基于Aspen Plus的柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化

隗小山，余柳麗，趙 克，彭貴斌，吳 飛，羅 言，賈金鋒

(湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414000)

在當(dāng)前碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，我國(guó)成品油市場(chǎng)的改革也在不斷深入。為了減少碳排放，需要對(duì)一些劣質(zhì)原料油進(jìn)行清潔處理，常用的途徑是進(jìn)行柴油加氫處理[1]。柴油加氫裝置主要用于直餾柴油、焦化汽油、焦化柴油等混合油原料的加氫，以生產(chǎn)得到精制柴油和石腦油[2]。該裝置由反應(yīng)、分餾、氣體脫硫及公用工程設(shè)施等組成，其中分餾系統(tǒng)對(duì)柴油加氫裝置的產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何實(shí)現(xiàn)裝置的低能耗、高產(chǎn)出，成為極具研究性的課題[3-4]。本文利用Aspen Plus軟件，對(duì)柴油加氫裝置的分餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并研究了汽提蒸汽量、分餾塔進(jìn)料溫度、回流比等控制參數(shù)的變化，對(duì)分餾系統(tǒng)的油品產(chǎn)量、質(zhì)量及能耗等方面的影響。

1 柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)的過(guò)程模擬

1.1 分餾系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介與模型建立

采用某煉化公司2.40Mt·a-1柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)的工藝原則流程圖，進(jìn)行簡(jiǎn)化的Aspen Plus模擬[5]，模擬流程見(jiàn)圖1。該工藝采用雙塔汽提流程，包含脫H2S汽提塔（利用水蒸汽汽提）和產(chǎn)品分餾塔（利用塔底重沸爐供熱）。自柴油加氫反應(yīng)部分來(lái)的冷熱低分油與渣油加氫裝置來(lái)的不穩(wěn)定石腦油混合后，進(jìn)入脫H2S汽提塔（T-201）塔頂，汽提蒸汽從塔底進(jìn)入。T-201塔頂?shù)挠蜌饨?jīng)換熱冷卻后，進(jìn)入塔頂回流罐（V-201），進(jìn)行油、氣、水三相分離。其中油相作為塔頂回流液，氣相至干氣脫硫塔，液相為含硫污水出裝置。T-201的塔底油經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入產(chǎn)品分餾塔（T-202）。T-202的塔頂油氣經(jīng)換熱冷卻后，進(jìn)入產(chǎn)品分餾塔塔頂?shù)幕亓鞴蓿╒-202）進(jìn)行油氣水分離。其中油相為石腦油，一部分作為塔頂回流液，另外一部分作為產(chǎn)品出裝置；氣相為燃料氣至火炬，液相為含油污水至注水罐。T-202塔底油的一部分經(jīng)重沸爐（F-201）加熱后返回產(chǎn)品分餾塔（T-202），另一部分經(jīng)換熱后作為精制柴油產(chǎn)品出裝置。

圖1 分餾系統(tǒng)Aspen Plus工藝流程模擬圖Fig. 1 Aspen Plus process flow simulation diagram of fractionation system

基于裝置現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的物料數(shù)據(jù)和相關(guān)操作參數(shù)，使用Aspen Plus軟件，對(duì)柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)進(jìn)行了主工藝流程模型的建立和模擬數(shù)據(jù)的輸入，其中物性方法選擇了適用于石油煉制體系的PENG-ROB方法，模型中的脫H2S汽提塔（T-201）和產(chǎn)品分餾塔（T-202），采用了塔的嚴(yán)格計(jì)算模塊Rad Frac，換熱器采用Heater和Heat X兩種模塊，回流罐采用閃蒸Flash 3模塊。

1.2 模型的可行性驗(yàn)證

對(duì)上述建立的柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)流程進(jìn)行模擬運(yùn)行處理，模擬結(jié)果為收斂，可得到分餾系統(tǒng)相關(guān)的物料平衡、熱量平衡及相平衡數(shù)據(jù)等。將模擬結(jié)果與某煉化公司的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)際數(shù)據(jù)、模擬參數(shù)及誤差值見(jiàn)表1。由表1可知，模擬前后，各模塊的溫度、流量、壓力及油品產(chǎn)量值基本相符，表明本模型的準(zhǔn)確性較高，能夠再現(xiàn)裝置的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可行性，分別對(duì)模擬前后產(chǎn)品精制柴油和石腦油的TBP曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，模擬得到的精制柴油與石腦油的初餾點(diǎn)、終餾點(diǎn)及各餾程所對(duì)應(yīng)的溫度，基本與實(shí)際數(shù)值相符，再次證明該模型可較準(zhǔn)確地反映實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程。

表1 分餾系統(tǒng)模擬前后操作參數(shù)的對(duì)比表Table 1 Comparison of operating parameters before and after fractionation system simulation

圖2 產(chǎn)品精制柴油和石腦油的餾程實(shí)際值與模擬值的對(duì)比(a) refined diesel oil; (b) product naphthaFig. 2 Comparison of actual and simulated distillation range value

