乙烯裝置急冷系統(tǒng)的流程模擬與熱量回收優(yōu)化分析

林曉華 蘇成利 李平 等

摘 要： 利用PROII化工流程模擬軟件，對乙烯裝置急冷系統(tǒng)進行了流程模擬，將模擬結果與實際數(shù)據(jù)進行對比。在對模擬數(shù)據(jù)進行提取后，找到影響急冷油熱量回收關鍵操作參數(shù)。分析得出裂解氣進塔溫度、粗汽油回流量、裂解柴油采出量等操作參數(shù)與急冷油熱量回收值的關系曲線，結合裝置的實際生產提出了優(yōu)化急冷油熱量回收的操作條件，為乙烯裝置急冷系統(tǒng)的優(yōu)化生產和操作提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

關 鍵 詞：急冷系統(tǒng)；流程模擬；PROII；熱量回收；操作優(yōu)化

中圖分類號：TQ 221.21 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2328-04

Process Simulation of Quench System in Ethylene plant

and Optimization Analysis of Heat Recovery

LIN Xiao-hua1， SU Cheng-li1， LI Ping1，WANG Xiao-tao2

（1. School of Information and Control Engineering ，Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China；

2. School of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Gansu Lanzhou 73000， China）

Abstract： A simulator PRO-II was used to simulate the process of quench system in ethylene plant， and the simulated result and the practical data were compared. The simulated data were extracted to find out the important operating parameters affecting the heat recovery of the quench oil and conclude some relation curve graphs of heat recovery quantity of quench oil and operating parameters， such as tower inlet temperature of cracking gas， the reflux ratio of crude gasoline and the output quantity of pyrolysis gas oil， etc. Based on the practical production of plant， the optimized operation condition of the heat recovery of the quench oil was proposed. It provided theoretical basis and data support for optimizing production and operation of quench system in ethylene plant.

Key words： Quench systems； Process simulation； PROII； Heat recovery； Operation optimization

乙烯裂解裝置中的急冷系統(tǒng)是乙烯生產原料裂解后經(jīng)過的第一道工序，具有流程復雜、處理量大、溫度高等特點。急冷系統(tǒng)的作用就是使210 ℃以上的高溫裂解氣經(jīng)此系統(tǒng)處理后，分餾出裂解氣中的輕、重組分，使其溫度降低到40 ℃左右，并把裂解氣帶來的熱量逐級進行回收，以降低整個裝置的能耗[1]。

急冷油系統(tǒng)的熱量回收是乙烯裝置低端熱量回收的主要途徑，其熱量回收的多少對裝置能耗有很大的影響。目前針對國內乙烯裝置急冷系統(tǒng)熱量回收效率不理想這一現(xiàn)狀的研究，主要集中在對急冷系統(tǒng)內設備的工藝改造或結構改造[2-5]。雖然上述改造方法達到了提高熱量回收的效率，降低裝置能耗的效果，但難以提供出可靠理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，更無法確定回收高品位熱量的最佳操作條件。

化工流程模擬技術[6，7]就是借助計算機來“再現(xiàn)”化工生產過程，并得到有關生產過程信息的數(shù)據(jù)。近年來該技術早已被化學工程師所采用，成為生產裝置設計、改造和調優(yōu)的有力工具。文獻[8，9]利用化工流程模擬軟件對急冷系統(tǒng)進行模擬計算，得出了優(yōu)化急冷系統(tǒng)的關鍵操作參數(shù)。文獻[10，11] 對急冷油塔進行模擬，分析了不同工藝設置對產品和能耗的影響。

本文應用化工流程模擬軟件PROII對乙烯裝置急冷系統(tǒng)進行建模仿真，并將探求急冷系統(tǒng)中各操作參數(shù)對急冷油熱量回收的影響，從而提出優(yōu)化熱量回收的操作條件。文中選用的模擬對象為某石化公司80萬t/a的乙烯裝置，數(shù)據(jù)來源為該裝置平穩(wěn)運行時的實際生產數(shù)據(jù)。

