基于強(qiáng)化傳質(zhì)的節(jié)能型吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程分析

魏 志 強(qiáng)

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

基于強(qiáng)化傳質(zhì)的節(jié)能型吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程分析

魏 志 強(qiáng)

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

提出了一種設(shè)置解吸塔進(jìn)料預(yù)熱器、二級(jí)中間冷凝器、中間再沸器的強(qiáng)化傳質(zhì)與節(jié)能型吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝流程，通過(guò)建立基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程的模擬模型，對(duì)工藝流程進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：通過(guò)設(shè)置進(jìn)料預(yù)熱器，可提高一級(jí)冷凝液相進(jìn)入解吸塔的溫位；通過(guò)將解吸氣與一級(jí)冷凝氣直接混合，可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，降低一級(jí)冷凝器負(fù)荷；節(jié)能流程可強(qiáng)化解吸塔的傳質(zhì)效率，合理降低吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的總公用工程負(fù)荷；相對(duì)于基準(zhǔn)流程，節(jié)能流程的能耗可降低22.02%，解吸塔內(nèi)的氣相和液相負(fù)荷均有所降低，具有強(qiáng)化傳質(zhì)、優(yōu)化節(jié)能、緩解塔內(nèi)氣液相負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)。

吸收穩(wěn)定系統(tǒng) 強(qiáng)化傳質(zhì) 節(jié)能

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)是催化裂化、延遲焦化及加氫裂化的后處理單元，主要是將分餾塔塔頂?shù)拇制秃透粴夥蛛x成液化氣和穩(wěn)定汽油，同時(shí)副產(chǎn)干氣。該系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和用能水平直接關(guān)系到相關(guān)裝置的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在保證吸收穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)品精度的前提下降低能耗的技術(shù)廣受關(guān)注。

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)多采用“四塔”工藝流程，主要由吸收塔、再吸收塔、解吸塔與穩(wěn)定塔組成。按照解吸塔進(jìn)料流程可將吸收穩(wěn)定系統(tǒng)分為3種流程：①冷進(jìn)料工藝流程[1]，該流程吸收效果好，補(bǔ)充吸收劑用量少，但冷進(jìn)料解吸塔內(nèi)C2-含量較高，解吸塔塔底再沸器負(fù)荷偏大；②熱進(jìn)料工藝流程[2-3]，該流程利用穩(wěn)定汽油余熱，將凝縮油罐液相溫位提高后進(jìn)入解吸塔中上部，可有效降低解吸塔再沸器負(fù)荷，但會(huì)增大解吸氣量，吸收效果也較差，吸收塔冷卻負(fù)荷較大；③雙股冷熱進(jìn)料流程[4-5]，將凝縮油罐底部液相分成兩股，一股冷進(jìn)料進(jìn)入解吸塔頂部，另一股冷進(jìn)料與穩(wěn)定汽油換熱后進(jìn)入塔中上部，該流程綜合了冷進(jìn)料和熱進(jìn)料工藝的優(yōu)點(diǎn)，既可減少解吸氣量和補(bǔ)充吸收劑量，又可降低解吸塔塔底再沸器負(fù)荷，但由于兩股進(jìn)料的組成相同，使解吸塔兩進(jìn)料板之間形成返混，降低了解吸塔的傳質(zhì)效率。此外，在解吸塔設(shè)置中間再沸器[1]、進(jìn)料二級(jí)冷凝器[5-6]也是吸收穩(wěn)定系統(tǒng)節(jié)能降耗研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中解吸塔設(shè)置中間再沸器可在不過(guò)度增加塔頂解吸氣量的同時(shí)，降低解吸塔再沸器負(fù)荷；對(duì)壓縮富氣進(jìn)行二級(jí)冷凝的流程可有效降低系統(tǒng)的冷卻負(fù)荷，在一定程度上避免解吸塔返混。

盡管研究者對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)提出了眾多的改造方案，但在降低吸收穩(wěn)定系統(tǒng)能耗、強(qiáng)化傳質(zhì)等方面還存在一定的潛力。基于此，本課題提出一種設(shè)置解吸塔進(jìn)料預(yù)熱器、二級(jí)冷凝器與中間再沸器的復(fù)合節(jié)能型吸收穩(wěn)定工藝流程，通過(guò)流程模擬、工藝流程分析與評(píng)價(jià)，為吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的強(qiáng)化傳質(zhì)、節(jié)能降耗提供技術(shù)支持。

