加氫裂化尾氣脫硫與溶劑再生裝置流程模擬與優(yōu)化研究

邊 圣 海

(中國(guó)石化齊魯分公司，山東 淄博 255411)

流程模擬技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的，利用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化的綜合技術(shù)，是過程系統(tǒng)工程的重要技術(shù)之一。作為采用信息技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)整體水平的重要舉措，流程模擬是實(shí)現(xiàn)裝置精細(xì)化管理的有效手段，是分析現(xiàn)有流程性能、改進(jìn)現(xiàn)有裝置操作的有力工具。利用流程模擬軟件，通過對(duì)相關(guān)化工裝置建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)其工況進(jìn)行模擬，分析和診斷生產(chǎn)裝置的操作方案、工藝參數(shù)、裝置潛力和瓶頸，可在裝置節(jié)能降耗、挖潛增效、技術(shù)改造等方面取得良好效果。流程模擬技術(shù)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)、研究部門和生產(chǎn)車間強(qiáng)有力的輔助工具，并在煉化裝置優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

本課題針對(duì)某煉油廠加氫裂化尾氣脫硫與溶劑再生裝置存在的能耗偏高現(xiàn)象，通過 Aspen Plus 模擬軟件對(duì)該套裝置進(jìn)行模型優(yōu)化，通過調(diào)整胺液量、再沸器蒸汽負(fù)荷等優(yōu)化措施，對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 裝置流程簡(jiǎn)述

裝置共有兩股物料，分別是來自裝置自身的低壓分離氣(低分氣)和液化氣，經(jīng)冷卻后進(jìn)入分液罐，去除固體與液體雜質(zhì)后進(jìn)入脫硫塔下部，在脫硫塔的上部噴入貧胺液以吸收硫化氫。脫硫后的低分氣送至裝置的氫提濃部分回收氫氣，脫硫后的液化氣送出裝置。

吸收了硫化氫的富胺液(干氣脫硫塔的富液直接經(jīng)換熱后進(jìn)入溶劑再生塔)進(jìn)入富胺液閃蒸罐，經(jīng)緩沖、脫氣、換熱后進(jìn)入胺溶劑再生塔(C604)。在此，通過塔底再沸器將溶劑再生，使硫化氫自塔頂逸出。再生后的貧液自塔底部流出，經(jīng)換熱冷卻后進(jìn)入溶劑儲(chǔ)罐，再由貧液泵抽出分別送往本裝置的循環(huán)氫、低分氣、干氣與液化氣4個(gè)脫硫塔，流程示意見圖1。

圖1 加氫裂化尾氣脫硫及溶劑再生流程

2 原理及反應(yīng)方程

化學(xué)吸收法是以可逆的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，以堿性溶劑甲基二乙醇胺(MDEA)為吸收劑的脫硫方法，溶劑與含硫氣中的酸性組分(主要是H2S)反應(yīng)生成銨鹽；吸收了酸氣的富液在升溫、降壓的條件下，銨鹽又能分解而放酸氣。主要反應(yīng)方程式為：

(1)

(2)

式中：R為—CH2—CH2OH；R′為—CH3。

上述反應(yīng)為可逆反應(yīng)，較低溫度下(25～40 ℃)，反應(yīng)向右進(jìn)行(吸收)；較高溫度下(大于105 ℃)，反應(yīng)向左進(jìn)行(解吸)，此時(shí)生成胺的硫化物分解，析出H2S，醇胺溶劑被再生，可以循環(huán)利用[5-6]。

3 模型建立與對(duì)比

應(yīng)用Aspen Plus自帶流程圖繪制功能，建立了加氫裂化尾氣脫硫及溶劑再生模型流程，物性計(jì)算采用ELECNRTL方法，C601，C602 ，C604的流程模擬采用Radfrac模型。

加氫裂化尾氣脫硫裝置對(duì)脫后氣體質(zhì)量要求如下：C601、C602塔頂氣H2S體積分?jǐn)?shù)不大于0.004%，塔釜液H2S質(zhì)量濃度不大于30 g/L。