1 急冷系統(tǒng)工藝流程簡介

1.1 急冷油系統(tǒng)

急冷油塔（C-1210）從下至上分為三段：急冷油循環(huán)段、盤油循環(huán)段、精餾段。從急冷器出來的210 ℃裂解氣進入C-1210塔底部，經(jīng)循環(huán)急冷油、中部的盤油、頂部的裂解粗汽油逐級冷卻后溫度降低，重組分由塔釜至塔頂逐漸冷凝，輕組分從塔頂排出。C-1210底部分離出的熱急冷油分為兩股，一股循環(huán)后急冷油塔，作為稀釋蒸汽發(fā)生器再沸器的熱源，另一股作為重燃料油汽提塔（C-1230）進料；塔中部抽出的盤油經(jīng)各用戶回收熱量后循環(huán)回到急冷油塔；塔中部側線抽出裂解柴油餾分作為輕質燃料油汽提塔（C-1240）進料；塔頂?shù)牧呀鈿膺M入急冷水塔。來自急冷油塔中部的餾分進入到C-1240塔，塔底通入稀釋蒸汽汽提，去除進料中的輕組分，用來控制裂解汽油的干點，C-1240塔頂產品返回到C-1210塔，C-1240塔底產品為裂解柴油。進入到C-1230塔的急冷油，用來自乙烷爐的裂解氣汽提，將中餾程的產物返回C-1210塔，降低了急冷油塔底的粘度，C-1230塔底的裂解燃料油產品用泵打出送入罐區(qū)。

1.2 急冷水系統(tǒng)

來自急冷油塔的裂解氣從急冷水塔（C-1220）底部進入并直接與循環(huán)急冷水接觸，溫度降低至41℃左右后從塔頂排出，然后進入裂解氣壓縮系統(tǒng)。塔底流出物經(jīng)過油水分離器，分離出的急冷水經(jīng)過換熱器冷卻后，分別回流到C-1220塔的中部和頂部，分離出的裂解粗汽油一部分送C-1210塔做回流，其余部分與裂解氣壓縮機二段吸入罐里出來的汽油混合后作為進料送入汽油汽提塔（C-1250）汽提。C-1250塔頂?shù)腃4及輕組分返回C-1220塔，C-1250塔釜流出的裂解汽油產品送入罐區(qū)。急冷系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 急冷系統(tǒng)工藝流程圖

Fig.1 Process flow sheet of quench system

2 急冷系統(tǒng)的PROII模擬設置

PROII軟件是SIMSCI公司在20世紀90年代年研發(fā)的用于石油、化工等相關專業(yè)的流程模擬系統(tǒng)。

2.1 組分的輸入

模擬乙烯裝置急冷系統(tǒng)的難度首先在于輸入組分的選擇。由于進入到急冷系統(tǒng)的裂解氣組分除了含有大量的水、不溶性氣體和輕烴等外，急冷油和裂解燃料油絕大部分屬于茚、萘、菲及聯(lián)苯類分子量大且復雜的物質。本文中輕組分數(shù)據(jù)來源于該企業(yè)化驗室采用氣相色譜法測定出的數(shù)據(jù)，對于重組分本文采用文獻[12]把C6～C9組分看作裂解汽油，C10～C12組分看作是裂解柴油，剩下的C12以上組分看作是裂解燃料油。裂解氣組成如表1所示，其溫度為210 ℃，壓力為175 kPa，總流量為315.6 t/h。

