塔熱負(fù)荷；提高塔頂回流比有助于丙烯、丙烷的分離，但相應(yīng)會使全塔熱負(fù)荷升高。

在目前的丙烯市場行情下，精餾塔增產(chǎn)丙烯帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于增加的能耗的價值，精餾塔仍存在較大的優(yōu)化空間。故在滿足產(chǎn)品純度且保證裝置平穩(wěn)生產(chǎn)的同時，考慮到全塔熱負(fù)荷，可適當(dāng)提高塔頂壓力或降低回流比。由于塔底溫度已為控制下限，故不考慮降低回流比，而是應(yīng)將塔頂壓力由1.89 MPa微調(diào)至1.92 MPa，在使丙烯產(chǎn)品質(zhì)量合格的情況下，增加丙烯收率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

按照既定措施調(diào)整操作，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，與去年同期相比，產(chǎn)品丙烯純度由99.90%降至99.81%，丙烯收率為33.20%，比調(diào)整前提高了0.08百分點(diǎn)。裝置調(diào)整操作前后的能耗對比見表4。由表4可知，調(diào)整操作后裝置能耗略有降低，降低值為8.2 MJt，主要源于空氣冷卻器風(fēng)機(jī)的能耗降低。綜上，增產(chǎn)丙烯及降低能耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益約為92.05萬元a。

表4 裝置調(diào)整前后的能耗 MJ/t

3.2 脫丙烷塔最佳進(jìn)料位置分析

脫丙烷塔有上、中、下3種進(jìn)料位置，目前裝置采用中間位置進(jìn)料。適宜的進(jìn)料位置可在相同操作工況下使精餾塔達(dá)到最大的分離能力。裝置生產(chǎn)中可根據(jù)進(jìn)料物流的輕、重組分含量相應(yīng)調(diào)整進(jìn)料位置，以起到增加精餾段或者提餾段的作用，提高塔的分離能力。模型中通過控制塔頂回流比和塔頂采出量來使脫丙烷塔塔頂C4和塔底C2、C3滿足質(zhì)量要求。利用Aspen Plus的靈敏度分析工具分析脫丙烷塔進(jìn)料位置對塔分離效果與能耗的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 進(jìn)料位置對塔分離效果及全塔熱負(fù)荷的影響

由圖6可知，在表1、表2所示工況下全塔熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的下移而下降，相應(yīng)的進(jìn)料位置下移，塔頂C4組分減少，分離效果提高。在目前脫丙烷塔進(jìn)料中輕組分含量較低、重組分含量較高的情況下，為了保證脫丙烷塔塔頂、塔底物料質(zhì)量滿足要求，應(yīng)將進(jìn)料位置下移。受實(shí)際進(jìn)料口(脫丙烷塔實(shí)際在第21，25，29塊板開有進(jìn)料口)限制，建議將進(jìn)料位置調(diào)整為第29塊板，可提高分離效果，降低能耗。

4 存在的問題

由于裝置存在一些限制因素且Aspen Plus軟件本身有一定模擬計算誤差，2號氣體分餾裝置穩(wěn)態(tài)模型仍有待完善，但在特定工況下，該模型可用來指導(dǎo)生產(chǎn)，加強(qiáng)操作人員對調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的理論認(rèn)識，從而進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

(1)按照流程模擬計算結(jié)果，以保證裝置平穩(wěn)生產(chǎn)為主，為最大限度增產(chǎn)丙烯，脫丙烷塔各操作參數(shù)應(yīng)以微調(diào)為主。

(3)精丙烯塔塔頂壓力的控制適當(dāng)放開，考慮到全塔熱負(fù)荷，塔頂壓力應(yīng)由1.89 MPa微調(diào)至1.92 MPa，以提高丙烯收率。

(4)按照既定措施調(diào)整操作，生產(chǎn)穩(wěn)定，與去年同期對比產(chǎn)品丙烯純度由99.90%降至99.81%，丙烯收率增加0.08百分點(diǎn)，帶來的經(jīng)濟(jì)效益約為92.05萬元/a。