順酐及其配套正丁烷裝置的熱聯(lián)合節(jié)能模擬優(yōu)化

劉萬廣 楊佩雯

1 眾一伍德工程有限公司（ 201100）

2 杭州星傳新材料科技有限公司（浙江杭州 310012）

我國是能源消耗大國，國家發(fā)改委于2007年4月25 日頒布《節(jié)能減排綜合性工作方案》，2007年11 月23 日新的節(jié)能政策被批準(zhǔn)，環(huán)保節(jié)能成為全國人民關(guān)注的焦點?；ぴ嘏c人們的衣食住行密不可分，并且化工生產(chǎn)裝置往往伴隨著較高的能耗。因此降低能耗不僅能夠加強企業(yè)的盈利能力，同時有助于推動我國經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展。精餾塔是化工生產(chǎn)過程中使用最為廣泛的分離單元，也是石油煉制中能耗較大的操作裝置之一。本研究針對某輕烴制丙烷項目分離單元單塔的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)。

1 項目概況

某新材料有限公司的新型化工高端材料項目為省重點項目，主要涵蓋25 萬t/a 輕烴制丙烷-異丁烷正構(gòu)裝置（以下簡稱輕烴制丙烷裝置）、13 萬t/a順酐裝置及其配套的罐區(qū)和公輔設(shè)施。輕烴制丙烷裝置產(chǎn)品為99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的正丁烷，產(chǎn)品正丁烷作為順酐裝置的氧化原料。25 萬t/a 輕烴制丙烷裝置包含輕烴制丙烷和異丁烷正構(gòu)兩個裝置。該聯(lián)合裝置中輕烴制丙烷裝置依托金澳科技（湖北）石化有限公司現(xiàn)有的重整裝置，以重整裝置副產(chǎn)重整石腦油、重整戊烷油、重整抽余油作為原料，采用洛陽市科創(chuàng)石化科技開發(fā)有限公司開發(fā)的輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷的催化劑，在非臨氫條件下將鏈烷烴轉(zhuǎn)化為丙烷/丁烷[7]，產(chǎn)品正丁烷供應(yīng)順酐裝置，作為其生產(chǎn)原料。

在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，輕烴制丙烷-異丁烷正構(gòu)裝置中C4產(chǎn)品分離塔的能耗占比非常高（約53%），同時C4產(chǎn)品分離塔中再沸器E-510 的正丁烷產(chǎn)品側(cè)線操作溫度較低，并且順酐裝置副產(chǎn)400 t/h 的85℃熱水。因此，在設(shè)計上考慮利用順酐裝置的產(chǎn)品冷卻器E-202 所副產(chǎn)的85 ℃熱水作為C4分離塔的加熱熱源。優(yōu)化兩個裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)，確定變更及新增設(shè)備的選型，以優(yōu)化設(shè)計的模擬計算結(jié)果驗證優(yōu)化方案的可行性與有效性。

2 熱聯(lián)合方案的確定

2.1 初步設(shè)計方案

該項目的輕烴制丙烷裝置包含反應(yīng)單元、吸收穩(wěn)定單元及液化石油氣（LPG）分離單元。其中反應(yīng)單元利用洛陽市科創(chuàng)石化科技開發(fā)有限公司的專利催化劑，加工C5/C6輕烴組分生產(chǎn)丙烷/丁烷。吸收穩(wěn)定單元與傳統(tǒng)催化裂化裝置吸收穩(wěn)定流程基本一致[1]，穩(wěn)定塔塔頂分離得到的LPG 送往LPG 分離單元進(jìn)行處理，穩(wěn)定塔塔底重組分經(jīng)脫輕分離后回收C5/C6去回?zé)?。LPG 分離單元的主要產(chǎn)品為異丁烷、正丁烷，副產(chǎn)丙烷可作為丙烷脫氫（PDH）裝置原料。

裝置LPG 分離單元的設(shè)計進(jìn)料來源為穩(wěn)定塔塔頂產(chǎn)品LPG。LPG 進(jìn)入脫丙烷塔后，首先經(jīng)脫丙烷塔塔頂分離出高純度（99%）丙烷，脫丙烷塔塔底混合C4及C4+物料經(jīng)深度預(yù)加氫脫硫精制處理后，再經(jīng)過脫氫塔去除氫氣，脫氫塔塔底混合C4與其他裝置副產(chǎn)C4烷烴一起進(jìn)入E-510 進(jìn)行C4烷烴組分的精餾操作分離。由于該設(shè)計C4產(chǎn)品分離塔需要兼容異丁烷正構(gòu)裝置的產(chǎn)品分離及烷基化裝置副產(chǎn)的烷基化正丁烷和異丁烷的分離，所以LPG 單元C4分離塔的進(jìn)料加工負(fù)荷比反應(yīng)單元大很多。