表1 裂解氣組分及含量

Table 1 Components and content of cracking gas

組分 含量 組分 含量 組分 含量

H2O 40.95 IBUTANE 0.08 TETRALIN 0.361 56

H2 0.53 BUTANE 0.06 4TBUTSTY 0.271 40

CO 0.05 PENTANE 4.11 2MNP 0.261 28

CO2 0.02 BENZENE 1.568 BIPHENYL 0.233 68

METHANE 8.01 11CP 0.192 79 12DPHNLE 0.253 92

ACETHLN 0.28 MCH 0.196 33 DPHM 0.226 32

ETHYLENE 16.51 TOLUENE 0.327 89 1BNP 0.243 80

ETHANE 2.09 EBENZENE 0.784 30 TSTILBEN 0.241 96

PROPYNE 0.21 VINORBOR 0.882 46 1HNP 0.198 72

PROPENE 8.34 CUMENE 1.048 4 1PLIND 0.218 96

PROPDANE 0.31 AMST 0.932 56 TPHET 0.213 44

PROPDIEN 0.20 ODEBZ 0.465 52 MTPH 0.179 40

13BD 2.9 C2PHBUT2 0.214 54 PTPH 0.165 60

1BUTENE 1.85 INDANE 0.123 28 TRIPHET 0.162 84

IBUTENE 0.36 2MINDENE 0.543 72 NC25 0.132 48

C2BUTENE 0.08 1MINDENE 0.471 04 C26以上 1.943 81

2.2 熱力學狀態(tài)方程的選用

裂解氣的急冷過程是一個十分復雜的傳質傳熱過程，其中急冷油塔具有重組分體系分餾作用。SIMSCI公司推薦的符合此類流程特點的熱力學方法有BK10，SRK，PR，GS。文獻[13]中分別使用SRK、PR和BKl0三種熱力學方法對急冷系統(tǒng)進行模擬計算，對比模擬結果相差不大。但SRK對于輕組分在塔頂附近較多時，其運算結果比其它方法要精確一些，所以本文采用SRK狀態(tài)方程為模擬工作的熱力學方法。