1 節(jié)能型工藝流程

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的解吸過(guò)程一般采用二級(jí)冷凝器與中間再沸器相結(jié)合的工藝流程，本文稱(chēng)為基準(zhǔn)流程[5S]，如圖1(a)所示。對(duì)基準(zhǔn)流程進(jìn)行分析可知：凝縮油罐的目的是為了分離出壓縮富氣、解吸氣、富吸收油混合物的輕組分(C2-)，提高吸收塔氣相進(jìn)料中輕組分的含量，最終提高“干氣”中C2-的含量；解吸塔的目的也是為了解吸出凝縮油中輕組分，提高吸收塔氣相進(jìn)料中C2-的含量，最終提高“干氣”品質(zhì)。因此，凝縮油罐頂氣相與解吸氣的組成與露點(diǎn)相近，在分離過(guò)程中可將一級(jí)凝縮油罐頂氣相與解吸氣混合冷凝后再進(jìn)行二次分離，以強(qiáng)化系統(tǒng)的吸收與解吸過(guò)程。此外，考慮到一級(jí)凝縮油罐底液相溫度較低，而穩(wěn)定汽油余熱較為充足，因此可將穩(wěn)定汽油產(chǎn)品用于預(yù)熱一級(jí)凝縮油罐底液相，以降低解吸塔再沸器與穩(wěn)定汽油冷卻器負(fù)荷，減小系統(tǒng)的總能耗。基于此，提出一種強(qiáng)化傳質(zhì)與節(jié)能型二級(jí)冷凝器與中間再沸器復(fù)合的吸收穩(wěn)定工藝流程，簡(jiǎn)稱(chēng)為節(jié)能流程，如圖1(b)所示[7]，圖中紅色線條表示新增設(shè)的裝置與管線。

圖1 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程示意D1—吸收塔； D2—再吸收塔； D3—解吸塔； D4—穩(wěn)定塔； A—一級(jí)凝縮油罐； B—二級(jí)凝縮油罐； CX1—吸收塔一級(jí)中間冷凝器；CX2—吸收塔二級(jí)中間冷凝器； CX3—一級(jí)凝縮油罐前冷卻器； CX4—二級(jí)凝縮油罐前冷卻器； CX5—穩(wěn)定塔塔頂冷凝器；CX6—穩(wěn)定汽油產(chǎn)品冷卻器； HX1—解吸塔塔底再沸器； HX2—解吸塔中間再沸器； HX3—穩(wěn)定塔進(jìn)料預(yù)熱器；HX4—穩(wěn)定塔塔底再沸器； HX5—解吸塔進(jìn)料預(yù)熱器

與基準(zhǔn)流程相比，節(jié)能流程僅增加了一級(jí)凝縮油罐底液與穩(wěn)定汽油換熱器(HX5)，同時(shí)將解吸塔塔頂氣相物流與一級(jí)凝縮油罐頂氣相物流混合冷凝。節(jié)能流程具體可描述如下：壓縮富氣與吸收塔塔底液混合后經(jīng)冷凝器(CX3)冷卻至一定溫度后進(jìn)入一級(jí)凝縮油罐，該罐的頂部氣相與解吸塔塔頂氣相混合后經(jīng)冷凝器(CX4)冷凝后進(jìn)入二級(jí)凝縮油罐中，罐底液相與穩(wěn)定汽油換熱后進(jìn)入解吸塔中上部；二級(jí)凝縮油罐頂氣相直接進(jìn)入吸收塔底部，液相進(jìn)入解吸塔的第一塊塔板；粗汽油與補(bǔ)充吸收劑從吸收塔的塔頂進(jìn)入塔內(nèi)，吸收塔塔頂氣相直接進(jìn)入再吸收塔底部，塔底液相作為富吸收油與壓縮富氣混合冷卻后進(jìn)入一級(jí)凝縮油罐；輕柴油作為再吸收劑從再吸收塔塔頂進(jìn)入塔內(nèi)，與吸收塔塔頂氣相在再吸收塔內(nèi)再次接觸吸收脫出C3+組分，再吸收塔塔頂獲得“干氣”，塔底的富吸收油返回主分餾塔；解吸塔塔頂氣相與一級(jí)凝縮油罐頂氣相混合冷凝后進(jìn)入二級(jí)凝縮油罐，解吸塔塔底液相經(jīng)穩(wěn)定汽油預(yù)熱后進(jìn)入穩(wěn)定塔中部；穩(wěn)定塔塔頂獲得液化氣產(chǎn)品，塔底獲得穩(wěn)定汽油產(chǎn)品，經(jīng)冷卻后輸出裝置。

2 流程模擬

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表1 壓縮富氣的組成

2.2 參數(shù)規(guī)定及熱力學(xué)方法

在對(duì)基準(zhǔn)流程進(jìn)行模擬時(shí)，各分餾塔的塔板效率采用文獻(xiàn)[8]中的方法計(jì)算。工藝過(guò)程的流程模擬中，模擬參數(shù)規(guī)定及變量選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，本吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的模擬中，各塔的塔板效率、模擬參數(shù)規(guī)定及變量選擇見(jiàn)表3，熱力學(xué)計(jì)算方法采用SRK方法[9]。

