基于ASPEN軟件的戊烷發(fā)泡劑生產(chǎn)實(shí)踐及增產(chǎn)措施

穆海濤，劉春柳

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266071)

發(fā)泡劑是常用的建筑材料,有橡膠發(fā)泡劑、玻璃發(fā)泡劑、混凝土發(fā)泡劑及聚氨酯發(fā)泡劑等多種產(chǎn)品,其主要作用是對(duì)使用對(duì)象物質(zhì)進(jìn)行成孔分解,經(jīng)過發(fā)泡固化后起到黏接、密封及防漏的目的[1]。戊烷發(fā)泡劑作為硬質(zhì)聚氨酯泡沫的新型環(huán)保發(fā)泡劑,用于替代對(duì)大氣臭氧層有破壞作用的氯氟烴(CFCS),具有生產(chǎn)工藝先進(jìn)、產(chǎn)品指標(biāo)穩(wěn)定等特點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于無氟冰箱、冰柜生產(chǎn)行業(yè)以及冷庫、管線保溫等領(lǐng)域[2]。

在煉化企業(yè)中,戊烷發(fā)泡劑由利用價(jià)值較低的輕石腦油組分進(jìn)行生產(chǎn),以提高煉油廠輕石腦油組分的經(jīng)濟(jì)效益。重整預(yù)加氫裝置拔出的輕石腦油中C5餾分含量較高且雜質(zhì)含量較低,是生產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑的優(yōu)質(zhì)原料[3],典型的預(yù)加氫裝置戊烷發(fā)泡劑生產(chǎn)流程如圖1所示。來自常減壓蒸餾裝置的石腦油先經(jīng)過預(yù)加氫反應(yīng)系統(tǒng)[4],脫除原料中的硫、氮、氧、重金屬等雜質(zhì),然后經(jīng)過汽提塔脫除含硫輕烴以及酸性水,最后進(jìn)入分餾塔及脫戊烷塔分離戊烷組分,在脫戊烷塔塔頂?shù)玫轿焱榘l(fā)泡劑產(chǎn)品。

圖1 重整預(yù)加氫裝置戊烷發(fā)泡劑生產(chǎn)流程

2021年10月起戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品執(zhí)行GB/T 22053—2020標(biāo)準(zhǔn),與老標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22053—2008相比,新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)戊烷發(fā)泡劑的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格,要求產(chǎn)品純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下限由98%升至99%,異戊烷、正戊烷組分含量范圍(二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值)由±5%降至±2%,C4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限由1%降至0.5%,C5質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限由1%降至0.5%,硫含量上限由質(zhì)量濃度10 μg/mL降至質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 μg/g。因此,發(fā)泡劑生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化以生產(chǎn)合格產(chǎn)品。

本課題基于ASPEN PLUS軟件對(duì)戊烷發(fā)泡劑生產(chǎn)制定調(diào)整方案,并對(duì)產(chǎn)品異常情況進(jìn)行分析及控制。為進(jìn)一步提高輕石腦油產(chǎn)品附加值,通過采取各類優(yōu)化調(diào)整措施,最大程度提高戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)量,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 戊烷發(fā)泡劑生產(chǎn)方案研究

1.1 模型構(gòu)建及測(cè)算分析

利用ASPEN PLUS軟件[5-6]對(duì)預(yù)加氫裝置分餾系統(tǒng)建立測(cè)算模型,如圖2所示。物性計(jì)算方法選擇適用于烴類體系的BK10法,模型測(cè)算數(shù)據(jù)與實(shí)際情況一致,模型結(jié)果可信,二者對(duì)比情況見表1。

表1 脫戊烷塔的測(cè)算值與實(shí)際值對(duì)比

圖2 預(yù)加氫裝置分餾系統(tǒng)測(cè)算模型

戊烷發(fā)泡劑中水含量、硫含量及C4組分含量等指標(biāo)主要通過汽提塔調(diào)節(jié),異戊烷及正戊烷比例通過脫戊烷塔工藝調(diào)整實(shí)現(xiàn),由于異戊烷及正戊烷沸點(diǎn)相近,將組分含量范圍調(diào)節(jié)至±2%以內(nèi)較為困難。利用ASPEN PLUS軟件對(duì)脫戊烷塔的不同工況進(jìn)行分析,根據(jù)測(cè)算結(jié)果制定合理的工藝控制措施,保證發(fā)泡劑組成等質(zhì)量指標(biāo)滿足GB/T 22053—2020要求。

