氣體分餾裝置丙烯精餾塔的模擬與優(yōu)化

氣體分餾裝置丙烯精餾塔的模擬與優(yōu)化

摘要：為解決全球氣候問題，中國政府提出“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)。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年中國成品油產(chǎn)量已高于表觀消費(fèi)量，而丙烯當(dāng)量凈進(jìn)口量為942×104t，對(duì)外依存度達(dá)22.3%。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)量難控制等問題。本文主要對(duì)氣體分餾裝置丙烯精餾塔的模擬與優(yōu)化進(jìn)行了簡單的探討，以供相關(guān)人員參考。關(guān)鍵詞：丙烯；氣體分餾裝置；流程模擬引言就目前的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬主要應(yīng)用于煉油、石油化工以及化工領(lǐng)域中，例如在日常生產(chǎn)生活中的減壓、加氫、催化裂化以及氣體分餾、乙烯、天然氣、油田氣分離等裝置中得以普遍的應(yīng)用。此外，在我國的醫(yī)藥、農(nóng)藥、造紙以及環(huán)保行業(yè)等都有著一定的應(yīng)用與發(fā)展。近年來隨著我國社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，對(duì)于石油餾分的計(jì)算能夠達(dá)到十分準(zhǔn)確的層面，可以直接用于相關(guān)工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)之中。1、氣體分餾裝置丙烯精餾工藝簡述氣體分餾工藝是利用原料中各組分揮發(fā)度的差異，在特定的溫度和壓力下，使用精餾塔等設(shè)備通過連續(xù)蒸餾對(duì)原料進(jìn)行分離的技術(shù)。如在液化石油氣中，丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、異丁烷、異丁烯等組分沸點(diǎn)不同，因此可采用分餾的方法進(jìn)行分離。氣體分餾工藝最基本的設(shè)備是精餾塔，精餾塔一般根據(jù)產(chǎn)品的要求，建有冷凝器或再沸器，同時(shí)，基于常規(guī)的多元精餾原理，精餾過程一般由數(shù)個(gè)精餾塔組成。另外，由于組分間沸點(diǎn)差異很小，因此需要足夠多的塔板數(shù)進(jìn)行精度較高的精餾。此工藝使用的每個(gè)精餾塔分別具有精餾段與提餾段，塔內(nèi)輕組分上升到精餾段，重組分下降到提餾段，并通過塔板的精餾作用，沿塔自上而下經(jīng)過精餾段和提餾段,此時(shí)組分的濃度差異越來越大，其中輕組分易揮發(fā)，主要集中于塔頂;重組分則沸點(diǎn)相對(duì)較高，從塔釜餾出。塔底由再沸器加熱，使塔底產(chǎn)物中部分輕組分蒸發(fā)成為塔內(nèi)蒸汽，塔底液相產(chǎn)品部分抽出，部分送回塔內(nèi)回流。因丙烯資源的重要戰(zhàn)略地位，加之氣體分餾裝置屬于清潔生產(chǎn)工藝，幾乎不產(chǎn)生三廢，因此通過氣分裝置催化裂化液態(tài)烴成為獲得丙烯的重要途徑。2、氣體分餾裝置丙烯精餾塔的模擬與優(yōu)化2.1、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AspenPlus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)，原料液化石油氣經(jīng)過預(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。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，模擬偏差范圍在5%以內(nèi)模擬結(jié)果較為理想，偏差范圍在10%以內(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。2.2、操作條件優(yōu)化2.2.1、塔底產(chǎn)品采出優(yōu)化在進(jìn)料量恒定的情況下，通過調(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1.68MPa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，隨丙烷流率提高，丙烯純度逐漸升高，當(dāng)塔底流率提高至4515kg/h，丙烯純度升至99.6%以上，提高至4560kg/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4550kg/h時(shí)，丙烷純度不小于95%。建議塔底流率從4545kg/h降至4515kg/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30kg/h。2.2.2、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。在恒定產(chǎn)品進(jìn)料、控制塔頂壓力為1.68MPa、塔底采出為4515kg/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，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777.1kW，再沸器熱負(fù)荷降低777.1kW。2.2.3、精餾塔塔頂壓力優(yōu)化丙烯與丙烷產(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，溫度過低不利于氣相丙烯產(chǎn)品的冷凝。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，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1.80MPa降至1.68MPa，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℃。2.3、效益分析通過優(yōu)化精餾塔參數(shù)，丙烯產(chǎn)量增加30kg/h，丙烷產(chǎn)量減少30kg/h，結(jié)合運(yùn)行時(shí)間8400h/a，丙烯價(jià)格8100元/t，丙烷價(jià)格5773元/t，優(yōu)化后增加效益58.64萬元。通過優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)再沸器能耗降低412.6kW、冷凝器能耗降低392.2kW。結(jié)合SH/T3110-2001中1.0MPa蒸汽能量折算值3182MJ/t，循環(huán)水能量折算值4.19MJ/t，則運(yùn)行時(shí)間8400h/a下，節(jié)約低壓蒸汽3921.1t/a、循環(huán)水2830579.5t/a。根據(jù)1.0MPa低壓蒸汽150元/t，循環(huán)水0.28元/t計(jì)算，通過優(yōu)化節(jié)約運(yùn)行成本效益為138.07萬元。增加經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)196.71萬元/a。總之，采用AspenPlus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1.68MPa、塔底丙烷采出量為4515kg/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392.2kW，再沸器熱負(fù)荷降低412.6kW，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益196.71萬元/a。Reference：[1]涂聯(lián),李廣慶,祝玉學(xué),司艷霞,王會(huì)芳,葛秀清.氣體分餾裝置擴(kuò)能改造[J].河南化工,2014,31(01):42-44.DOI:10.14173/ki.hnhg.2014.01.003.[2]趙貴征,王建平.氣體分餾裝置的流程模擬與優(yōu)化[J].中外能源,2011,16(03):88-92.[3]邵建海,劉加偉,胡偉.氣體分餾裝置技術(shù)改造[J].現(xiàn)代化工,2005(04):52-54.DOI:10.