催化裂化主分餾塔取熱分布優(yōu)化及操作影響研究

田 濤

(中國石化經濟技術研究院，北京 100029)

催化裂化主分餾塔取熱分布優(yōu)化及操作影響研究

田 濤

(中國石化經濟技術研究院，北京 100029)

催化裂化裝置的主分餾塔一般有2～3個循環(huán)回流，下部塔段中段回流的取熱溫位較高，能量利用價值大。運用PRO/Ⅱ流程模擬軟件，研究了塔頂循環(huán)回流(頂循)、第一中段循環(huán)回流(一中)取熱量變化對分餾塔的影響。當主分餾塔的頂循、一中取熱量增加時，該塔的氣、液相運行負荷增加。在分餾塔頂循取熱量不變情況下，增大一中取熱量，會增加油漿下返塔取熱量，降低油漿上返塔和油漿總取熱量；同時會略微增加柴油產量，降低油漿產量。頂循取熱量增加，會使頂循以下塔段的氣相、液相負荷變大，重組分的分離負荷上移，汽油、柴油產品的重組分含量增加。

主分餾塔 取熱分布 流程模擬 氣相負荷 液相負荷 回流取熱

催化裂化裝置的主分餾塔是將反應產物分離成富氣、粗汽油、柴油、回煉油和油漿的復合塔，其操作對整個催化裂化裝置能耗有重要影響。催化裂化裝置的高溫反應油氣呈過熱狀態(tài)進入主分餾塔，使得全塔過剩熱量較大[1-2]，通常需要設置3～4個中段循環(huán)回流取熱。由于主分餾塔的塔板溫度隨塔板變化較大，下部塔段的取熱溫位較高，因此，在保證主分餾塔各塔段具有足夠回流的條件下，增加塔下部高溫位中段回流的取熱比例可以增加高品質能量的輸出，對降低主分餾塔的操作能耗有重要意義[2]。但是，取熱負荷分布的變化會影響該塔的氣液負荷和分離效果，進而對產品質量和流量產生影響。

應用流程模擬技術優(yōu)化計算催化裂化主分餾塔，可以定量給出各參數的調節(jié)數值，對于指導裝置實際運行、降低操作能耗有重要意義。趙華等[3]、吳宇等[4]、楊科[5]分別使用PRO/Ⅱ和Aspen Plus模擬軟件計算了催化裂化主分餾塔氣液負荷等工藝數據，應用水力學分析了主分餾塔操作彈性和各操作指標，但并沒有闡述主分餾塔中段取熱對產品分布、產品性質以及操作的影響。顏藝專等[6]研究了應用PRO/Ⅱ模擬主分餾塔的建模策略和方法，對該塔中段取熱進行了分析，但是并沒有指出取熱變化優(yōu)化及對操作工況的影響。

運用流程模擬軟件計算和研究催化裂化主分餾塔的取熱分布對該塔產品質量、收率、操作彈性的影響，對于指導實際生產操作具有重要意義，同時可以快速評價該塔操作的節(jié)能潛力。本課題應用PRO/Ⅱ模擬軟件建立催化裂化主分餾塔平衡級模型，研究滿足操作規(guī)定下催化裂化主分餾塔的取熱優(yōu)化及其對產品分布、產品質量的影響。

1 主分餾塔模擬及分析

1.1 模型建立

應用PRO/Ⅱ模擬軟件對某催化裂化裝置的主分餾塔進行模擬計算，結合裝置的實際生產工況確定模擬過程工藝參數。

采用參考文獻[6]模擬策略對該塔建模，建立15塊平衡理論板模型(塔頂回流罐完成一次氣液分離，因此可以看作一塊理論塔板)。主分餾塔模型結構示意見圖1，產品物性及流量見表1，相關物流的輕組分流量見表2。模擬中以產品質量、取熱量為設計規(guī)定，變量包括各板的汽液負荷、回流參數等，依據參考文獻[6]模擬策略符合實際生產情況。

