乙烯裝置石腦油原料提質(zhì)優(yōu)化模擬

譚廣飛

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

乙烯產(chǎn)業(yè)是重要的石化基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用，乙烯產(chǎn)量的大小是衡量一個(gè)國家石油化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。傳統(tǒng)管式爐裂解工藝仍然是目前獲得乙烯產(chǎn)品的重要途徑，而石腦油仍是最主要的乙烯裂解原料。石腦油品質(zhì)的高低決定了乙烯裝置高附加值產(chǎn)品收率。尤其是乙烯丙烯的收率的高低。如何通過低成本的工藝處理降低高品質(zhì)石腦油（烷烴質(zhì)量含量75%以上）作為乙烯原料的成本是提升乙烯裝置創(chuàng)效能力的重要措施之一。本文以中國石化某乙烯裝置石腦油為例進(jìn)行模擬分離，探索石腦油提質(zhì)增效的可行性。

1 裝置簡介和原料優(yōu)化背景

1.1 裝置簡介

某乙烯裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)64萬噸乙烯，工藝技術(shù)為中國石化與LUMMUS合作開發(fā)的乙烯專利技術(shù)，壓縮分離系統(tǒng)采用前脫丙烷、前加氫，雙塔脫丙烷流程并采用了三元制冷技術(shù)。共有7臺(tái)管式裂解爐，裂解爐原料主要來自上游煉廠裝置，包含有石腦油、加氫裂化尾油、輕石腦油、液化氣及煉廠富乙烷氣，其中石腦油有一部分是外購石腦油。主要產(chǎn)品為氫氣、乙烯、丙烯、混合碳四、裂解汽油及裂解燃料油。

1.2 原料優(yōu)化背景

從全球乙烯原料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，石腦油仍然是乙烯裂解原料中最主要的一種，其占比超過50%[1]。大部分石腦油來源自煉廠，而降低原油采購成本是煉化一體化企業(yè)大幅提升創(chuàng)效能力的最主要的措施，隨著原油不斷劣質(zhì)化，煉油裝置生產(chǎn)的裂解石腦油原料品質(zhì)也隨之下降。某煉廠在原油API為30左右時(shí)，在確保重整原料的前提下，只能為下游乙烯裝置提供一半的乙烯裂解原料石腦油，缺口部分依托外購，兩種石腦油在儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)進(jìn)行混合?；旌鲜X油的烷烴和芳烴質(zhì)量含量分別為72.5%和7.0%，乙烯裝置雙烯收率為48.5%左右，在系統(tǒng)內(nèi)并不算很高，仍有較大的提升空間。另外，按照外購石腦油的市場價(jià)格對比，烷烴質(zhì)量含量每提高1%，外購石腦油價(jià)格大約上漲10元/t。因此，在目前乙烯裝置處理能力一定的情況下，通過原料預(yù)處理工藝提升石腦油的品質(zhì)從而提高乙烯裝置高附加值產(chǎn)品收率尤為重要，特別是預(yù)處理成本低于石腦油原料采購差價(jià)時(shí)，企業(yè)整體創(chuàng)效的能力將大幅度提升。

2 石腦油抽提分離模擬

Aspen HYSYS是集穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬于一身的石油化工模擬軟件，原為加拿大Hyprotech公司的產(chǎn)品，隨著該公司被美國Aspen Tech公司收購，HYSYS就成了Aspen Tech公司旗下的產(chǎn)品，Aspen為其提供了更為豐富的化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。本文利用HYSYS軟件對石腦油抽提分離進(jìn)行模擬計(jì)算，鑒于石腦油芳烴含量低，故不宜采用抽提蒸餾新工藝，而是采用環(huán)丁砜液液抽提工藝，以石腦油為原料，產(chǎn)出抽余油和抽出油等產(chǎn)品。抽余油水洗后合格作為乙烯裂解原料，抽出油為高辛烷值組分適合用于汽油調(diào)和。HYSYS提供了功能強(qiáng)大的物性計(jì)算包，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于世界知名物性數(shù)據(jù)系統(tǒng)，能提供準(zhǔn)確的交互作用參數(shù)[3]。石腦油抽提分離模型中抽提塔和汽提塔采用UNIQUAC物性包，大部分二元交互參數(shù)由軟件提供，部分參數(shù)進(jìn)行了校正。

