對(duì)加氫裂化過(guò)程理論最小能耗的分析

孫書(shū)彬，方向晨，張 英，高景山

（1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院, 遼寧 撫順 113001）

對(duì)加氫裂化過(guò)程理論最小能耗的分析

孫書(shū)彬1,2，方向晨2，張 英2，高景山2

（1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院, 遼寧 撫順 113001）

通過(guò)對(duì)某煉廠的加氫裂化過(guò)程理論最小能耗和實(shí)際能耗的比較，分析了產(chǎn)生差距的原因，為過(guò)程的節(jié)能指明了方向。首先對(duì)過(guò)程理論最小能耗進(jìn)行了推導(dǎo)，并運(yùn)用到某煉廠的加氫裂化裝置，然后將求得的理論最小能耗與實(shí)際能耗作比較，最后分析導(dǎo)致理論最小能耗與實(shí)際能耗差別的原因并作出結(jié)論。

理論最小能耗；加氫裂化；實(shí)際能耗

煉油企業(yè)是能源密集型高耗產(chǎn)業(yè)，其能耗占全國(guó)工業(yè)總能耗的50%以上。我國(guó)的煉油企業(yè)中，一般復(fù)雜性煉廠能耗占到加工原油量總能耗的 8%～10%[1]，再加上近些年原油價(jià)格的不斷攀升，節(jié)能工作日益得到人們的重視。過(guò)去的節(jié)能工作，通常以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，以節(jié)省能量的數(shù)量為著眼點(diǎn)，而沒(méi)有考慮能量的質(zhì)量[2-4]，并不是真正意義上的節(jié)能。針對(duì)這一情況，出現(xiàn)了對(duì)用能系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)第二定律分析的方法，即火用分析法。所謂的火用分析法，是在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，依靠熱力學(xué)第二定律，把能量數(shù)量和能量質(zhì)量結(jié)合起來(lái)對(duì)過(guò)程和系統(tǒng)用能進(jìn)行計(jì)算、分析、診斷和改進(jìn)的方法[5]。化工生產(chǎn)需要消耗能量來(lái)完成，所消耗的能量有一個(gè)理論最低值。當(dāng)以環(huán)境溫度作為系統(tǒng)外的唯一熱源時(shí)，一個(gè)過(guò)程可逆進(jìn)行所消耗的功，即該過(guò)程的理論能耗或過(guò)程理想功[6]。此處的理論最小能耗為過(guò)程所必須消耗的能量，由于過(guò)程理論最小能耗沒(méi)有考慮實(shí)際化工過(guò)程中的“三傳一反”等單元操作過(guò)程，因而，理論最小能耗是不可能通過(guò)節(jié)能達(dá)到的。但是，通過(guò)與過(guò)程的實(shí)際能耗相結(jié)合，所得的差值可以作為衡量過(guò)程所具有的節(jié)能潛力的一個(gè)參照。

1 過(guò)程理論最小能耗的推導(dǎo)

設(shè)某物系的兩種狀態(tài)A、B，A狀態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)表示為T(mén)A（溫度）、PA（壓力）、HA（焓）、SA（熵），B狀態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)為T(mén)B、PB、HB、SB。該物系可逆地變化到與環(huán)境成平衡的狀態(tài),即寂態(tài)[7]時(shí)，用T0、P0、H0、S0等熱力學(xué)參數(shù)來(lái)表示。

物系由A狀態(tài)可逆地變化至與環(huán)境成平衡的狀態(tài)0，物系自環(huán)境吸收熱量為QA，過(guò)程的理想功為EXA，過(guò)程表示為A→0。

由熱力學(xué)第一定律可得：H0-HA=QA-EXA（1）

由熱力學(xué)第二定律可知，可逆過(guò)程中物系與環(huán)境的總熵變?yōu)?，故：（S0-SA）+ΔS環(huán)A=0 （2）

由熱力學(xué)第二定律知，當(dāng)式（2）＞0時(shí)，過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行；式（2）＜0時(shí)，過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行；式（2）=0時(shí)，過(guò)程達(dá)到平衡狀態(tài)，即為可逆過(guò)程。可逆過(guò)程是理論上能夠進(jìn)行的極限過(guò)程，此時(shí)所求得的能耗即為理論最小能耗。