在分餾塔操作中，塔底蒸汽量11.11 t/h，柴油汽提蒸汽量0.61 t/h，貧吸收油的流量為11.13 t/h。該塔包含4個取熱回流：塔頂冷回流、塔頂循環(huán)回流(以下簡稱“頂循”)、第一中段循環(huán)回流(以下簡稱“一中”)和油漿循環(huán)回流。本模擬中，回流段的取熱控制可通過改變中段抽出量和返塔溫度實現，參見表3。

圖1 某催化裂化主分餾塔模型結構示意

項 目粗汽油柴油油漿餾程∕℃ 初餾點21.1214.4307.2 30%85.5281.6404.4 50%118.3298.3428.3 90%198.9339.4537.8 終餾點223.9362.7648.0密度∕(g·cm-3)0.7690.9261.008流量∕(t·h-1)53.2124.2613.99

表2 主分餾塔相關物流的輕組分流量 kg/h

表3 中段取熱回流抽出量及返塔溫度

在優(yōu)化分餾塔中段取熱中，一方面要盡可能多取塔下部的高溫位熱，另一方面又要在取熱量一定的條件下盡可能多抽出，從而提高中段返塔溫度[7-8]，加大中段與其它物流換熱的冷端溫差。

1.2 建模結果及分析

通過表1～3中的數據，利用PRO/Ⅱ模擬軟件計算主分餾塔操作數據，該塔的氣、液相負荷如圖2所示，其中凈液相負荷是僅包括塔內回流的液相流量，總液相負荷是包含中段循環(huán)和塔內回流的總液相流量。

圖2 主分餾塔氣、液負荷及溫度分布■—總液相負荷； ▲—氣相流量； ◆—凈液相負荷； ●—溫度

從圖2可以看出，主分餾塔進料即反應產物以過熱狀態(tài)進入主分餾塔第14塔板，與分餾塔內回流在第13塔板上進行換熱，由于油漿上返塔的外回流呈過冷狀態(tài)，導致第13塔板氣相流量較第14塔板氣相有一個突降，相同的規(guī)律也發(fā)生在第10塔板和第3塔板上。第13塔板液相以飽和狀態(tài)溢流到第14塔板，由于第14塔板溫度較高，因此會有部分液相汽化，相應第14塔板液相內回流要小于第13塔板[8]。第15塔板的抽出油漿分成3股：一股冷卻后進入第13塔板(油漿上返塔)，一股冷卻后進入第15塔板(油漿下返塔)，一股作為產品。15塔板的液相負荷包括14塔板溢流和油漿下返塔兩部分之和。第10塔板和第11塔板分別是一中循環(huán)換熱板和抽出板，抽出板的總液相負荷為246.36 t/h，其中135.79 t/h溢流到第12塔板，其余抽出冷卻后返回第10塔板，中段取熱會使分餾塔上升氣相在取熱塔段冷凝形成回流；相同的規(guī)律也發(fā)生在頂循第3塔板和第4塔板之間。

第8塔板為柴油抽出塔板，其總液相負荷54.28 t/h，其中25.83 t/h為柴油側線抽出，其余以內回流溢流到第9塔板，第8塔板到第5塔板的氣液分布可以由隔離體系的平衡計算得到[8]。第7塔板氣相負荷輕微增加是由于柴油汽提塔蒸汽和輕烴返塔造成。

第2塔板為塔頂冷回流注入板，塔頂回流罐中有3.83 t/h液相以32.2 ℃注入第2塔板形成塔頂冷回流，由于冷回流向塔頂注入大量汽油，使得塔頂汽油分壓升高，塔頂溫度的控制上限變大[9]。

綜上所述，催化裂化主分餾塔運行特點是過熱油氣進料與油漿換熱后呈飽和狀態(tài)沿塔上升，每遇到一個中段回流取熱即有一部分氣相物料冷凝下來，相應有一個液相負荷增加。