2.1 抽提分離工藝簡介

液液抽提分離工藝流程見圖1。裝置包括液液抽提塔、水洗塔、汽提塔、溶劑回收塔、水汽提塔和再生塔。石腦油進(jìn)入液液抽提塔底部，貧溶劑送到液液抽提塔上部，在抽提塔中進(jìn)行逆流萃取，抽余油從塔頂采出，富溶劑從塔底采出。塔頂抽余油和汽提塔回流罐送來的輕非芳組分進(jìn)入水洗塔底，從回收塔回流罐來的水作為循環(huán)水洗水進(jìn)入水洗塔頂，水洗塔塔頂產(chǎn)出抽余油產(chǎn)品，塔底含溶劑的水洗水送至水汽提塔。從液液抽提塔底來的富溶劑送往汽提塔上部，在汽提塔內(nèi)通過汽提閃蒸操作，塔頂蒸出輕非芳組分，冷凝后油相作為另一部分抽余油產(chǎn)品，與液液抽提塔頂抽余油合并經(jīng)過水洗合格后送出裝置作為裂解原料。從汽提塔出來的含芳烴溶劑進(jìn)入溶劑回收塔中部，從再生塔來的蒸汽作為汽提介質(zhì)，在溶劑回收塔內(nèi)芳烴與水蒸汽從塔頂蒸出，塔底回收得到貧溶劑。溶劑回收塔頂物冷凝后油水分離，得到富含芳烴的抽出油產(chǎn)品送出裝置作為汽油調(diào)和組分。在水汽提塔中對循環(huán)利用的水進(jìn)行汽提，塔頂含少量烴的蒸汽送往汽提塔作為汽提介質(zhì)，從塔底出來的蒸汽和汽提水進(jìn)入再生塔。再生塔內(nèi)除去溶劑中的機(jī)械雜質(zhì)和聚合物，溶劑汽提后從塔頂出來進(jìn)入溶劑回收塔作為汽提介質(zhì)，塔底廢溶劑定期的從塔底少量排出。

圖1 抽提分離工藝流程

2.2 原料和產(chǎn)品性質(zhì)

對混合石腦油和最低品質(zhì)外購石腦油進(jìn)行分別模擬分離計(jì)算。各原料和產(chǎn)品性質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽提分離原料和產(chǎn)品性質(zhì) %

可知，對石腦油進(jìn)行抽提分離后，抽余油芳烴質(zhì)量含量基本降至0%，抽余油作為乙烯原料石腦油其烷烴質(zhì)量含量分別上升了6.10%和7.85%，品質(zhì)得到大幅度提升。同時(shí)有少部分烷烴和環(huán)烷烴也會(huì)被抽出，但是比例不大，通過操作繼續(xù)調(diào)優(yōu)還可以降低烷烴抽出比例，但需要增加能耗。

2.3 原料和產(chǎn)品物料平衡

對不同進(jìn)料負(fù)荷進(jìn)行模擬測算，得出不同原料在不同負(fù)荷下抽余油和抽出油的流量。各原料和產(chǎn)品物料平衡數(shù)據(jù)見表2。

表2 抽提分離原料和產(chǎn)品物料平衡 t/h

對兩種進(jìn)料負(fù)荷工況下物料平衡數(shù)據(jù)取平均數(shù)，芳烴質(zhì)量含量為7%的混合石腦油進(jìn)行抽提分離后產(chǎn)出大約8.7%的抽出油，結(jié)合表1產(chǎn)品性質(zhì)可知，其烷烴損失率為0.84%。芳烴質(zhì)量含量為10%的外購石腦油進(jìn)行抽提分離后產(chǎn)出大約11.8%的抽出油，其烷烴損失率為0.79%。綜合來看，對于100 t/h石腦油進(jìn)行抽提分離，其烷烴損失大約為0.8 t/h，比例較小。