(1)脫戊烷塔進(jìn)料組成不同,塔頂組成相同。在保證塔頂產(chǎn)品異戊烷/正戊烷質(zhì)量比為4∶6的條件下,保持塔頂壓力不變,當(dāng)脫戊烷塔進(jìn)料C5質(zhì)量分?jǐn)?shù)由60%上升至68%時(shí),塔頂靈敏板溫度前后相差0.05 ℃左右;塔底溫度由107.8 ℃上升至111.3 ℃,塔底溫度提高4 ℃左右。測(cè)算結(jié)果表明,當(dāng)脫戊烷塔進(jìn)料組成不同時(shí),在保證塔頂異戊烷及正戊烷比例相同的條件下,塔頂靈敏板溫度基本無變化。

(2)脫戊烷塔進(jìn)料組成相同,塔頂溫度不同。當(dāng)脫戊烷塔進(jìn)料C5質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在68%時(shí),改變塔頂溫度,分析塔頂組成變化。當(dāng)塔頂溫度變化0.1 ℃時(shí),塔頂異戊烷比例變化約0.8%,當(dāng)塔頂異戊烷組分含量范圍變化2%時(shí),塔頂溫度變化約0.3 ℃。測(cè)算結(jié)果表明,發(fā)泡劑組成與塔頂靈敏板溫度密切相關(guān)。

綜上所述,保證塔頂發(fā)泡劑中異戊烷、正戊烷組分范圍在±2%時(shí),其塔頂溫度變化需控制在±0.3 ℃。

1.2 生產(chǎn)方案制定

對(duì)直餾輕石腦油異戊烷及正戊烷資源進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)F6牌號(hào)(異戊烷/正戊烷質(zhì)量比為4∶6)的發(fā)泡劑產(chǎn)量最大,經(jīng)濟(jì)效益最好,根據(jù)模型測(cè)算結(jié)果及脫戊烷塔工藝流程制定以下產(chǎn)品生產(chǎn)方案,脫戊烷塔工藝流程見圖3。

圖3 預(yù)加氫系統(tǒng)脫戊烷塔工藝流程示意

(1)脫戊烷塔塔頂控制壓力由0.270 MPa降低至0.265 MPa,提高塔頂產(chǎn)品正戊烷含量,及時(shí)調(diào)整塔頂空氣冷卻器A-104冷后溫度,保證塔頂壓力穩(wěn)定;適當(dāng)調(diào)整汽提塔及分餾塔操作,保證脫戊烷塔進(jìn)料量相對(duì)穩(wěn)定。

(2)將塔頂靈敏板溫度TIC-11303控制在(77.0±0.3)℃,塔頂回流量FV-11402優(yōu)先利用APC控制,在脫戊烷塔進(jìn)料量變化不大的前提下,根據(jù)進(jìn)料量及塔頂靈敏板溫度對(duì)塔底蒸汽量進(jìn)行微調(diào),FIC-11303調(diào)整幅度為0.1 t/h。

(3)在調(diào)整階段增加塔頂發(fā)泡劑采樣頻次,一般每隔3 h采樣1次。根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整靈敏板溫度TIC-11303,調(diào)整幅度為0.1 ℃,優(yōu)先利用回流量進(jìn)行調(diào)整。在生產(chǎn)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí),塔頂回流量可能會(huì)低于最小值,不能滿足分離精度要求,因此需適當(dāng)調(diào)整塔底0.45 MPa蒸汽量,但幅度不應(yīng)過大,避免影響塔的正常操作。

1.3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析

通過以上調(diào)整措施,生產(chǎn)的戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品符合GB/T 22053—2020標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求,產(chǎn)量維持在10～12 t/h。對(duì)脫戊烷塔塔頂發(fā)泡劑產(chǎn)品比例指標(biāo)進(jìn)行分析,在7 d分析時(shí)間內(nèi),塔頂樣品組分范圍在±2%的樣品占總數(shù)72%,組分含量范圍在±3%的樣品占總數(shù)88%,詳見圖4。塔頂產(chǎn)品質(zhì)量控制相對(duì)穩(wěn)定,合格率較高。

圖4 脫戊烷塔塔頂出口不同組成范圍產(chǎn)品占比

由于塔頂沒有在線分析儀器對(duì)產(chǎn)品組成進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,因此需要對(duì)戊烷成品罐進(jìn)行半罐分析,以保證戊烷發(fā)泡劑成品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前,塔底蒸汽僅有自動(dòng)及手動(dòng)兩種控制方式,在后續(xù)的控制系統(tǒng)優(yōu)化中可以增加塔底蒸汽FIC-11303到靈敏板溫度TIC-11303的APC控制,使靈敏板溫度控制更加精準(zhǔn)。