C601、C602和C604模擬條件、模擬結(jié)果和實(shí)際工況對(duì)比分別見表1～表6?？梢钥闯?，3個(gè)塔工藝參數(shù)模擬值和實(shí)際值均吻合較好，說明模型能夠較好地反映裝置實(shí)際操作狀況，可以進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用分析。

表1 C601模擬條件

表2 C601工藝參數(shù)模擬值與實(shí)際值對(duì)比

表3 C602模擬條件

表4 C602工藝參數(shù)模擬值與實(shí)際值對(duì)比

表5 C604模擬條件

表6 C604工藝參數(shù)模擬值與實(shí)際值對(duì)比

4 模型分析與結(jié)果討論

4.1 C601、C602的模型分析

4.1.1塔頂壓力對(duì)脫后低分氣、干氣H2S含量的影響

C601、C602的壓力主要來自原料氣的壓力，壓力是關(guān)系到H2S吸收效果的主要參數(shù)之一?；诟邏号c低溫均有利于吸收的原則，提高壓力會(huì)增強(qiáng)原料氣的脫硫效果，對(duì)低分氣與干氣質(zhì)量提高有利；但過高的壓力會(huì)增加再生塔的負(fù)荷，導(dǎo)致頂部酸性氣不合格，影響硫磺生產(chǎn)。降低壓力雖能減少再生塔的負(fù)荷，提高H2S的純度，但很容易使凈化氣中的H2S含量超標(biāo)，造成凈化氣質(zhì)量不合格。C601、C602塔頂壓力對(duì)脫后低分氣和脫后干氣中H2S含量和溶劑中MDEA含量的影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 C601塔頂壓力對(duì)脫后低分氣H2S、MDEA含量的影響

圖3 C602塔頂壓力對(duì)脫后干氣H2S、MDEA含量的影響

由圖2可見，當(dāng)C601塔頂壓力低于2.07 MPa時(shí)，塔頂脫后低分氣的H2S質(zhì)量濃度大于40 mg/m3，導(dǎo)致出塔低分氣質(zhì)量不合格。同樣，從圖3可見，當(dāng)C602塔頂壓力低于0.53 MPa時(shí)，塔頂脫后干氣中H2S質(zhì)量濃度大于100 mg/m3，導(dǎo)致出塔頂干氣H2S質(zhì)量不合格。

另外，過低的壓力還會(huì)使MDEA溶液被帶到瓦斯系統(tǒng)，影響加熱爐的正常操作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成吸收塔沖塔，由圖2、圖3可以看出，隨著塔頂壓力的降低，脫后低分氣和脫后干氣中的MDEA含量皆呈增加趨勢(shì)。

4.1.2貧胺液MDEA濃度對(duì)脫后低分氣、干氣H2S含量的影響

固定貧胺液進(jìn)料量為38 t/h，貧胺液中H2S質(zhì)量濃度為1.6 g/L，改變貧胺液中MDEA濃度，考察MDEA濃度對(duì)脫后低分氣H2S含量的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，隨著貧胺液中MDEA濃度的降低，脫后低分氣中H2S含量升高，當(dāng)貧胺液中MDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于33%時(shí)，脫后低分氣H2S質(zhì)量濃度大于40 mg/m3。因此，為確保低分氣質(zhì)量合格，貧胺液中MDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不小于33%。

圖4 貧胺液MDEA濃度對(duì)脫后低分氣H2S含量的影響

固定貧胺液進(jìn)料量為17 t/h，貧胺液中H2S質(zhì)量濃度為1.6 g/L，改變貧胺液中MDEA濃度，考察MDEA濃度對(duì)脫后干氣H2S含量的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，隨著貧胺液中MDEA濃度的降低，脫后干氣中H2S含量升高，當(dāng)貧胺液中MDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于28%時(shí)，脫后干氣H2S質(zhì)量濃度大于100 mg/m3，因此，為確保干氣質(zhì)量合格，貧胺液中MDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不小于28%。