2 取熱優(yōu)化研究

由模擬結果可以得到主分餾塔的全塔取熱分布，結果見表4。從表4可以看出，主分餾塔的頂循取熱量占到總取熱量的28.27%，通過優(yōu)化可以降低進一步頂循取熱量，增加一中和油漿等高溫位取熱量[3]。

表4 優(yōu)化前的取熱分布

優(yōu)化分餾塔取熱比例會相應改變塔的操作條件，對汽油、柴油產量，塔頂、塔底油漿取熱量，平衡級各板氣液負荷、各板氣液組成(汽油、柴油抽出板干點除外)，平衡級溫度等會產生影響。

2.1 取熱量對分餾塔氣、液相負荷影響

考察了在其它取熱量不變的條件下，一中循環(huán)和頂循取熱分別增加1.17 MW時的分餾塔液相、氣相負荷變化情況，其結果分別見圖3和圖4。

圖3 頂循、一中取熱量變化對液相負荷的影響■—頂循增加1.17 MW； ▲—一中增加1.17 MW；●—原有工況

圖4 頂循、一中取熱量變化對氣相負荷的影響●—原有工況； ■—頂循增加1.17 MW；▲—一中增加1.17 MW

由圖3可知，對比原工況，一中取熱增加1.17 MW，使得第9～13塔板液相負荷會增加，第10～12塔板增加幅度會較大。增加一中段取熱需要增加一中抽出和返回物料流量，即增加分餾塔的外回流，因此導致第10、第11塔板液相負荷增加幅度較大。頂循取熱增加時也會有相同的現象，分餾塔多數塔板液相負荷會受影響。

由圖4可知，一中取熱量增加會導致分餾塔第10～14塔板氣相負荷增加。第9板的氣相負荷不變，這是由于11塔板(一中抽出板)上升的氣相量增加，同時10塔板(一中返回板)的取熱量也相應增大，兩者共同作用使得第9塔板的氣相負荷基本不變，對產品分布不會產生較大影響。當頂循取熱增加時，也會產生相同規(guī)律。

綜上所述，催化裂化主分餾塔的頂循、中段取熱量增加會加大分餾塔的氣、液相負荷，即塔的運行負荷增加。

2.2 一中取熱量對分餾塔操作的影響

在分餾塔操作中，一中取熱增加，其上部塔段的氣相負荷減少，當氣相熱量不足以將上部溢流液相汽化時，塔的上部就會有淹塔傾向，因此必須對其它塔段取熱量進行調整。圖5是分餾塔達到熱平衡條件時，一中取熱量對油漿上返塔、下返塔和油漿總取熱量的影響。

圖5 一中取熱量對油漿上返塔、下返塔和油漿總取熱量的影響▲—油漿上返塔取熱量； ■—油漿總取熱量；●—油漿下返塔取熱量

由圖5可知，操作穩(wěn)定時，一中取熱量增加，油漿上返塔取熱量減小，即油漿的洗滌和冷凝作用減弱，過熱油氣的冷凝將向分餾塔上部轉移；同時為保證塔底溫度保持不變，油漿下返塔取熱量會增加；但油漿總取熱量會減小。所以提高一中負荷在操作上要求適當減小油漿上返塔取熱量。

一中取熱量變化對產品質量和收率也會產生一定影響[10]，見圖6。由圖6可知，隨著一中取熱量增加，柴油產量會增大，而汽油產量變化不大，油漿產量會減小，這說明提高一中取熱量可以提高柴油產量，降低油漿收率。