對(duì)戊烷發(fā)泡劑成品罐的異戊烷、正戊烷組分含量進(jìn)行分析,結(jié)果見圖5。其中,正戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.02%～61.40%,異戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.36%～41.65%,戊烷發(fā)泡劑組分含量范圍均在±2%內(nèi),其余產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)也均符合出廠產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖5 戊烷發(fā)泡劑成品罐組成變化

1.4 異常質(zhì)量調(diào)整

在戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品調(diào)整過程中,C4組分含量、異戊烷及正戊烷比例不合格現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,影響產(chǎn)品正常出廠銷售。

在常減壓蒸餾裝置加工不同原油時(shí),輕質(zhì)原油中的輕石腦油及輕烴組分含量較高,在加工沙特輕質(zhì)原油等時(shí),戊烷發(fā)泡劑中C4組分含量容易超過指標(biāo)控制,對(duì)此利用模型對(duì)汽提塔操作進(jìn)行分析,通過優(yōu)化汽提塔工藝參數(shù)降低發(fā)泡劑中C4組分含量。當(dāng)汽提塔進(jìn)料中輕組分增多時(shí),不同進(jìn)料溫度影響汽提塔塔底C4組分含量,進(jìn)而影響戊烷發(fā)泡劑中C4組分含量。測(cè)算結(jié)果表明,汽提塔進(jìn)料中C4組分較多時(shí),適當(dāng)降低汽提塔進(jìn)料溫度可提高全塔分離精度。同時(shí)提高塔頂含硫輕烴外送量,將C4組分盡量從汽提塔頂部拔出,通過這兩種方式可以降低戊烷發(fā)泡劑中C4組分含量。

當(dāng)異戊烷與正戊烷比例不合格時(shí),對(duì)脫戊烷塔及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整,例如成品罐異戊烷比例不夠時(shí),通過降低靈敏板溫度提高塔頂產(chǎn)品異戊烷比例,保證成品罐組分比例合格。因此,在日常操作中需要加強(qiáng)對(duì)成品罐的監(jiān)控,避免質(zhì)量不合格影響產(chǎn)品正常銷售出廠。

2 發(fā)泡劑增產(chǎn)措施

目前戊烷發(fā)泡劑市場(chǎng)銷售情況良好,市場(chǎng)價(jià)格較高,為提高輕石腦油組分的經(jīng)濟(jì)效益,采取各類優(yōu)化措施提高戊烷發(fā)泡劑的產(chǎn)量,最大程度提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)重整后分餾脫丁烷塔塔底油改至預(yù)加氫系統(tǒng)。

重整裝置后分餾脫丁烷塔塔底油產(chǎn)量為4～6 t/h,塔底油中C5組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%,C5產(chǎn)量約4.5 t/h,可以作為生產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑的原料。因此,將后分餾脫丁烷塔塔底油改至預(yù)加氫系統(tǒng),最大程度回收發(fā)泡劑資源。

(2)提高預(yù)加氫系統(tǒng)進(jìn)料量。

在保證重整裝置進(jìn)料量不變的前提下,將干氣液化氣脫硫裝置的溶劑油改成預(yù)加氫精制油(5～8 t/h),重整裝置的加氫裂化重石腦油加工量由30 t/h降低至25 t/h,將預(yù)加氫進(jìn)料量由226 t/h提升至243 t/h,最大程度增產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑。通過采取以上措施,戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)量均值由12.4 t/h上升至16.3 t/h,發(fā)泡劑日產(chǎn)量由330 t增至400 t。

(3)優(yōu)化預(yù)加氫系統(tǒng)汽提塔操作。

預(yù)加氫系統(tǒng)汽提塔塔頂含硫輕烴中C5組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,C5資源約有8～10 t/h,通過優(yōu)化預(yù)加氫汽提塔操作最大程度回收這部分C5資源。根據(jù)ASPEN PLUS測(cè)算結(jié)果,通過適當(dāng)降低汽提塔進(jìn)料溫度、提高塔頂壓力等措施,將塔頂含硫輕烴外送量由22 t/h降低至17 t/h。

由于預(yù)加氫汽提塔分離精度有限,過多降低塔頂含硫輕烴外送量會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡劑中C4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%,導(dǎo)致發(fā)泡劑質(zhì)量不合格。因此,汽提塔塔頂含硫輕烴外送量可根據(jù)發(fā)泡劑質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過優(yōu)化預(yù)加氫汽提塔操作條件,戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)量由16.3 t/h上升至17.7 t/h,發(fā)泡劑日產(chǎn)量由400 t增至490 t。

