氣體分餾裝置丙烯精餾塔的模擬與優(yōu)化

謝 磊，安趙成，崔莉程，楊曉航，郭明鋼

（1.盤(pán)錦浩業(yè)化工有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124124；2.中國(guó)昆侖工程有限公司遼寧分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000；3.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

為解決全球氣候問(wèn)題，中國(guó)政府提出“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)［1，2］。作為傳統(tǒng)高能耗、高碳排放行業(yè)，煉化企業(yè)面臨嚴(yán)峻的碳減排壓力，通過(guò)優(yōu)化操作條件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置節(jié)能降碳成為煉化企業(yè)生存發(fā)展的必由之路。2019 年中國(guó)成品油產(chǎn)量已高于表觀消費(fèi)量，而丙烯當(dāng)量?jī)暨M(jìn)口量為942×104t，對(duì)外依存度達(dá)22.3%［3］。此背景下，以丙烯為目的產(chǎn)品的煉化一體化裝置、丙烷脫氫（PDH）裝置成為煉化企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵。

丙烯產(chǎn)品的分離提純主要通過(guò)精餾完成，而丙烯與丙烷間的沸點(diǎn)差導(dǎo)致丙烯精餾塔具有分離能耗高、塔板數(shù)量大、質(zhì)量難控制等問(wèn)題［4］。文中根據(jù)某煉油廠生產(chǎn)實(shí)際，采用Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)50×104t/a氣體分餾裝置進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)丙烯精餾塔塔壓、塔底流率、回流比等操作因素進(jìn)行分析，考察不同操作因素對(duì)丙烯產(chǎn)品和裝置能耗的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供有益參考。

1 氣體分餾裝置模擬

某煉油廠50×104t/a 氣體分餾裝置工藝采用Aspen Plus進(jìn)行流程模擬，并采用RK-SOAVE模型方法進(jìn)行物性計(jì)算，初始模擬相關(guān)參數(shù)為裝置實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 氣體分餾裝置工藝模擬流程

由圖1可以看出，原料液化石油氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入脫丙烷塔（T-2001）進(jìn)行C3/C4組分分離，脫丙烷塔塔底分離出的混合C4組分經(jīng)冷卻后送出裝置；在塔頂分離出的混合C3組分部分回流，部分送至脫乙烷塔（T-2002）進(jìn)一步分離；脫乙烷塔采用全回流脫除不凝干氣，在塔底得到的丙烷、丙烯混合液體送至丙烯精餾塔（T-2003）進(jìn)行分離，得到純度合格的丙烷和丙烯產(chǎn)品。

模型建立后運(yùn)行，流程收斂，各塔模擬結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際工藝控制參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知：軟件模擬值與實(shí)際生產(chǎn)值間存在偏差，該偏差可能是由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中熱量損失、儀表靈敏度低等原因造成的。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［5］，模擬偏差范圍在5%以?xún)?nèi)模擬結(jié)果較為理想，偏差范圍在10%以?xún)?nèi)是可以接受的。模擬結(jié)果中脫乙烷塔和丙烯精餾塔頂溫的偏差在5%~10%之間，其余數(shù)據(jù)偏差均小于5%，模擬結(jié)果能夠較好地反映實(shí)際，可以用作對(duì)實(shí)際裝置的優(yōu)化研究。

2 操作條件優(yōu)化

2.1 精餾塔塔頂壓力優(yōu)化

丙烯精餾塔不同塔頂壓力對(duì)丙烯和丙烷純度的影響見(jiàn)圖2（a，b）。丙烯精餾塔不同塔頂壓力對(duì)塔頂溫度的影響見(jiàn)圖3。

圖2（a） 塔頂壓力對(duì)丙烯純度的影響

圖2（b） 塔頂壓力對(duì)丙烷純度的影響

圖3 塔頂壓力對(duì)塔頂溫度的影響

由圖2 和圖3 可知，丙烯與丙烷產(chǎn)品純度均隨塔頂操作壓力的升高而降低，原因在于增加丙烯精餾塔操作壓力可使不同組分間相對(duì)揮發(fā)度減小，不利于產(chǎn)品分離。但操作壓力并不能無(wú)限降低，原因是隨著塔頂壓力降低使塔頂溫度隨之降低，溫度過(guò)低不利于氣相丙烯產(chǎn)品的冷凝。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［6］，丙烯精餾塔塔頂氣相溫度低于40 ℃時(shí)，氣相丙烯與冷凝水間傳熱溫差過(guò)小而難以冷凝。因此，綜合塔頂壓力對(duì)產(chǎn)品純度和塔頂溫度的影響，建議將丙烯精餾塔塔頂壓力由1.80 MPa 降至1.68 MPa，此時(shí)丙烯純度為99.68%，丙烷產(chǎn)品純度為95.69%，塔頂溫度為40.30 ℃。

2.2 塔底產(chǎn)品采出優(yōu)化

在進(jìn)料量恒定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)精餾塔塔底采出量能夠有效控制塔底液位、塔內(nèi)氣液平衡，影響產(chǎn)品純度和經(jīng)濟(jì)效益。