2.4 公用工程消耗及成本計(jì)算

對不同進(jìn)料負(fù)荷進(jìn)行模擬測算，得出不同原料在不同負(fù)荷下公用工程消耗情況。各原料和產(chǎn)品公用工程消耗數(shù)據(jù)見表3。

表3 抽提分離公用工程消耗數(shù)據(jù) t/h

在所有公用工程消耗中，最主要的消耗是蒸汽（包含外送凝結(jié)水），約占總消耗成本的80%，因此汽提塔和回收塔的操作影響較大，而與不同石腦油關(guān)系不大。對于200 t/h負(fù)荷規(guī)模，在蒸汽和循環(huán)水消耗上較為節(jié)約，主要是高負(fù)荷工況時(shí)回流量不會(huì)等比例增加，因此高負(fù)荷工況設(shè)計(jì)的裝置較為節(jié)能。綜合來看，石腦油抽提分離動(dòng)力成本為30～35元/t原料。

3 不同石腦油作為乙烯原料的模擬測算

SPYRO乙烯裂解模擬軟件是目前應(yīng)用較為廣泛的裂解爐模擬優(yōu)化軟件之一，模擬軟件包含大約3 000個(gè)裂解化學(xué)反應(yīng)方程，涉及128個(gè)烴類組分。實(shí)際應(yīng)用中，SPYRO軟件以效益最大化為原則，可用于乙烯裂解原料和裂解爐運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，也可用于裂解原料的優(yōu)化組合以指導(dǎo)生產(chǎn)計(jì)劃和原料采購，提高乙烯裝置效益[4-5]。

根據(jù)表1的石腦油性質(zhì)數(shù)據(jù)，利用SPYRO軟件的11萬噸/年石腦油爐（5-1型）模型進(jìn)行模擬測算，4種石腦油原料均采用相同工況。其主要工況參數(shù)見表4。

表4 石腦油爐工況參數(shù)

3.1 不同石腦油工況主要產(chǎn)品收率對比

通過SPYRO石腦油爐模型，選擇原料詳細(xì)組成輸入不同原料數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同原料工況下產(chǎn)品收率分布，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同石腦油工況主要產(chǎn)品收率對比 %

不同石腦油經(jīng)過抽提分離后裂解性能均大幅度提升。在相同工況下，混合石腦油抽余油和外購石腦油抽余油作為乙烯原料，乙烯質(zhì)量收率分別提升了2.04%和2.71%，丙烯質(zhì)量收率分別提升了1.05%和1.39%，高附加值產(chǎn)品質(zhì)量收率分別提升了3.31%和4.48%。綜合來看，石腦油芳烴含量越高，經(jīng)過抽提分離后再進(jìn)裂解爐得到的乙烯、丙烯及高附加值產(chǎn)品收率漲幅比例就越大。

3.2 不同石腦油工況燃動(dòng)消耗和成本計(jì)算

通過SPYRO石腦油爐模型，選擇原料詳細(xì)組成輸入不同原料數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同原料工況下裂解爐燃?xì)夂蛣?dòng)力消耗數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同石腦油工況噸投料燃動(dòng)消耗和成本

混合石腦油抽余油和外購石腦油抽余油作為乙烯原料時(shí)，要達(dá)到相同的反應(yīng)深度（丙乙比），需要更高的COT，也就是燃料氣消耗更高，同時(shí)超高壓蒸汽產(chǎn)出量也相應(yīng)增加。從總成本對比來看，增加幅度不大，混合石腦油抽余油作為乙烯原料時(shí)，噸投料成本（只算裂解爐燃動(dòng)成本，下同）增加了5.15元；外購石腦油抽余油作為乙烯原料時(shí)，噸投料成本增加了6.39元。