(4)生產(chǎn)產(chǎn)品牌號(hào)分析。

戊烷發(fā)泡劑根據(jù)異戊烷與正戊烷比例分為F3至F8不同牌號(hào)產(chǎn)品,目前中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)F6牌號(hào)產(chǎn)品(異戊烷/正戊烷質(zhì)量比4∶6),對(duì)預(yù)加氫脫戊烷塔進(jìn)料組成(見表2)

表2 預(yù)加氫脫戊烷塔進(jìn)料組成分析結(jié)果

進(jìn)行分析,研究是否能生產(chǎn)F7牌號(hào)產(chǎn)品(異戊烷/正戊烷質(zhì)量比3∶7),最大程度增產(chǎn)發(fā)泡劑。

從表2可以看出,預(yù)加氫裝置脫戊烷塔進(jìn)料中異戊烷/正戊烷質(zhì)量比為3∶6。重整脫丁烷塔塔底油中異戊烷/正戊烷質(zhì)量比為3∶4,因此無法生產(chǎn)F7牌號(hào)產(chǎn)品,但可最大量生產(chǎn)F6牌號(hào)發(fā)泡劑產(chǎn)品。

(5) 加工原油C5資源分析。

對(duì)加工原油中石腦油C5資源進(jìn)行分析,生產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑較好的原料有沙輕、福蒂斯、巴士拉-輕、科威特等原油;而烏拉爾、沙重、布希奧斯、巴士拉-中等原油所產(chǎn)石腦油中C5資源相對(duì)較少,從增產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑角度可多加工沙輕、巴士拉-輕、科威特等原油。不同原油所產(chǎn)石腦油中C5含量對(duì)比如表3所示。

表3 不同種類原油所產(chǎn)石腦油中C5含量對(duì)比

通過優(yōu)化調(diào)整,戊烷發(fā)泡劑中C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.15%上升至0.38%(質(zhì)量指標(biāo)要求不大于0.5%),異戊烷+正戊烷的純度由99.6%下降至99.2%(質(zhì)量指標(biāo)要求不小于99%),質(zhì)量指標(biāo)已卡邊控制。

2022年2月下旬,戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)量均值為12.4 t/h,經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后,3月初產(chǎn)量均值提高至17.7 t/h,提高了5.3 t/h。戊烷發(fā)泡劑日產(chǎn)量由2月底的340 t上升至3月初的490 t,產(chǎn)量變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 預(yù)加氫汽提塔頂發(fā)泡劑產(chǎn)量趨勢(shì)

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)預(yù)加氫系統(tǒng)ASPEN PLUS測(cè)算結(jié)果,要保證脫戊烷塔塔頂發(fā)泡劑產(chǎn)品組成含量范圍在±2%,其塔頂溫度變化需控制在±0.3 ℃。塔頂回流控制器優(yōu)先利用APC控制,在生產(chǎn)大幅波動(dòng)時(shí)改為自動(dòng)或者手動(dòng)調(diào)節(jié),塔底蒸汽量根據(jù)進(jìn)料量及塔頂靈敏板溫度變化進(jìn)行微調(diào),調(diào)整幅度不應(yīng)過大。

(2)在戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品調(diào)整過程中應(yīng)及時(shí)調(diào)整C4組分含量、異戊烷及正戊烷比例,避免產(chǎn)品質(zhì)量不合格影響出廠。當(dāng)汽提塔進(jìn)料中輕組分增多時(shí),可通過適當(dāng)降低汽提塔進(jìn)料溫度來提高全塔分離精度,提高汽提塔塔頂含硫輕烴外送量,降低戊烷發(fā)泡劑中C4組分含量。當(dāng)異戊烷及正戊烷比例不合格時(shí),可通過降低靈敏板溫度改變塔頂產(chǎn)品異戊烷及正戊烷比例,保證成品罐組分比例合格。

(3)增產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑可以從提高預(yù)加氫進(jìn)料、優(yōu)化汽提塔操作、回?zé)捄蠓逐s脫丁烷塔塔底油、優(yōu)化生產(chǎn)產(chǎn)品牌號(hào)、優(yōu)選加工原油種類等方面入手,在質(zhì)量卡邊控制的前提下,最大程度生產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑,提升輕石腦油組分的利用價(jià)值,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。