2 模型分析與優(yōu)化

在上述建立的模型上，通過(guò)調(diào)節(jié)汽提蒸汽量、分餾塔進(jìn)料溫度和分餾塔回流比等控制參數(shù)，優(yōu)化汽提塔和分餾塔的操作工藝。分別研究了汽提蒸汽量對(duì)汽提塔塔頂蒸汽和塔底油中H2S含量的影響，分餾塔的進(jìn)料溫度對(duì)塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷以及產(chǎn)品精制柴油和石腦油產(chǎn)量的影響，分餾塔塔頂?shù)幕亓鞅葘?duì)精制柴油產(chǎn)量、石腦油產(chǎn)量、柴油閃點(diǎn)、石腦油干點(diǎn)及石腦油/柴油重疊度的影響。

2.1 汽提蒸汽量的影響

脫H2S汽提塔以1.0MPa的水蒸汽作為汽提蒸汽，水蒸汽的用量會(huì)影響脫H2S汽提塔（T-201）分離H2S的效果，進(jìn)而影響塔底油的質(zhì)量[6]。本文分析了T-201塔底汽提蒸汽的輸入量，對(duì)T-201塔頂蒸汽和塔底油中H2S含量的影響，利用Aspen Plus軟件，模擬250～5500 kg·h-1不同的汽提蒸汽量對(duì)分離H2S的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 汽提蒸汽量對(duì)T-201分離H2S效果的影響Fig. 3 Effect of stripping steam volume on H2S separation effect of T-201

由圖3可知，隨著T-201塔底汽提蒸汽的輸入量增大，T-201塔頂蒸汽中的H2S含量增加，塔底油中H2S的含量減小，說(shuō)明隨著蒸汽量增大，汽提塔脫出H2S的效果越好，生產(chǎn)的油品的含硫量越低。從圖中2條曲線(xiàn)的趨勢(shì)可以看出，汽提蒸汽量小于2000kg·h-1時(shí)，塔頂蒸汽中H2S含量的增加速度較快，塔底油中H2S含量減小的速度較快；汽提蒸汽量大于2000 kg·h-1后，蒸汽中H2S的增加量趨于平緩，塔底油中H2S的含量趨于平緩。綜合分析可知，將汽提蒸汽量從2490kg·h-1調(diào)整到2000kg·h-1，塔底油中H2S的含量從0.158mg·h-1增加至0.289mg·h-1，硫化氫含量的增加幅度較小，而蒸汽用量減少了490kg·h-1。

2.2 分餾塔進(jìn)料溫度的影響

按照單一變量原則，保持產(chǎn)品分餾塔（T-202）的塔頂溫度和回流量不變，改變T-202的進(jìn)料溫度，分析T-202的進(jìn)料溫度對(duì)塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷及產(chǎn)品精制柴油和石腦油產(chǎn)量的影響，結(jié)果見(jiàn)表2和圖4。

表2 T-202進(jìn)料溫度對(duì)塔負(fù)荷的影響Table 2 Effect of T-202 feed temperature on tower load

由表2可知，當(dāng)T-202的進(jìn)料溫度從220℃上升到250℃，分餾塔冷凝器的熱負(fù)荷從2.93MW增加到3.27MW，再沸器的熱負(fù)荷從25.25MW下降到17.01MW。隨著分餾塔的進(jìn)料溫度升高，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷會(huì)有少量增加，而塔底再沸器的熱負(fù)荷減少量則相對(duì)較大，總體而言，分餾塔的熱負(fù)荷在下降。進(jìn)料溫度每升高5℃，塔內(nèi)負(fù)荷會(huì)減少1.256MW，因此，T-202的進(jìn)料溫度可適當(dāng)升高，以減少重沸爐的燃料氣使用量，從而節(jié)省燃料，降低生產(chǎn)成本。由圖4可知，隨著T-202的進(jìn)料溫度增加，產(chǎn)品精制柴油的產(chǎn)量從168.23t·h-1下降到167.48t·h-1，產(chǎn)品石腦油的產(chǎn)量則從12.99t·h-1上升到13.45t·h-1。

圖4 T-202進(jìn)料溫度對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effect of T-202 feed temperature on product output

綜上所述，T-202進(jìn)料溫度的升高，不僅會(huì)使分餾塔的總體熱負(fù)荷下降，還會(huì)導(dǎo)致精制柴油的產(chǎn)量下降，石腦油的產(chǎn)量增加。表2和圖4的結(jié)果表明，適當(dāng)升高分餾塔的進(jìn)料溫度，可以減小塔負(fù)荷，但溫度過(guò)高會(huì)降低精制柴油的產(chǎn)量。將柴油產(chǎn)量與石腦油產(chǎn)量的曲線(xiàn)交點(diǎn)240℃作為進(jìn)料溫度，比優(yōu)化前的進(jìn)料溫度235℃提高了5℃，分餾塔的熱負(fù)荷減小了1.256MW，精制柴油的產(chǎn)量減少了0.12t·h-1，石腦油的產(chǎn)量增加了0.07t·h-1，可見(jiàn)進(jìn)料溫度取240℃，能耗減少的同時(shí)，精制柴油產(chǎn)量的減小量也較小。但精制柴油和石腦油的價(jià)格會(huì)隨市場(chǎng)的需求發(fā)生變化，考慮節(jié)能的同時(shí)，也要考慮油品的性?xún)r(jià)比，可適當(dāng)調(diào)整油品的產(chǎn)出比，以增加產(chǎn)品收益[7]。