其主要流程如圖1 所示。

圖1 中能新材料輕烴制丙烷裝置工藝流程

在初步的設(shè)計方案中，為節(jié)省設(shè)備投資，經(jīng)綜合考慮，擬采用T-303 單塔設(shè)計，即使用單塔分離異丁烷、正丁烷及C4+烴3 種產(chǎn)品的工藝方案。T-303塔的設(shè)計參考煉化企業(yè)成熟的氣分裝置異丁烷塔的設(shè)計[4]。C4產(chǎn)品分離塔的設(shè)計采用120 層塔盤，單板效率按80%計[6]。塔頂產(chǎn)品為異丁烷，塔中側(cè)線（第95 層塔盤處）產(chǎn)品為正丁烷，塔底C4+重組分作為回?zé)捲稀?/p>

進(jìn)料組成中，C4+組分的占比非常低（約2%），且異丁烷與正丁烷飽和蒸汽壓非常接近、相對揮發(fā)度小，導(dǎo)致C4分離塔塔底汽化量和塔頂回流比（物質(zhì)的量回流比為8）都很大。綜合以上因素，預(yù)計塔底再沸器E-510 的能耗較高。在初步設(shè)計的模擬計算結(jié)束后，依據(jù)流程模擬的計算結(jié)果預(yù)測，E-510 的能耗占整個裝置能耗的53%。因此，T-303 塔的換熱方案優(yōu)化，降低其能耗對整個項目具有較大意義。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方案的確定

針對塔底再沸器E-510 的設(shè)計使用模擬軟件Aspen Plus 進(jìn)行模擬計算分析，主要操作參數(shù)設(shè)置如下：塔頂操作壓力設(shè)定為0.6 MPa，篩板塔盤單層壓降為800 Pa，塔物質(zhì)的量回流比設(shè)定為8，進(jìn)料量為28 000 kg/h。在該條件下，模擬計算得到塔頂冷凝露點溫度為45 ℃（以循環(huán)水設(shè)計參數(shù)反推確定的目標(biāo)露點溫度），塔中液相正丁烷產(chǎn)品采出溫度為62℃，塔底再沸器處C5組分采出溫度為121 ℃。具體模擬結(jié)果主要數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前單再沸器方案物流數(shù)據(jù)

由以上模擬結(jié)果可知：T-303 塔中側(cè)線正丁烷采出位置（第95 層塔盤）的操作溫度為62 ℃，該操作溫度對加熱介質(zhì)的溫度品位要求不高，可以利用普遍難以回收利用的低溫位的熱水、蒸汽凝結(jié)水或精餾塔頂蒸汽作為補充熱源。

5.2 加強植物檢疫，使用無病種苗：引進(jìn)種子和秧苗，要經(jīng)過檢疫檢驗，確保種苗不帶病菌。使用無病種苗或建立無病留種田，選用包衣種子，或用60℃溫水浸種15分鐘，或種子浸泡10～12小時后，再用1%硫酸銅溶液浸種5分鐘,水洗干凈，催芽播種。

項目順酐裝置的反應(yīng)溫度為450 ℃，其反應(yīng)過程的反應(yīng)熱用熔鹽移除，反應(yīng)產(chǎn)品氣降溫至130 ℃，然后用75 ℃熱水給反應(yīng)產(chǎn)品氣繼續(xù)降溫[2]。該股降溫?zé)崴陧橍b置內(nèi)經(jīng)過給反應(yīng)產(chǎn)品氣降溫后，其設(shè)計溫升為10 ℃，出順酐裝置時為85 ℃，熱水循環(huán)量為400 t/h。順酐裝置的原設(shè)計是用循環(huán)水將該股熱水從85 ℃降溫至75 ℃后循環(huán)使用。

綜合以上，考慮設(shè)計優(yōu)化方案：利用順酐裝置副產(chǎn)的85 ℃熱水作為T-303 的補充加熱熱源。這樣既可以降低順酐裝置的循環(huán)水用量，又可以降低輕烴制丙烷-異丁烷正構(gòu)聯(lián)合裝置的低壓蒸汽用量。在T-303 的側(cè)線液體產(chǎn)品正丁烷采出處（第95 層塔盤）[3]增加塔中再沸器E-510。E-510 的冷側(cè)入口正丁烷操作溫度為62 ℃，因該股物流組成純度很高，所以經(jīng)再沸器加熱汽化部分物料后（汽化分率設(shè)計值為0.2），其出口溫度基本不變。熱側(cè)熱水入口的操作溫度為85 ℃，出口溫度為75 ℃，再沸器的冷物流出口與加熱介質(zhì)出口溫差為13 ℃，可以滿足再沸器設(shè)計的工藝條件需求。依據(jù)以上操作條件，用Aspen EDR 計算選型，初步確定E-510 型號為BEM1000-1.6/1.6-370-6/19-1Ⅰ。