又過(guò)程，環(huán)境吸熱為(-QA),環(huán)境溫度為T(mén)0，所以：

將（2）、（3）兩式代入（1）式可得：

同一物系由與環(huán)境成平衡的狀態(tài)0可逆地變化至物系的另一狀態(tài)B，物系自環(huán)境吸收熱量為QB，過(guò)程的理想功為EXB，過(guò)程表示為0→B。

由熱力學(xué)第一定律得：

由熱力學(xué)第二定律可知，可逆過(guò)程中物系與環(huán)境的總熵變?yōu)?，故：

又過(guò)程，環(huán)境吸收熱量為（-QB）,環(huán)境溫度為T(mén)0，故：

將（6）、（7）兩式代入（5）式可得：

將過(guò)程A→0與過(guò)程0→B合成為一個(gè)總過(guò)程A→B，通過(guò)將兩個(gè)過(guò)程的理想功相加，即可得到該總過(guò)程的理想功，用IW表示。則：

通過(guò)式（4）、（8）、（9）可以得出：過(guò)程的理想功等于過(guò)程前后的焓差減去過(guò)程前后的熵差與環(huán)境溫度之積，所得的數(shù)值只與過(guò)程的前后狀態(tài)和環(huán)境溫度有關(guān)，而與具體過(guò)程無(wú)關(guān)。

2 對(duì)某煉廠加氫裂化過(guò)程進(jìn)行理論最小能耗的計(jì)算

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各個(gè)國(guó)家對(duì)原油，尤其是輕質(zhì)燃料油的需求量迅速增加，但是，世界原油儲(chǔ)量中，淺層好開(kāi)采的輕質(zhì)低硫原油越來(lái)越少，深層的重質(zhì)高硫的原油越來(lái)越多。另外，進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)更加注重可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到重視，清潔油品的生產(chǎn)已是大勢(shì)所趨，油品的質(zhì)量變得越來(lái)越嚴(yán)格。

加氫裂化技術(shù)是深度加工重質(zhì)油的主要生產(chǎn)工藝，并且是唯一能在原料輕質(zhì)化的同時(shí)直接生產(chǎn)車(chē)用清潔燃料和優(yōu)質(zhì)化工原料的工藝技術(shù)。由于加氫裂化技術(shù)具有可加工的原料范圍廣、原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品方案靈活、產(chǎn)品質(zhì)量好及液體產(chǎn)品收率高等特點(diǎn)，能夠?qū)⒏鞣N重質(zhì)、劣質(zhì)原料直接裝化為市場(chǎng)急需的優(yōu)質(zhì)噴氣燃料、柴油、潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油以及化工石腦油和尾油蒸汽裂解制乙烯原料等[8,9]。加氫裂化這一重要的二次加工手段越來(lái)越受到重視，生產(chǎn)能力也連年上升。截止2012年，全球加氫裂化裝置總加工能力已達(dá)278 Mt/a以上，占原油一次加工能力的6.26%[10]。

但是，加氫裂化過(guò)程反應(yīng)條件十分苛刻：高溫、高壓、臨氫，反應(yīng)過(guò)程中需要對(duì)物流進(jìn)行加熱、升壓，工藝耗能高，加氫裂化裝置是煉廠耗能最大的裝置之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加氫裂化裝置的能耗占到了煉油綜合能耗的6%～10%[11]。因而，分析加氫裂化裝置的用能狀況，探討相關(guān)的節(jié)能措施，對(duì)于節(jié)能降耗、提升生產(chǎn)效益具有十分重要的意義。