圖5 貧胺液MDEA濃度對(duì)脫后干氣H2S含量的影響

4.1.3貧胺液進(jìn)塔溫度對(duì)脫后低分氣、干氣H2S含量的影響

原料低分氣和干氣帶到吸收塔內(nèi)的烴類在遇冷的情況下會(huì)發(fā)生凝聚，從而造成溶劑發(fā)泡，進(jìn)一步影響吸收效果，所以進(jìn)吸收塔的貧胺液溫度必須控制在至少比原料氣進(jìn)塔溫度高5～6 ℃的水平，C601/C602貧胺液的溫度通過調(diào)節(jié)E602/E603的循環(huán)上水控制閥的開度來控制。

因此，固定氣相進(jìn)料溫度為30 ℃，按照貧胺液進(jìn)塔溫度比氣相進(jìn)塔溫度高5～6 ℃的原則，在35～50 ℃范圍內(nèi)，考察了貧胺液進(jìn)塔溫度對(duì)脫后低分氣、干氣H2S含量的影響，同時(shí)考察了吸收塔塔頂、塔釜溫度的變化，結(jié)果見表7、表8。

表7 貧胺液進(jìn)C601溫度對(duì)參數(shù)的影響

表8 貧胺液進(jìn)C602溫度對(duì)參數(shù)的影響

由表7可見，貧胺液進(jìn)C601溫度為35 ℃時(shí)，脫后低分氣中H2S的質(zhì)量濃度為30.9 mg/m3，隨著貧胺液溫度的升高，低分氣中H2S的含量升高，當(dāng)貧胺液溫度為48 ℃時(shí)，低分氣中H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.2 mg/m3。因此為確保脫后低分氣質(zhì)量合格，貧胺液進(jìn)C601溫度應(yīng)低于48 ℃。

由表8可見，貧胺液進(jìn)C602溫度為35 ℃時(shí)，脫后干氣中H2S的質(zhì)量濃度為47.1 mg/m3，隨著貧胺液溫度的升高，干氣中H2S的含量升高，但在溫度分析范圍內(nèi)皆滿足脫后干氣中H2S的質(zhì)量濃度小于100 mg/m3的要求。

另外，隨著貧胺液進(jìn)塔溫度的升高，C601、C602的塔頂和塔釜溫度皆呈增加的趨勢(shì)。

4.1.4貧胺液進(jìn)料量對(duì)脫后低分氣、干氣H2S含量的影響

固定貧胺液中H2S的質(zhì)量濃度為1.6 g/L，考察C601貧胺液進(jìn)料量在21～45 t/h范圍內(nèi)對(duì)脫后低分氣中H2S含量的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可見，隨著貧胺液進(jìn)料量的降低，脫后低分氣中H2S含量逐漸增加，當(dāng)貧胺液進(jìn)料量降至21 500 kg/h時(shí)，脫后低分氣中H2S質(zhì)量濃度為40.1 mg/m3，因此為保證脫后低分氣質(zhì)量合格，C601貧胺液進(jìn)料量應(yīng)大于21 500 kg/h。

圖6 C601貧胺液進(jìn)料量對(duì)脫后低分氣中H2S含量的影響

固定貧胺液中H2S的質(zhì)量濃度為1.6 g/L，考察C602貧胺液進(jìn)料量在13.5～27.0 t/h范圍內(nèi)對(duì)脫后干氣中H2S質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7可見，同樣隨著貧胺液進(jìn)料量的降低，脫后干氣中H2S含量也呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。在貧胺液進(jìn)料量13.5～27.0 t/h范圍內(nèi)，脫后干氣中H2S質(zhì)量濃度皆小于100 mg/m3，即質(zhì)量合格。據(jù)此結(jié)果，操作過程中可以考慮適當(dāng)降低C602貧胺液進(jìn)料量。

4.2 C604的模型分析

再沸器蒸汽負(fù)荷對(duì)C604是非常重要的調(diào)節(jié)參數(shù)，再生塔塔底熱量主要是由塔底再沸器(E606)提供，其次來自進(jìn)料。調(diào)整E606蒸汽量是維持塔內(nèi)正常溫度的主要手段。較高的操作溫度對(duì)提高溶劑的再生效果有利，按設(shè)計(jì)要求E606的蒸汽量要確保再生后貧液中的H2S質(zhì)量濃度低于2 g/L，相應(yīng)地，在一定貧液量條件下，也可保證吸收塔塔頂凈化氣H2S質(zhì)量濃度不超過100 mg/m3。如果E606提供的蒸汽不足，再生溫度達(dá)不到要求，會(huì)使貧液內(nèi)H2S含量升高，最終導(dǎo)致凈化氣不合格。