表2 粗汽油、壓縮富氣、輕柴油進(jìn)料的性質(zhì)

表3 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中各塔的塔板效率及參數(shù)規(guī)定

注：NT，NC，η分別表示實(shí)際塔板數(shù)、理論塔板數(shù)、塔板效率。

2.3 模擬結(jié)果

采用Aspen Plus V 8.4建立基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的模擬模型。兩種流程中物料流量和操作參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果比較分別見(jiàn)表4和表5。由表4和表5可知，兩種流程的模擬結(jié)果均顯示各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，表明所采用的模擬方法能較準(zhǔn)確地反映分離過(guò)程。

節(jié)能流程中一級(jí)凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相的組成見(jiàn)表6。由表6可知：在節(jié)能流程中，一級(jí)凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相均主要由C1～C2，C3～C4，C5～C6以及H2，CO，CO2等組成，且各組分的摩爾分?jǐn)?shù)相近，表明解吸氣與一級(jí)冷凝氣的組成、露點(diǎn)相近，若將解吸氣與一級(jí)冷凝氣相混合，則可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，顯著降低一級(jí)冷凝器負(fù)荷。

表4 物料流量模擬結(jié)果對(duì)比

表5 操作參數(shù)模擬結(jié)果對(duì)比

圖2為基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的解吸塔內(nèi)氣、液負(fù)荷對(duì)比。由圖2可知，節(jié)能流程的解吸塔內(nèi)氣相和液相負(fù)荷均小于基準(zhǔn)流程。在節(jié)能流程中，由于解吸氣與一級(jí)凝縮油罐頂部氣相混合后冷凝，使進(jìn)入一級(jí)凝縮罐的進(jìn)料流量降低，因此也降低了解吸塔的處理量，最終降低解吸塔內(nèi)的氣、液相負(fù)荷；又由于二級(jí)冷凝工藝可有效降低解吸塔進(jìn)料中的C2-組分量，所以在圖3中表現(xiàn)為液相負(fù)荷大于氣相負(fù)荷。此外，由于兩種流程均采用冷、熱雙股進(jìn)料，解吸塔的熱進(jìn)料均從第2塊塔板進(jìn)料，因此第2塊理論板存在液相負(fù)荷的突變。

表6 一級(jí)凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相的組成 摩爾分?jǐn)?shù)，%

圖2 解吸塔內(nèi)氣、液相負(fù)荷對(duì)比●—節(jié)能流程的液相流量; ▲—基準(zhǔn)流程的液相流量; ■—基準(zhǔn)流程的氣相流量; ◆—節(jié)能流程的氣相流量

圖3 解吸塔內(nèi)損、溫度分布示意 —基準(zhǔn)流程; —節(jié)能流程

3 流程評(píng)價(jià)

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的熱公用工程主要包括解吸塔塔底再沸器所消耗的蒸汽、穩(wěn)定塔塔底再沸器所消耗的蒸汽；冷公用工程主要包括一級(jí)、二級(jí)凝縮油罐前冷凝器所消耗的循環(huán)冷卻水、吸收塔一級(jí)中間冷凝器和二級(jí)中間冷凝器所消耗的循環(huán)冷卻水、穩(wěn)定塔塔頂冷凝器所消耗的循環(huán)冷卻水以及穩(wěn)定汽油產(chǎn)品冷卻器所消耗的循環(huán)冷卻水。為了使基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的對(duì)比更加合理，設(shè)定兩者的進(jìn)料與產(chǎn)品完全相同，并設(shè)定兩者吸收塔塔頂?shù)难a(bǔ)充吸收劑流量相同，僅僅通過(guò)調(diào)節(jié)解吸塔進(jìn)料預(yù)熱器負(fù)荷、解吸塔中間再沸器負(fù)荷以及吸收塔一級(jí)中間冷凝器和二級(jí)中間冷凝器負(fù)荷來(lái)保證兩種流程的進(jìn)、出物料相同。在相同進(jìn)料量和產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的主要冷、熱負(fù)荷比較如表7所示。