進(jìn)一步優(yōu)化：利用輕烴制丙烷裝置內(nèi)的穩(wěn)定塔塔底再沸器、脫重塔塔底再沸器的高品位蒸汽凝結(jié)水（約150℃）加熱順酐裝置送來的85 ℃熱水，新增蒸汽凝液/熱水換熱器E-511，來自順酐裝置的熱水經(jīng)E-511 加熱后溫度升高至86.7 ℃，然后作為E-510 的加熱熱源?？刂萍訜釤崴某隹跍囟葹?5℃，該股熱水出裝置后返回到順酐裝置繼續(xù)用于反應(yīng)氣降溫。

在以上優(yōu)化設(shè)計條件的基礎(chǔ)上，針對T-303 精餾塔的工藝流程重新進(jìn)行模擬計算。塔中第95 層塔盤處增加塔中再沸器E-510，塔底再沸器E-509 的熱消耗功率大幅度下降。塔頂、塔中產(chǎn)品流量及產(chǎn)品質(zhì)量保持不變，具體模擬結(jié)果主要數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后雙再沸器方案物流數(shù)據(jù)

綜合以上，順酐裝置E-202 與輕烴制丙烷裝置內(nèi)新增E-510 和E-511 的換熱流程如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)流程

由圖4 可以看出，順酐裝置的熱水及輕烴制丙烷裝置內(nèi)的高溫位蒸汽凝結(jié)水可以為E-510 提供5 797 kW 熱量。本裝置內(nèi)高溫位蒸汽凝結(jié)水部分余熱972 kW，順酐裝置產(chǎn)生的4 825 kW 降溫?fù)Q熱熱源被有效利用，節(jié)能優(yōu)化效果明顯。

3 設(shè)計優(yōu)化效果及效益分析

3.1 優(yōu)化效果

優(yōu)化后順酐裝置的E-202 與輕烴聯(lián)合裝置的E-509 能耗明顯下降，順酐裝置85 ℃熱水降溫需用的循環(huán)水用量由約400 t/h 降至0，E-509 塔底再沸器的低壓蒸汽用量由19.1 t/h 降至9.2 t/h。按GB/T 50441—2016《石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)》計算，聯(lián)合裝置的能耗降低了39.07 kg 標(biāo)準(zhǔn)油/t 產(chǎn)品。E-202 和E-509 的綜合能耗變化詳見表1。

表1 優(yōu)化前后能耗對比情況

該優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了聯(lián)合裝置內(nèi)分項裝置用冷與取熱的熱聯(lián)合，達(dá)到了兩個分項裝置內(nèi)的部分循環(huán)水與低壓蒸汽兩項公用工程消耗相抵消的效果，對于其他類似聯(lián)合裝置可以起到指導(dǎo)示范作用。在此類大中型項目的總體規(guī)劃設(shè)計階段，工廠專業(yè)可以依據(jù)工藝專業(yè)提供的公用工程規(guī)格及界區(qū)調(diào)節(jié)綜合考慮換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

優(yōu)化后，新增了E-510，E-511 兩臺換熱器及部分管道、儀表等。采用HTRI 軟件對設(shè)計優(yōu)化涉及的換熱器進(jìn)行選型計算，得到E-509 優(yōu)化設(shè)計后換熱面積降低56%。新增換熱器及E-509 在優(yōu)化前后的換熱器設(shè)計選型詳見表2。

表2 優(yōu)化前后換熱器選型

針對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行簡單的經(jīng)濟(jì)效益估算，設(shè)備價格按2 萬元/t 計，蒸汽單價按有自備電廠利用余熱蒸汽考慮（外購蒸汽價格按供應(yīng)商報價計，一般更高），結(jié)果如表3 所示。

表3 經(jīng)濟(jì)效益核算結(jié)果

該項目優(yōu)化設(shè)計后，可節(jié)省蒸汽費用275.80 萬元/a，節(jié)省循環(huán)水費用95.90 萬元/a，合計每年節(jié)省運行費用371.70 萬元。對比設(shè)計優(yōu)化后新增的建設(shè)投資費用，運行1 個月節(jié)省的公用工程費用就可以將優(yōu)化設(shè)計的建設(shè)投資費用收回。可見，該優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益顯著，可操作性很強。

4 結(jié)論

（1）利用順酐裝置冷卻器E-202 副產(chǎn)的低溫位熱水給輕烴制丙烷裝置的C4分離塔中再沸器E-510 提供熱源，有效降低了E-509 的低壓蒸汽耗用量和順酐裝置的循環(huán)水用量。

（2）輕烴制丙烷裝置內(nèi)高溫位蒸汽凝結(jié)水直接用于加熱順酐裝置送來的熱水，實現(xiàn)了裝置內(nèi)蒸汽凝結(jié)水余熱的回收利用。

（3）通過裝置間的熱聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，使該項目順酐及輕烴制丙烷裝置的能耗降低了37.09 kg 標(biāo)準(zhǔn)油/t 產(chǎn)品。