大型常壓塔的工藝模擬計算與設(shè)計優(yōu)化探究

謝明霞(北京華福工程有限公司天津分公司 天津 300042)

本廠原油是一種含硫量低、含膠量低、含蠟量高，且凝固點較高的石蠟基原油。因此，如果要想從原油中提取多種潤滑油、燃料等石油產(chǎn)品，那么這就需要原油煉油廠很好地解決原油的分割以及煉油過程中的各種成分的分離等方面的問題。在煉油過程中，原油的常減壓蒸餾屬于一種十分有效及合理的方法，同時它也屬于一種經(jīng)濟(jì)效益好以及易于實現(xiàn)的分離途徑。原油常減壓蒸餾可將原油分割成為相應(yīng)的柴油、汽油、煤油等石油類制品。本文主要基于ASPEN OLUS軟件，對大型常壓塔的工藝模擬計算與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討，從而達(dá)到最優(yōu)的操作條件，使得經(jīng)濟(jì)效益實現(xiàn)最大化。

一、原油的切割方案

筆者所在的煉油廠，所分割的原油均為硫含量較低的石蠟基原油，與其他原油相似，也具有蠟含量高、凝固點高，且瀝青含量低及重金屬含量低等方面的特征。基于上述特征，本設(shè)計產(chǎn)品屬于燃料型加共方案。具體設(shè)計方案如下表1所示：

表1 我廠原油常壓切割方案及產(chǎn)品性質(zhì)分析

二、工藝參數(shù)設(shè)計與計算

主要對物料衡算、下塔段的熱平衡以及浮閥塔板工藝設(shè)計進(jìn)行計算。浮閥塔板工藝設(shè)計的主要計算結(jié)果為：塔徑2.3m、板間距(H)為0.60m、塔板形式為雙溢流弓形降液管、空塔氣速(W)為0.779m/s、堰長(L)為1.60m、堰高(h)為0.04m、堰上液層高度(h0)為0.045m、弓形降液管高度(hb)為0.10m、浮閥數(shù)(n)為780個、閥孔動能因素(F0)為9.51m/s(kg·m-3)、單板壓降△Pp為657.9kPa、液體在降液管內(nèi)停留時間長短為7.70s、液相負(fù)荷最大值為0.06N、液相符合下限為0.03N。

具體而言，主要包括如下兩個方面的工藝設(shè)計：(1)對于大型的常壓塔而言，其中一個非常重要的環(huán)節(jié)就是對支撐梁的優(yōu)化設(shè)計。在實際的設(shè)計過程中，應(yīng)滿足如下幾個方面的要求：首先需要滿足機(jī)械性能如強(qiáng)度、剛度、水平度等，還應(yīng)滿足壓降小、無液體匯聚、抗堵塞性能強(qiáng)以及無氣體渦流等方面的要求。當(dāng)前，在實際工藝設(shè)計過程中，經(jīng)常使用的一種支撐形式為桁架支撐，或者在工字梁的腹板以及橫翅上開一個大型的方孔。對于上述工字梁支撐而言，在實際使用過程中存在著如下幾個方面的缺陷，包括：極易出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，且容易造成氣體初始部分出現(xiàn)極端反應(yīng)等，這些缺陷就會對支撐之中存在的介質(zhì)的流動性存在非常大的不良影響，對設(shè)備的迅速操作極為不利。與工字梁不同的是，桁架支撐能夠?qū)⒚扛旒芰航茷槎U件，經(jīng)力學(xué)分析可知，其受力情況最為理想，結(jié)構(gòu)十分靈活，且重量較輕，尤其是對介質(zhì)的流動性也較小，這就大大方便了安裝檢修，因此，此種形式的支撐梁被廣泛地應(yīng)用于橋梁施工及建筑施工過程中。根據(jù)其特殊的結(jié)構(gòu)原理，近年來，也開始被人們廣泛地應(yīng)用于大型減壓塔的優(yōu)化設(shè)計過程中。(2)進(jìn)料分布器。除了上述支撐梁的設(shè)計之外，大型常壓塔的另一個重要的優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)就是對進(jìn)料分布器的設(shè)計。注意在實際的設(shè)計過程中，需考慮便于氣相均一分布、無液沫夾帶以及壓降小等方面的工藝特征。此外，還應(yīng)該滿足大液量沖擊震動等機(jī)械性能的有關(guān)要求；進(jìn)料分布器一般使用的類型很多，主要包括：環(huán)管布孔型、切向號角型、單切向環(huán)流型以及雙切型等類型。根據(jù)筆者的實際工作經(jīng)驗可以得知，雙切環(huán)流型與雙列葉片型進(jìn)料分布器的壓降最小，氣體分布最為均一，霧沫夾帶量少，閃蒸空間高度較低，能夠很好地滿足設(shè)計的根本需要。然而考慮到雙切環(huán)流型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，投資所需成本較高等方面的原因，所以在實際過程中一般選擇雙列葉片型進(jìn)料分布器，因為該類型的進(jìn)料分布器具有結(jié)構(gòu)簡單、投資相對較少，且安裝便捷等方面的優(yōu)勢。

三、模擬設(shè)計計算

采用ASPEN PLUS軟件對原油常壓塔的實際操作進(jìn)行模擬、計算。其中塔板數(shù)為25，,額，進(jìn)料溫度為350℃，計算的初始值為物料衡算的結(jié)果。

1.數(shù)據(jù)輸入

本次設(shè)計過程中，將石油窄餾分作為虛擬正構(gòu)烷烴進(jìn)行處理，選擇ASPEN PLUS軟件模擬中經(jīng)常使用的BK.10方法，分別將進(jìn)料溫度(350℃)、進(jìn)料壓力(0.17MPa)、質(zhì)量流率(1.08×105kg/h)、塔板數(shù)(n=28)輸入該模擬軟件之中，選擇局部冷凝作為冷凝器，塔頂流出速度為15190kg/h。側(cè)線煤油選擇第九塊板采出，進(jìn)料選擇第27塊板采出。

2.實驗結(jié)果

由上述實驗得出了如下圖1所示的組分圖：

圖1 組分示意圖

然后可以從上述組分示意圖中觀察到：各種產(chǎn)品在各塔板上面的氣液組成情況。若對整體模擬過程的進(jìn)料的組成情況，也就是對進(jìn)料的組成情況進(jìn)行微微調(diào)整之后，再使用ASPEN PLUS軟件對其進(jìn)行模擬、演算，這會對原油的分離效果產(chǎn)生一定程度的影響。根據(jù)如上4個方面的虛擬組分的計算，能夠看出，我廠原油的組分極為復(fù)雜，且是一個混合物。本研究主要對十七個組分進(jìn)行了虛擬模擬計算。

結(jié)論

綜上所述可知，本文利用ASPENPLUS軟件對大慶原油蒸餾裝置中常壓塔進(jìn)行了工藝模擬計算，在滿足塔處理能力、操作彈性、產(chǎn)品收率及產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化塔操作條件物料平衡及塔徑等工藝參數(shù)。

[1]趙汝艾．大型塔器支撐裝置的優(yōu)化設(shè)計[J]．化學(xué)工程，2009，37(1)：75-78．