節(jié)能流程充分利用穩(wěn)定汽油的余熱，可有效降低解吸塔塔底再沸器與穩(wěn)定汽油冷卻器負(fù)荷；另外，考慮到解吸氣與一級(jí)冷凝氣的組成、露點(diǎn)相近，將解吸氣與一級(jí)冷凝氣相混合，可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，降低一級(jí)冷凝器負(fù)荷。由表7可知，與基準(zhǔn)流程相比，節(jié)能流程中解吸塔塔底再沸器負(fù)荷降低57.11%，凝縮油罐冷凝器的總冷凝負(fù)荷降低39.06%，穩(wěn)定汽油冷卻器負(fù)荷下降46.01%，吸收塔一級(jí)中間冷凝器和二級(jí)中間冷凝器的總冷卻負(fù)荷上升41.72 %，系統(tǒng)的冷、熱公用工程負(fù)荷分別降低13.05%和18.63%。根據(jù)能耗折算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的基準(zhǔn)流程和節(jié)能流程能耗分別為757.42 MJt和590.63 MJt，與基準(zhǔn)流程相比，節(jié)能流程的能耗降低22.02%。

表7 基準(zhǔn)流程與節(jié)能流程的主要能耗對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 在滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，通過(guò)流程改進(jìn)，可充分利用穩(wěn)定汽油產(chǎn)品余熱，減小穩(wěn)定汽油產(chǎn)品的冷卻負(fù)荷，提高解吸塔的進(jìn)料溫度，降低解吸塔塔底再沸器負(fù)荷，進(jìn)而提高系統(tǒng)的能量利用效率。

(2) 基于分離設(shè)備的功能，考慮到一級(jí)凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相具有近似相同的組成與露點(diǎn)，將兩者混合后再冷凝，可有效降低二級(jí)凝縮油罐前冷凝器負(fù)荷，提高吸收塔的吸收效率，最終降低系統(tǒng)能耗。

(3) 相對(duì)于基準(zhǔn)流程，節(jié)能流程的能耗可降低22.02%，解吸塔內(nèi)的氣相和液相負(fù)荷均有所降低，可實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)與節(jié)能的協(xié)同優(yōu)化與強(qiáng)化。

[1] 田濤，王北星，楊帆.催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改進(jìn)方案對(duì)比研究[J].石油煉制與化工，2011，42(3)：75-79

[2] 張健民，李松年.一種新的催化裂化裝置吸收解吸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工)，2000，16(6)：35-40

[3] 黃明富，黃廣鵬.催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化研究[J].石油石化節(jié)能，2015(1)：1-3

[4] 支紅利，程光旭，楊永，等.催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)解吸塔雙股進(jìn)料的總體優(yōu)化[J].化工進(jìn)展，2004，23(1)：91-94

[6] 秦婭，周文娟，李鑫鋼.催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝節(jié)能[J].化工進(jìn)展，2006，25(S1)：54-56

[6] 李國(guó)濤，隋紅，王漢明，等.吸收穩(wěn)定系統(tǒng)節(jié)能流程的開(kāi)發(fā)[J].化工進(jìn)展，2010，29(8)：1423-1428

[7] 魏志強(qiáng)，張冰劍，陳清林，等.一種強(qiáng)化傳質(zhì)及高效節(jié)能型吸收穩(wěn)定系統(tǒng)：中國(guó)，CN 201110000183.3[P].2011-01-05

[8] 曹湘洪.石油化工流程模擬技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010

[9] 雷楊，曾丹林，王光輝，等.強(qiáng)化吸收過(guò)程的吸收穩(wěn)定節(jié)能流程及模擬分析[J].石油煉制與化工，2015，46(11)：82-86

ANALYSISOFENERGYSAVINGABSORPTION-STABILIZATIONSYSTEMBASEDONINTENSIFIEDMASSTRANSFER

Wei Zhiqiang

(SINOPECEngineeringIncorporation，Beijing100101)

This paper introduced a simulated process consisting of mass transfer intensified and energy-saving absorption-stabilization system，which involves a feed preheater for desorption tower，two-stage condenser，and intermediate reboiler.The comparison of the simulated process with a basic process which only consists of a two stage-condenser and intermediate reboiler was conducted.It is found that the temperature of the first-stage condensed liquid phase entering the desorption tower is increased by feed preheater，and the duty of the first-stage condenser is decreased due to the direct mixing of desorbed gas with the gas from the first stage condenser instead of mixing of the desorbed gas with the bottom oil of the absorption tower and the compressed rich gas.Moreover，the mass transfer efficiency of desorption tower is improved and the overall utility consumption is reduced.Compared with the reference process，the energy consumption of the new process is reduced by 22.02%.Gas and liquid loads in the desorption tower are both reduced.The new process has advantages of mass transfer intensification，energy saving and low-loads of gas-liquid phase in the desorption tower.

absorption-stabilization system； mass transfer intensification； energy saving

2017-01-04；修改稿收到日期： 2017-03-13。

魏志強(qiáng)，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要從事石化節(jié)能工作，公開(kāi)發(fā)表論文15篇，申請(qǐng)專(zhuān)利8項(xiàng)。

魏志強(qiáng)，E-mail：weizhiqiang.sei@sinopec.com。

中國(guó)石油化工股份有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(316050，CLY16082)。