煉油廠燃料氣回收液化氣過程的設計與控制研究

商先永，薛長勇，楊義磊，鐘 旺，朱敏燕，孫蘭義

(1.中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2.萬華化學集團股份有限公司)

液化氣(LPG)是烴類氣體，主要為C3和C4的混合物，具有比天然氣(熱值38 MJm3)更高的熱值(94 MJm3)。LPG的確切組成根據其來源、加工原理、季節而有所變化，例如，在冬季含有更多的C3，在夏季含有更多的C4[1]。LPG主要包括煉油廠液化氣、裂解液化氣、油田氣回收液化氣等，其中90%的LPG由煉油廠產生[2]。由于輕烴組分較難分離，很多有價值的產品作為燃料或進入火炬燃燒[3]，造成了資源的嚴重浪費和環境污染，且近年來煉油廠經濟效益逐步下滑，如何最大限度地從燃料氣或工藝廢氣中回收高價值的產品，受到了越來越多的重視。

在煉油廠中，燃料氣由各種類型的單元產生，包括催化裂化單元、催化重整單元、加氫單元、延遲焦化單元和原油蒸餾單元。目前，已有許多LPG回收方法(如深冷或吸收工藝)，但普遍存在能耗高的缺點[4-5]。對精餾節能工藝的研究具有重要意義[6]，隔壁塔作為一種完全熱耦合結構，在降低過程能耗和設備投資中具有優越性[7-8]。本研究針對現有流程冷凍法冷凝脫輕塔塔頂氣體操作費用高的缺點，首先增大脫輕塔操作壓力，提出了一種改進流程；在改進流程的基礎上回流脫重塔塔釜產品，提出了一種更為節能的流程；最后通過隔壁塔等效模型的建立，驗證GTC公司提出的隔壁塔技術用于LPG回收工藝的可行性[9-10]，并且采用Aspen Dynamics軟件對隔壁塔流程的動態性能與控制結構進行研究。在穩態設計過程中，通過在Aspen Plus軟件中編寫相應的年總費用(TAC)計算式并配合靈敏度分析功能，實現3種LPG回收方案節能效果的對比。

1 穩態設計

1.1 常規流程

在煉油廠的原始工藝中，利用昂貴的冷凍劑對脫輕塔塔頂物流進行冷凝，大幅增加了操作費用。為解決這一弊端，通過增大脫輕塔操作壓力，以提升塔頂餾出物流的冷凝溫度，流程如圖1所示。本流程包含兩個精餾塔，依次對燃料氣中的輕、重組分進行脫除，得到中間沸點的LPG產品。燃料氣首先進入脫輕塔(T101)，對C2及以下的輕組分進行脫除，接著塔釜液相進入脫重塔(T102)，對C5及以上的重組分進行脫除，最終在T102塔頂得到LPG產品。為利用價格低廉的冷卻水對塔頂物流進行冷凝，需保證T101壓力不低于3.5 MPa。

圖1 LPG回收常規流程(方案一)

T101操作壓力的增大必然會引起塔釜溫度的升高，高壓蒸汽的使用同樣會增加過程能耗，基于此提出了圖2所示的另一種LPG回收方案。本流程中，T102塔釜產品冷卻后作為T101塔頂回流液，取消原T101塔頂冷凝器，其操作壓力降為1.0 MPa。

圖2 LPG回收常規流程(方案二)

1.2 隔壁塔流程

通過對LPG常規流程進行分析，在方案二的基礎上，用單個隔壁塔替換T101和T102，提出了用于從煉油廠燃料氣中回收LPG的隔壁塔流程，如圖3所示，其中αv為氣相分配比。與流程二相比，該流程減少了一個塔殼和一個再沸器。為了在Aspen Plus中實現對隔壁塔的模擬，將其等效為圖4所示的“預分餾塔(T1)+主塔(T2)”兩塔模型。

圖3 LPG回收隔壁塔流程(方案三)

圖4 隔壁塔兩塔等價模型

2 過程優化與結果討論

為了對過程工藝的經濟性進行評估，本研究采用TAC作為衡量指標。根據Douglas[12]對TAC的定義，TAC主要包括操作費用和設備投資費用。計算公式和公用工程單價與文獻[13]相同，設備回收期為3年。以TAC為目標函數，采用序貫迭代法對各流程作經濟優化，相關變量包括T101T1的理論板數N1及進料位置NF1，T102T2的理論板數N2，T102的進料位置NF2，T2的側線抽出位置NV，優化流程如圖5所示，各流程的詳細設計規定見流程優化部分。

圖5 LPG回收優化流程

2.1 流程優化

2.1.1方案一流程優化圖6為方案一優化后的流程示意，其中Q為流程中換熱設備的負荷。在對流程進行優化時，需在塔模塊的DesignSpecs中添加設計規定，通過調節回流比和塔頂采出量，嚴格限制LPG產品的純度(≥96%)和回收率(≥90%)。表1為方案一的流程優化結果。

圖6 方案一優化后的流程示意

表1 方案一的流程優化結果

2.1.2方案二流程優化T102塔釜產品的回流量對T101塔釜輕組分含量有重要影響，進而會影響LPG產品的純度和回收率。因而，在對T101進行優化時，為保證LPG產品的純度和回收率，選擇塔頂采出量和重組分產品循環量作為調節變量。方案二優化后的流程信息和結果如圖7和表2所示。