2.3 急冷系統(tǒng)模型的建立

搭建模型時，急冷系統(tǒng)各個化工單元均采用PROII系統(tǒng)中所推薦的單元操作模塊和塔算法，如表2所示 。

表2 急冷系統(tǒng)流程模擬單元

Table 2 Process simulation unit of quench system

實際工藝裝置 操作模塊 塔板數(shù) 塔算法

急冷油塔（C-1210） Distillation 16 I/O

急冷水塔（C-1220） Distillation 11 Sure

燃料油汽提塔（C-1230） Distillation 4 I/O

柴油汽提塔（C-1240） Side Column 4 I/O

汽油汽提塔（C-1250） Distillation 9 I/O

各換熱器（E1，2，3，4） Simple HX

2.4 模擬結果及分析

在對急冷系統(tǒng)進行模擬計算后，獲得急冷油塔和急冷水塔重要工藝參數(shù)的分布，結果如表3、表4所示。

表3 急冷油塔模擬結果

Table 3 Simulated result of quench oil tower

理論

板數(shù) 溫度

/℃ 壓力

/ kpa 液相流量

/（kmol·h-1） 氣相流量

（kmol·h-1） 進料流量

/（kmol·h-1） 產品流量

/ （kmol·h-1）

1 103.3 148.00 1 872.8 1 800.1L 18 059.9V

2 108.9 148.80 1 812.7 18 132.7

3 112.3 149.60 1 736.2 18 072.6

4 115.5 150.40 1 650.9 17 996.0

5 119.0 151.20 1 547.1 17 910.8

6 123.2 152.00 1 349.9 17 806.9 64.7V

7 131.4 152.80 733.0 17 545.0 92.5L

8 155.6 153.60 1 356.3 17 020.7 697.8L

9 170.2 154.40 1 310.6 16 946.2

10 178.0 155.20 1 290.8 16 900.4

11 182.0 156.00 1 272.4 16 880.6

12 184.5 156.80 1 245.7 16 862.3

13 186.9 157.60 1 186.2 16 835.5

14 191.1 158.40 2 812.8 16 776.0 2 126.3L 697.8L

15 201.4 159.20 2 875.8 16 974.1

16 209.5 160.00 17 037.1 14 375.8M

2344.9 V 2 559.3L

注：V-氣相；L-液相；M-混合相

從表5可以看出只有重燃料汽提塔和輕燃料汽提塔的產品流量與模擬數(shù)據(jù)存在差別，這主要因為在軟件中裂解氣的組分和真實生產中的組分存在少許差別，其次經(jīng)裂解爐裂解得到的二次油的物性參數(shù)很難在PROII組分數(shù)據(jù)庫準確地算出。除此之外，表5中各個關鍵工藝參數(shù)的模擬結果與實際生產數(shù)據(jù)還是基本吻合的，所以此模擬還是真實的反映出了該急冷系統(tǒng)的實際運行情況，可為后期的研究提供數(shù)據(jù)支持。

表4 急冷水塔模擬結果

Table 4 Simulated result of quench water tower

理論

板數(shù) 溫度

/℃ 壓力

/ kPa 液相流量

/（kmol·h-1） 氣相流量

/（kmol·h-1） 進料流量

/ （kmol·h-1） 產品流量

/ （kmol·h-1）

1 37.8 130.00 16 657.9 16 652.5W 8 760.7V

2 38.2 131.40 16 665.2 8 766.1

3 38.7 132.80 16 673.9 8 773.3

4 39.2 134.20 16 683.8 8 782.1

5 39.8 135.60 16 694.5 8 792.0

6 40.4 137.00 16 705.7 8 802.7

7 41.0 138.40 165 644.5 8 813.9 148 934.7W

8 44.3 139.80 165 709.5 8 818.0

9 51.3 141.20 166 193.8 8 882.9

10 62.6 142.60 168 889.4 9 367.2

11 79.5 144.00 12 062.9 18 059.9V 174 886.5L

注：V-氣相；L-液相；W-水

表5 模擬計算與實際工藝參數(shù)對比

Table 5 Comparisons between the simulated result and the practical process parameters

主要參數(shù) 模擬值 實際值

C-1210塔：頂溫/℃ 103.3 99.8

底溫/℃ 201.8 191.5

塔頂壓力/kPa 148 137

塔頂汽油回流量/（t·h-1） 212 212

急冷油循環(huán)量/（t·h-1） 480 476

C-1220塔： 頂溫/℃ 39.1 40.2

底溫/℃ 89.1 87.4

C-1230塔： 頂溫/℃ 274 269.8

底溫/℃ 253 238.1

裂解燃料油產品量/（t·h-1） 21.4. 25.04

C-1240塔： 頂溫/℃ 123.5 116.4

底溫/℃ 121.6 114.7

裂解柴油產品量/（t·h-1） 12.3 8.96

C-1250塔： 頂溫/℃ 55.3 53.8

底溫/℃ 253 99.9

裂解汽油產品量/（t·h-1） 43.9 45.4

3 影響熱量回收的因素分析及優(yōu)化

從急冷器出來的211 ℃裂解氣中所帶的熱量需要逐級回收。裂解氣所含有的熱量分別是傳遞給急冷油換熱器的，溫度為172.4～206.6 ℃的高品位熱量，此熱量用來發(fā)生稀釋蒸汽和低壓蒸汽；傳遞給盤油換熱器的，溫度為126～183 ℃的中品位熱量；最后傳遞給急冷水換熱器的，溫度為47.4～85 ℃的低品位熱量，通過供給低位工藝用戶而回收。從能量利用效率最佳的角度考慮，如果高品位熱量回收不理想，產生稀釋蒸汽量減少，則需引入中壓蒸汽補到稀釋蒸汽系統(tǒng)，勢必會造成乙烯裝置能耗和稀釋蒸汽量排污量都增大。所以為整個裝置的節(jié)能減排，最大量回收急冷油換熱器所帶的高品位熱量就顯得十分必要。