為此考察了再沸器蒸汽負(fù)荷變化對(duì)C604運(yùn)行參數(shù)的影響，結(jié)果見表9。由表9可見，隨著再沸器蒸汽負(fù)荷提高，貧胺液中H2S的含量逐漸減小，當(dāng)再沸器負(fù)荷為11.9 MW時(shí)，貧胺液中H2S的質(zhì)量濃度為1.98 g/L，滿足質(zhì)量控制要求，故C604塔底再沸器蒸汽負(fù)荷應(yīng)不低于11.9 MW，此時(shí)塔釜、塔頂溫度分別為123.7 ℃與103.6 ℃，塔頂回流量為6 851 kg/h，塔頂去硫磺回收裝置的氣相流量為6 745.4 kg/h。

表9 再沸器蒸汽負(fù)荷變化對(duì)C604參數(shù)的影響

5 優(yōu)化效果

5.1 C604再沸器蒸汽負(fù)荷

C604塔底有兩組再沸器，共用0.3 MPa蒸汽21 t/h，蒸汽溫度145 ℃。C604塔底蒸汽流量與對(duì)應(yīng)產(chǎn)生熱負(fù)荷關(guān)系如表10所示。

由表10可見，當(dāng)C604塔底蒸汽流量為20 t/h時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生熱負(fù)荷11.9 MW。因此，C604塔底蒸汽流量可由21 t/h降至20 t/h，每小時(shí)可節(jié)約0.3 MPa蒸汽1 t左右。

表10 C604塔底蒸汽流量與對(duì)應(yīng)產(chǎn)生熱負(fù)荷關(guān)系

5.2 貧胺液進(jìn)C601、C602流量

當(dāng)C601貧胺液進(jìn)料量高于21.5 t/h時(shí)，脫后低分氣中H2S質(zhì)量濃度低于40.1 mg/m3，脫后低分氣質(zhì)量合格。目前，C601貧胺液實(shí)際進(jìn)料量為38 t/h，通過詳細(xì)的模擬計(jì)算建議進(jìn)料量降至24 t/h。

C602貧胺液進(jìn)料量在13.5～27.0 t/h范圍內(nèi)，隨著貧胺液進(jìn)料量的減少，脫后干氣中H2S含量的呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在此分析范圍內(nèi)，脫后干氣中H2S質(zhì)量濃度皆小于100 mg/m3，即質(zhì)量合格。目前，C602貧胺液實(shí)際進(jìn)料量為17 t/h，通過模擬計(jì)算建議進(jìn)料量降至13.5 t/h。

C601和C602貧胺液進(jìn)料量降低到最佳值后，C604再沸器熱負(fù)荷降低約6%，相應(yīng)的蒸汽消耗量降低1.2 t/h。

6 結(jié) 論

(1)采用Aspen軟件完成了某煉油廠加氫裂化尾氣脫硫與溶劑再生裝置的建模優(yōu)化。以此為基礎(chǔ)分別提出了針對(duì)每套裝置具體的操作優(yōu)化建議，具有較好的節(jié)能優(yōu)化效果。

(2)對(duì)加氫裂化尾氣脫硫與溶劑再生裝置的優(yōu)化分析表明：滿足凈化氣H2S含量控制指標(biāo)前提下，吸收塔C601貧胺液進(jìn)料量由38 t/h降至24 t/h，吸收塔C602貧胺液進(jìn)料量由17 t/h降至13.5 t/h，再生塔C604再沸器熱負(fù)荷降低6%，節(jié)約低壓蒸汽1.2 t/h；再生塔塔釜再沸器蒸汽流量由21 t/h降至20 t/h，可節(jié)約低壓蒸汽約1 t/h。