綜上所述，對催化裂化分餾塔，增大一中取熱量，會增加油漿下返塔取熱量，降低油漿上返塔和油漿總取熱量[11]；同時會略微增加柴油抽出量，減小油漿產率。

圖6 一中取熱量對產品產量的影響●—汽油產量； ◆—柴油產量； ▲—油漿產量

2.3 頂循取熱量對分餾塔操作的影響

圖7是頂循取熱量的變化對油漿取熱量的影響。從圖7可知，頂循取熱量增加會導致油漿上返塔取熱量減小、下返塔取熱量增加，總取熱量減小。這主要由于減小頂循取熱量使得分餾塔頂循以下液相負荷減小，若不減小塔底上升的氣相負荷，該塔的液相就不足以提供氣相冷凝所產生的熱量。因此，頂循取熱量減小時，該塔必然要增加油漿上返塔取熱量來控制分餾塔下部氣相量。

圖7 頂循取熱量的變化對油漿取熱量的影響◆—油漿上返塔； ●—油漿總取熱； ▲—油漿下返塔

圖8是頂循取熱量變化對分餾塔各側線產品產量的影響。從圖8可以看出，隨著頂循取熱量的增加，汽油產量變化不大，柴油產量增加，油漿產量降低，這主要是因為分餾塔的取熱負荷，上部塔段的分離負荷加大，塔下部的柴油、油漿中的汽油在塔上部得到充分分離。從分餾塔各產品質量的分析可以進一步驗證該結果，如圖9所示。

圖8 頂循取熱量變化對產品產量的影響▲—汽油產量； ◆—柴油產量； ●—油漿產量

從圖9可以看出，隨著頂循取熱量的增加，汽油和柴油50%餾出溫度升高，這主要是由于下部塔的取熱量減少，重分組的分離負荷上移所致。

綜上所示，頂循取熱量增大，會使頂循以下塔段的氣相、液相負荷變大，重組分的分離負荷上移，柴油產量增加，油漿產量減少，同時汽油、柴油產品的重組分含量增加。

圖9 頂循取熱量變化對產品質量的影響

3 結 論

(1) 催化裂化主分餾塔的取熱分布優(yōu)化會影響該塔的氣、液相負荷流量，進而對產品質量和流量及操作產生影響。

(2) 主分餾塔的頂循、中段取熱量增加會加大該塔的氣、液相負荷，即塔的運行負荷增加。

(3) 在分餾塔頂循取熱量不變情況下，增大一中取熱量，會增加油漿下返塔取熱量，降低油漿上返塔和油漿總取熱量；同時會略微增加柴油產量，降低油漿產量。

(4) 頂循取熱量增大，會使頂循以下塔段的氣相、液相負荷變大，重組分的分離負荷上移，柴油產品流量增加，油漿產品流量減少，同時汽油、柴油產品的重組分含量增加。

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EFFECT OF HEAT REMOVAL OPTIMIZATION ON OPERATION OF FCC MAIN FRACTIONATOR

Tian Tao

(Economic&DevelopmentResearchInstitute，SINOPEC，Beijing100029)

The FCC main fractionator usually has 2～3 pump-around (PA) heat exchanger. The lower PA has a higher temperature， indicating more valuable energy available. The effect of the heat removal optimization from the top and middle tower PA of the main fractionator on the operation was simulated using PRO/Ⅱ simulation software. It is found that the increase of the energy recovery from the PA heat exchanger at the tower top and the first PA heat exchanger at the middle tower leads to an increase of the vapor and liquid phase load on the plate of the column. The model also indicates that under the conditions of stable heat recovery from the tower top PA， more heat removal from the middle tower PA needs more heat removal from the lower part of PA of slurry， resulting in lower total heat removal from the slurry (including upper part of PA of slurry)， and higher yield of gasoline and diesel，while the slurry reduces slightly. The increase of heat removal from the tower top PA leads to a larger loading of both of gas and liquids phases at the lower part of the column， which makes the heavier component go up and more heavy components in gasoline and diesel products.

main fractionator； heat removal distribution； process simulation； vapor phase load; liquid； pump-around heat exchanger

2014-03-03； 修改稿收到日期： 2014-06-17。

田濤，從事煉油、化工過程能量優(yōu)化及節(jié)能相關研究工作。

田濤，E-mail：tiantao.edri@sinopec.com。