某煉廠150萬(wàn)t/a的加氫裂化裝置采用單段兩劑全循環(huán)的加工工藝，現(xiàn)將上述的推導(dǎo)公式運(yùn)用到該過(guò)程。其中，與計(jì)算相關(guān)的進(jìn)料、出料性質(zhì)如下列各表所示（原料油和外排尾油的蒸餾數(shù)據(jù)采用ASTM D1160標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得，其它油品的蒸餾數(shù)據(jù)采用ASTM D86標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得）,見(jiàn)表1-5。

表1 原料油料性質(zhì)Table 1 Properties of feed

表2 新氫性質(zhì)Table 2 Properties of new hydrogen

表3 物料平衡表Table 3 Material balance

表4 各餾分油性質(zhì)Table 4 Properties of distillates

表5 酸性氣、脫硫干氣、液化氣性質(zhì)Table 5 Properties of sour gas, dry gas, liquid hydrocarbon

利用表格中的物流數(shù)據(jù)，并借助Aspen Plus軟件可以得到各物流的焓值、熵值，結(jié)果整理如表6。

運(yùn)用以上數(shù)據(jù)，進(jìn)行下列計(jì)算：

式中：H入—入方物流總焓，J/h；

Qi入—入方物流i的質(zhì)量流率,kg/h；

Hi入—入方物流i的焓，J/Kg；

S入—入方物流總熵，J/h-K；

Si入—入方物流i的熵，J/kg-K。

表6 各物流的焓、熵Table 6 Enthalpys and entropys of streams

式中：H出—出方物流總焓，J/h；

Qi入—出方物流i的質(zhì)量流率,kg/h；

Hi出—出方物流i的焓，J/kg；

S出—出方物流總熵，J/h-K；

Si出—出方物流i的熵，J/kg-K；

過(guò)程前后焓差：

過(guò)程前后熵差

將計(jì)算所得出的數(shù)值代入公式

可以求得過(guò)程的理論能耗為

將過(guò)程的理論能耗折合標(biāo)油為-6.986 kgEo/t[12]。

3 能耗分析

由以上分析可知，所求的過(guò)程理論最小能耗為-6.986 kg Eo·t-1，理論最小能耗為負(fù)值，說(shuō)明理想情況下體系將向外界做功。該煉廠加氫裂化過(guò)程的實(shí)際能耗為26.89 kg Eo·t-1，實(shí)際能耗為正值，說(shuō)明實(shí)際情況下，外界對(duì)體系做功，即外界需對(duì)體系提供能量。

理論最小能耗是只與過(guò)程所涉及的原料和產(chǎn)品的狀態(tài)和環(huán)境溫度相關(guān)的一個(gè)物理量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，從原料到產(chǎn)品必須要借助于各種各樣的設(shè)備，而設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)是以消耗能量為代價(jià)的。在煉廠中，能量通常是以燃料氣或燃料油、水、電、蒸汽的形式被消耗。以該加氫裂化過(guò)程為例：燃料氣（即瓦斯）主要消耗在氫氣加熱爐、第一分餾塔底重沸爐和第二分餾塔底重沸爐上；水主要消耗于新氫壓縮機(jī)一級(jí)出口冷卻器、熱低分氣冷卻器、冷高分氣冷卻器、主汽提塔頂后冷器、脫丁烷塔頂后冷器、脫乙烷塔頂冷卻器、石腦油分餾塔頂后冷器、重石腦油冷卻器等冷卻器上；電主要消耗在新氫壓縮機(jī)、原料油泵、柴油泵、第一分餾塔重沸爐泵、第二分餾塔重沸爐泵及未轉(zhuǎn)化油泵等機(jī)泵設(shè)備上；蒸汽主要分為3.5 MPa蒸汽和1.0 MPa蒸汽兩種，其中，3.5 MPa蒸汽主要用于主汽提塔汽提和循環(huán)機(jī)透平，由3.5 MPa蒸汽經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)透平減壓得到的1.0 MPa蒸汽主要消耗在第二分餾塔頂抽空真空系統(tǒng)及伴熱等方面。該加氫裂化過(guò)程的能源使用結(jié)構(gòu)[13]如表7所示：