4 綜合效益測算

4.1 不同石腦油投料成本測算

我們通過參考某企業(yè)同等操作難度和規(guī)模的裂解汽油芳烴抽提裝置的運(yùn)行成本對石腦油抽提分離裝置進(jìn)行裂解爐投料成本測算。其中，抽出油作為汽油調(diào)和組分按石腦油等價(jià)計(jì)，三劑成本參考相同規(guī)模裝置單位成本，固定費(fèi)用參考相同操作難度裝置總成本，混合石腦油均價(jià)按2 500元/t作為基準(zhǔn)，外購石腦油按每1%烷烴質(zhì)量含量價(jià)值10元/t計(jì)價(jià)（烷烴質(zhì)量含量在65%～75%范圍內(nèi)），具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 不同石腦油工況噸投料成本

混合石腦油抽余油和外購石腦油抽余油作為乙烯原料時(shí)，其噸投料成本分別增加了92.51元和95.04元，其中外購石腦油抽余油比混合石腦油略高，為21.13元/t投料。

4.2 不同石腦油投料成本測算

我們通過參考某企業(yè)乙烯裝置RTO價(jià)格體系并選取100 t/h投料負(fù)荷對不同石腦油工況產(chǎn)品價(jià)值進(jìn)行計(jì)算分析，具體見表8。

表8 不同石腦油工況效益計(jì)算

通過上表數(shù)據(jù)可知，不同石腦油經(jīng)過抽提分離后其產(chǎn)品價(jià)值大幅度提升。其中，混合石腦油抽余油作為乙烯原料，其產(chǎn)品價(jià)值最高，約為55萬元/h；外購石腦油抽余油次之，約為54.5萬元/h。綜合考慮投料成本，外購石腦油抽余油作為乙烯原料，其效益最高，約為27.6萬元/h；混合石腦油抽余油次之，約為27.3萬元/h?；旌鲜X油和外購石腦油經(jīng)過抽提分離后，其效益均大幅提升，分別提升了8 093元/h和13 529元/h。

4.3 不同反應(yīng)深度效益測算

外購石腦油抽余油原料成本為2 518.65元/t，利用SPYRO軟件對石腦油爐不同反應(yīng)深度（丙乙比）進(jìn)行模擬測算，主要結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表9。

表9 不同反應(yīng)深度工況效益測算

通過上表數(shù)據(jù)可知，隨著反應(yīng)深度的降低，乙烯收率不斷下降而丙烯收率不斷上升，同時(shí)高附收率也隨之下降。按照表8的價(jià)格測算，我們發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品價(jià)值先升高后下降，燃動(dòng)消耗隨之略微下降，綜合效益也是先升高后下降，但幅度均很小。因此，當(dāng)前價(jià)格體系下反應(yīng)深度影響不是關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

1）目前化工產(chǎn)品市場較好，對石腦油進(jìn)行抽提分離，其增加的成本遠(yuǎn)低于乙烯原料改善后產(chǎn)品價(jià)值的提升。因此在石腦油資源和汽油調(diào)和條件允許的前提下，對乙烯原料石腦油進(jìn)行優(yōu)化提質(zhì)對乙烯裝置創(chuàng)效能力的提升很有幫助。

2）乙烯原料石腦油提質(zhì)對乙烯丙烯收率提升均有很大幫助，針對不同時(shí)期對乙烯丙烯選擇性增產(chǎn)的需求，也可以通過改變裂解爐反應(yīng)深度來實(shí)現(xiàn)，其效益是很明顯的。

3）乙烯原料石腦油芳烴組分抽走后，不僅對乙烯丙烯收率提升有幫助，且緩和了縮合生焦的條件，這對裂解爐和急冷油系統(tǒng)長周期運(yùn)行創(chuàng)造了十分有利的條件。