3.1 裂解氣進料溫度

在生產平穩(wěn)運行時，保持其它參數(shù)不變，研究裂解氣進塔溫度對急冷油換熱器熱量回收影響，計算結果如圖2所示。

圖2 裂解氣進塔溫度對急冷油換熱器熱量回收影響

Fig.2 Influence of temperature entering tower of cracking gas on the heat recovery of heat exchanger of quench oil

從圖2可以看出隨著裂解氣進塔溫度的升高，急冷油換熱器回收的熱量值明顯增大，基本呈線性關系。裂解氣進塔溫度每提高1 ℃，換熱器回收的熱量值就要提高0.15 MMkcal/h。分析其原因，從急冷油塔熱量平衡來看，入塔后裂解氣的熱量主要被循環(huán)急冷油帶出，用于發(fā)生稀釋蒸汽，對受熱面積固定的稀釋蒸汽發(fā)生器而言，在一定的急油循環(huán)量之下，由此回收的熱量值必將隨裂解氣入塔溫度的提高而增加。

3.2 粗汽油回流量

同理可以得出粗汽油的回流量對急冷油換熱器熱量回收影響，計算結果如圖3所示。

圖3 粗汽油回流量對急冷油換熱器熱量回收影響

Fig.3 Influence of quantity reflux of crude gasoline on the heat recovery of heat exchanger of quench oil

從圖3可以看出隨著粗汽油回流量的增加，急冷油換熱器熱量回收值不斷減少。回流量在200 t/h之前變化趨勢不大，回流量在200 t/h之后，粗汽油回流量每增加5 t/h，換熱器回收的熱量值幾乎減少0.9 MMkcal/h。分析其原因，就是急冷油塔總熱量的平衡移動。粗汽油回流的引入除了提供正常操作所需的冷量，還降低了蒸汽的分壓。在粗汽油回流量改變后的不穩(wěn)定狀態(tài)期間，加快了整個急冷油塔的溫度降低，導致急冷油換熱器熱量回收值下降。

3.3 裂解柴油采出量

同理可得出粗側線柴油采出量對急冷油換熱器熱量回收影響，計算結果如圖4所示。

圖4 裂解柴油采出量對急冷油

和盤油換熱器熱量回收影響

Fig.4 Influence of output quantity of pyrolysis gas oil on the heat recovery of heat exchanger of quench oil and cycle oil

從圖4可以看出隨著急冷油塔側線裂解柴油采出量的增加，急冷油換熱器回收熱量值先快速升高，每增加1 t，換熱器回收熱量值就要增加1.2 MMkcal/h，之后穩(wěn)定在10.5 MMkcal/h左右。分析其原因，從急冷油塔物料平衡來看，側線裂解柴油采出的增加意味著輕組分回到急冷油塔塔釜的量減少，造成塔底組分變重，致使在給定壓力下急冷油塔的平衡溫度較高，故急冷油熱量回收值呈現(xiàn)增大趨勢。

3.4 優(yōu)化操作參數(shù)

當前急冷系統(tǒng)平穩(wěn)運行時急冷油換熱器回收的熱量值為7.5896 MMkcal/h，與PROII中模擬值相比并非最優(yōu)。通過上述計算分析可知，在實際生產中為了使急冷油熱量回收量增大，應該從增大裂解氣入塔溫度、裂解柴油采出量和減少粗汽油的回流量等方面考慮。綜合考慮裂解汽油干點、裂解燃料油燃點和重燃料油汽提塔內急冷油的粘度值等產品質量因素，裂解氣進塔溫度應設置在220～225 ℃，粗汽油回流量控制在190～200 t/h，裂解柴油采出量控制在12.5～14 t/h。優(yōu)化后急冷油換熱器熱量回收值達到8.465～9.2944 MMkcal/h，提高了16.53%～22.46%。優(yōu)化后增大了急冷系統(tǒng)高品位熱量的回收，降低了中壓蒸汽量的補入。 （下轉第2334頁）