表7 加氫裂化裝置能源使用結(jié)構(gòu)Table 7 Structure of energy consumption in hydrocracking process

由表7可知，該加氫裂化過(guò)程的能源使用中，僅蒸汽、電和瓦斯三項(xiàng)就占到了總能源消耗的96.28%，因而，節(jié)能工作應(yīng)主要從節(jié)省蒸汽、電及瓦斯著手。

然而，對(duì)能量的分析不能僅僅停留于此。以上對(duì)加氫裂化過(guò)程中能量消耗以水、電、蒸汽、燃料氣或燃料油的形式進(jìn)行分析，只是從消耗能量的數(shù)量上進(jìn)行的。如果就此進(jìn)行節(jié)能，只能是能量數(shù)量上的節(jié)省，并非真正意義上的節(jié)能。實(shí)際上，不同形式的能量在質(zhì)量上是不同的。因此，我們還需在此基礎(chǔ)上，從有效能（即火用）的角度對(duì)能量使用情況進(jìn)行更深層次的分析。

過(guò)程的理論最小能耗即是從有效能的角度對(duì)過(guò)程進(jìn)行的分析。過(guò)程的理論最小能耗只是與原料和產(chǎn)品的狀態(tài)及環(huán)境溫度相關(guān)的物理量，而實(shí)際化工過(guò)程中，從相同的原料得到相同的產(chǎn)品，能耗之所以不同，是因?yàn)椴煌闹苽溥^(guò)程所采用的催化劑、工藝路線、操作參數(shù)及設(shè)計(jì)水平不同。由上文中對(duì)加氫裂化過(guò)程的最小理論能耗分析可知，該過(guò)程本應(yīng)是產(chǎn)功過(guò)程，但由實(shí)際能耗可知，過(guò)程不但沒(méi)有產(chǎn)功反而需要環(huán)境對(duì)其提供能量。所以，實(shí)際能耗在理論最小能耗基礎(chǔ)上，還需綜合考慮具體過(guò)程才可以得到。理論最小能耗是理想條件下的最小能耗，實(shí)際生產(chǎn)上是永遠(yuǎn)達(dá)不到的。然而它可以作為節(jié)能極限的一個(gè)參考，并給我們指出了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程存在的差距和我們工作應(yīng)當(dāng)努力的方向。

4 結(jié)論與展望

前面我們對(duì)最小理論能耗進(jìn)行了推導(dǎo)，并對(duì)某煉油廠加氫裂化裝置進(jìn)行了計(jì)算，這只能是對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行用能分析的第一步，在此基礎(chǔ)上我們還應(yīng)當(dāng)對(duì)實(shí)際過(guò)程所涉及到的傳熱、傳質(zhì)、流體的輸送、變溫、變壓過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)等單元操作進(jìn)行有效能的分析。將兩步分析所得值再與實(shí)際能耗進(jìn)行比較才能進(jìn)一步確定節(jié)能的潛力及工作的著力點(diǎn)。

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Analysis on Theoretical Minimum Energy Consumption of Hydrocracking Process

SUN Shu-bin1,2，F(xiàn)ANG Xiang-chen2，ZHANG Ying2，GAO Jing-shan2
（1. School of Petrochemical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China)

Based on the comparison between the theoretical minimum energy consumption and the actual energy consumption of a refinery hydrocracking unit, the reasons to cause the gap were analyzed, which could provide the direction for energy saving. At first, the theoretical minimum energy consumption was derived and applied to a refinery hydrocracking unit. Then the theoretical minimum energy consumption was compared with the actual energy consumption of the same process. At last, the reasons leading to the differences between the theoretical minimum energy consumption and the actual energy consumption were analyzed, meanwhile the conclusion was drawn.

Theoretical minimum energy consumption; Hydrocracking; Actual energy consumption

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2279-04

2014-04-03

孫書(shū)彬（1987-），男，山東德州人，碩士學(xué)位，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：化工過(guò)程的能量分析。E-mail：dzsunshubin@163.com。