具體表現(xiàn)為：進(jìn)料量恒定情況下，增大塔底產(chǎn)品采出流量，會(huì)造成傳質(zhì)效率下降，輕關(guān)鍵組分過(guò)多地混雜在重組分中，塔底產(chǎn)品純度下降，塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量下降，產(chǎn)品效益下降。因此，在滿足塔頂丙烯和塔底丙烷產(chǎn)品純度的前提下，通過(guò)降低塔底丙烷采出量，能夠有效提高塔頂目的丙烯產(chǎn)品產(chǎn)量，進(jìn)而提高產(chǎn)品整體效益。

文中在恒定進(jìn)料及最優(yōu)塔頂壓力1.68 MPa 前提下，考察丙烯精餾塔塔底丙烷產(chǎn)品采出量對(duì)產(chǎn)品純度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4（a，b）。

圖4（a） 塔底采出流率對(duì)丙烯純度的影響

圖4（b） 塔底采出流率對(duì)丙烷純度的影響

由圖4 可知，隨丙烷流率提高，丙烯純度逐漸升高，當(dāng)塔底流率提高至4 515 kg/h，丙烯純度升至99.6%以上，提高至4 560 kg/h 后丙烯純度趨于平穩(wěn)；丙烷純度隨塔底流率的增大而持續(xù)下降，塔底流率不大于4 550 kg/h時(shí)，丙烷純度不小于95%。

建議塔底流率從4 545 kg/h 降至4 515 kg/h。此時(shí)丙烷產(chǎn)品純度為95.69%，丙烯純度為99.68%，丙烯產(chǎn)量隨之提高30 kg/h。

2.3 塔頂回流比優(yōu)化

回流比是調(diào)節(jié)精餾塔塔內(nèi)氣液平衡、控制產(chǎn)品純度的重要參數(shù)，同時(shí)也直接影響塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷［7~9］。在恒定產(chǎn)品進(jìn)料、控制塔頂壓力為1.68 MPa、塔底采出為4 515 kg/h 前提下，考察回流比對(duì)產(chǎn)品純度和丙烯精餾塔換熱器熱負(fù)荷的影響，結(jié)果分別見(jiàn)圖5~7。

圖5（a） 回流比對(duì)丙烯純度的影響

圖5（b） 回流比對(duì)丙烷純度的影響

圖6 回流比對(duì)丙烯精餾塔再沸器熱負(fù)荷的影響

圖7 回流比對(duì)丙烯精餾塔冷凝器熱負(fù)荷的影響

由圖5~7 可知，隨著回流比增加，丙烯和丙烷純度均隨之增大，塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷隨之增大。在保證各產(chǎn)品純度達(dá)標(biāo)的前提下，通過(guò)降低回流比可降低換熱器熱負(fù)荷。建議將回流比從19.0 降至17.8，此時(shí)丙烯純度為99.60%，丙烷純度為95.56%，冷凝器熱負(fù)荷降低777.1 kW，再沸器熱負(fù)荷降低777.1 kW。

3 優(yōu)化結(jié)果及效益分析

3.1 優(yōu)化結(jié)果

最終優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 丙烯精餾塔優(yōu)化結(jié)果前后對(duì)比

3.2 效益分析

通過(guò)優(yōu)化精餾塔參數(shù)，丙烯產(chǎn)量增加30 kg/h，丙烷產(chǎn)量減少30 kg/h，結(jié)合運(yùn)行時(shí)間8 400 h/a，丙烯價(jià)格 8 100 元/t，丙烷價(jià)格 5 773 元/t，優(yōu)化后增加效益58.64 萬(wàn)元。通過(guò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)再沸器能耗降低412.6 kW、冷凝器能耗降低392.2 kW。結(jié)合SH/T 3110-2001 中 1.0 MPa 蒸汽能量折算值 3 182 MJ/t，循環(huán)水能量折算值4.19 MJ/t，則運(yùn)行時(shí)間8 400 h/a下，節(jié)約低壓蒸汽3 921.1 t/a、循環(huán)水2 830 579.5 t/a。根據(jù) 1.0 MPa 低壓蒸汽 150 元/t，循環(huán)水 0.28 元/t 計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化節(jié)約運(yùn)行成本效益為138.07 萬(wàn)元。增加經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)196.71萬(wàn)元/a。

4 結(jié)論

采用Aspen Plus 模擬某煉油廠50×104t/a 氣體分餾裝置，在不改變裝置原有設(shè)備條件下，通過(guò)優(yōu)化丙烯精餾塔的塔頂壓力、塔底產(chǎn)品采出流量、回流比等3個(gè)重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)丙烯產(chǎn)品產(chǎn)量提高的同時(shí)，有效降低裝置生產(chǎn)能耗。在最佳條件為塔頂壓力1.68 MPa、塔底丙烷采出量為4 515 kg/h、摩爾回流比17.8 時(shí)，丙烯純度為99.60%，丙烷純度為95.56%，冷凝器熱負(fù)荷降低392.2 kW，再沸器熱負(fù)荷降低412.6 kW，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益196.71萬(wàn)元/a。