2.3 分餾塔回流比的影響

在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)分餾塔塔頂?shù)幕亓鞅?，以?xún)?yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品分餾塔（T-202）塔頂?shù)幕亓鞅葘?duì)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的影響，主要是影響精制柴油產(chǎn)量、石腦油產(chǎn)量、柴油閃點(diǎn)、石腦油干點(diǎn)及石腦油/柴油的重疊度（石腦油終餾點(diǎn)與精制柴油初餾點(diǎn)的差值）等參數(shù)[8]，結(jié)果見(jiàn)表3、圖5和圖6。

由表3、圖5和圖6可知，隨著T-202塔頂?shù)幕亓鞅仍龃?，精制柴油的產(chǎn)量升高，石腦油的產(chǎn)量下降，柴油的閃點(diǎn)下降，石腦油的干點(diǎn)及石腦油/柴油的重疊度增大，可見(jiàn)增大回流比，有利于柴油產(chǎn)量的增加和產(chǎn)品分離精度的提高。從圖6可知，回流比為0.91時(shí)，各曲線(xiàn)的變化幅度減小，繼續(xù)增加回流比，意義不大。優(yōu)化前，塔頂?shù)幕亓鞅葹?.86，回流比增加至0.91時(shí)，精制柴油的產(chǎn)量增加了1.67t·h-1，柴油閃點(diǎn)減小了0.8℃，石腦油/柴油的重疊度增加了0.56℃。

表3 T-202回流比對(duì)油品產(chǎn)量和質(zhì)量的影響Table 3 Effect of T-202 reflux ratio on oil production and quality

圖5 回流比對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響Fig. 5 Effect of reflux ratio on product output

圖6 回流比對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響Fig. 6 Effect of reflux ratio on product output

2.4 優(yōu)化結(jié)果

1）隨著汽提蒸汽量增大，汽提塔脫出H2S的效果越好，生產(chǎn)油品的含硫量越低，汽提蒸汽量大于2000kg·h-1后，塔底油中H2S的含量趨于平緩。優(yōu)化前的汽提蒸汽量為2490kg·h-1，優(yōu)化后為2000kg·h-1，蒸汽量減少了490kg·h-1，全年按8400h計(jì)算，可節(jié)省蒸汽4116t，全年可節(jié)約生產(chǎn)成本約57萬(wàn)元人民幣（按蒸汽價(jià)格138元·t-1）。

2）分餾塔的進(jìn)料溫度升高，分餾塔的熱負(fù)荷下降，精制柴油的產(chǎn)量下降，石腦油的產(chǎn)量增加。選取進(jìn)料溫度為240℃進(jìn)行優(yōu)化，模擬結(jié)果表明，分餾塔熱負(fù)荷減小了1.256MW，精制柴油的產(chǎn)量減少了0.12t·h-1，石腦油產(chǎn)量增加了0.07t·h-1?？筛鶕?jù)市場(chǎng)需求并考慮節(jié)能要求，適當(dāng)調(diào)整油品的產(chǎn)出比，以實(shí)現(xiàn)收益最大化。

3）分餾塔塔頂?shù)幕亓鞅仍龃?，有利于柴油產(chǎn)量的增加和產(chǎn)品分離精度的提高。當(dāng)回流比增加至0.91，精制柴油的產(chǎn)量增加了1.67t·h-1，柴油閃點(diǎn)減小了0.8℃，石腦油/柴油的重疊度增加了0.56℃。

3 結(jié)論

使用Aspen Plus軟件，對(duì)某煉化公司2.40Mt·a-1柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)進(jìn)行了流程模擬，結(jié)果表明，模擬前后的各參數(shù)值基本相符，能夠再現(xiàn)裝置的實(shí)際生產(chǎn)狀況。對(duì)汽提塔和分餾塔工藝進(jìn)行了優(yōu)化，汽提塔優(yōu)化后，全年可節(jié)省蒸汽4116t，可節(jié)約生產(chǎn)成本約57萬(wàn)元人民幣。分餾塔優(yōu)化后，塔的熱負(fù)荷減小了1.256MW，精制柴油的產(chǎn)量增加了1.67t·h-1，柴油閃點(diǎn)減小了0.8℃，石腦油/柴油的重疊度增加了0.56℃。結(jié)果表明，可以根據(jù)市場(chǎng)及節(jié)能需求，調(diào)節(jié)分餾塔的進(jìn)料溫度和回流比，從而適當(dāng)調(diào)整油品的產(chǎn)出比，以實(shí)現(xiàn)收益的最大化。