圖7 方案二優化后的流程示意

表2 方案二的流程優化結果

2.1.3方案三流程優化隔壁塔的變量間存在著嚴重的耦合作用，在單塔中添加設計規定保證產品純度和回收率的方法不再適用。αv作為隔壁塔的關鍵參數之一，對于產品的回收率起著至關重要的作用，因此在對本流程優化時，將其設置為全局設計規定的調節變量。具體如下：添加全局設計規定，調節重組分產品循環量和氣相分配比，限制預分餾塔塔底液相輕組分含量和LPG產品的回收率；添加塔內設計規定，調節主塔的回流比和采出量，共同保證LPG產品的純度。此外，在模擬中發現，隔壁塔的隔板段與公共提餾段塔徑相差17.3%，需對隔壁塔進行變徑處理。方案三優化后的流程信息和結果如圖8和表3所示。

圖8 方案三優化后的流程示意

表3 方案三的流程優化結果

2.2 結果分析與討論

通過對比表1～表3可以發現：①方案二中T101的塔徑相對于方案一中T101的塔徑明顯減小，這與其塔內較低的氣液相負荷分布相一致。②相對于常規流程的方案一和方案二，隔壁塔流程分別節能15.72%和11.56%。③比較方案一與方案二，方案二的操作費用節省34.11%，一方面是因為流程在改進后能耗有所降低，另一方面是因為隨T101操作壓力的降低，塔釜溫度由159 ℃降為84 ℃，可以采用較低等級的熱源進行加熱；設備投資費用節省23.96%，這主要得益于方案二中T101塔徑的顯著減小；綜合來看，改進流程總TAC節省29.68%。④比較方案一與方案三，方案三的操作費用節省42.07%，除上述原因外，還與隔壁塔塔內物流返混程度的減少密切相關；設備投資費用節省31.97%，主要是由塔板數減少、塔徑減小和再沸器費用降低造成的；綜合來看，流程三的總TAC節省37.66%。⑤比較方案二與方案三，方案三的操作費用節省12.07%，主要原因在于隔壁塔可以在一定程度上減小返混，從而使得能耗得以降低；設備投資費用節省10.53%，主要原因在于隔壁塔減少了一個塔殼與一個再沸器；綜合來看，隔壁塔流程的總TAC節省11.35%。由此可見，隔壁塔在煉油廠燃料氣回收LPG工藝中表現出較大的經濟優勢，具有一定的經濟可行性。

3 隔壁塔流程控制研究

由于煉油廠燃料氣回收LPG過程中組分數較多，且隔壁塔流程的變量間具有高度耦合性，因此有必要對隔壁塔流程的動態特性進行研究，提出一種有效的控制方案，以保證系統引入進料擾動后，仍能維持較高的LPG產品純度。根據靈敏度判據，提出四點溫度控制方案，即選擇T1的第7塊和第18塊塔板作為溫度控制板，選擇T2的第6塊和第31塊作為溫度控制板。將穩態模擬導入到Aspen Dynamics之前，添加必要的泵、壓縮機和閥門，在確定設備尺寸時規定當停留時間為5 min時，流體的總體積占設備體積的一半。

導入Aspen Dynamics軟件后，初始化運行，建立控制結構。控制結構描述如下：T1塔壓由塔頂氣體流量控制，T2塔壓由塔頂冷凝器負荷控制；T1回流罐液位由塔頂產品流量控制，T1和T2塔底液位分別由塔底液相流量控制；換熱器E101出口工藝物流溫度由公用工程流量控制；T1的第7塊塔板溫度由塔頂重組分的回流量控制，減少塔頂LPG的損失；T1的第18塊塔板溫度由進入塔底的蒸汽流量控制，防止輕組分進入T2造成LPG產品純度不達標；T2的第6塊塔板溫度由塔頂回流量控制，保證塔頂LPG產品純度；T2的第31塊塔板溫度由塔底再沸器負荷控制，防止LPG進入塔底造成產品損失。控制結構中，液位控制器為比例控制器，其他控制器均為比例積分控制器。通過繼電-反饋測試確定溫度控制器的參數，并加入1 min死區時間，模擬溫度測量的時間延遲。

為測試上述控制結構性能，在動態模擬穩定運行2 h后，系統引入進料擾動并對控制結果進行監控[14]。圖9為進料流量(F)變化±20%時關鍵過程變量的動態響應圖。圖10為進料中C3含量(Z)變化±20%時關鍵過程變量的動態響應圖。從圖9可以看出，當進料流量變化±20%時，T2回流量比例發生變化，使得靠近塔頂的靈敏板溫度在經歷微小波動后快速恢復到初始值，從而保證了LPG產品能夠維持在較高的純度。從圖10可以看出，當進料中C3含量變化±20%時，在操縱變量的迅速響應下，溫度控制點很快回到設定值，LPG產品能夠維持在較高純度。因此，提出的四點溫度控制方案能夠很好地抵抗進料流量和進料組成擾動。

圖9 進料流量變化±20%時關鍵過程變量動態響應圖 —F+20%； —F-20%

圖10 進料C3含量變化±20%時關鍵過程變量動態響應圖 —Z+20%； —Z-20%

4 結 論

在現有煉油廠燃料氣回收LPG流程的基礎上，分別研究了3種回收LPG的流程方案，對3種流程方案進行穩態模擬與優化。結果表明：隔壁塔流程較常規流程方案一節能效果顯著，操作費用節省42.07%，設備投資費用節省31.97%，TAC節省37.66%；隔壁塔流程與常規流程方案二相比，操作費用節省12.07%，設備投資費用節省10.53%，TAC節省11.35%，具有一定的經濟可行性，對于以后類似裝置的改造和新建有很好的借鑒意義。此外，對煉油廠燃料氣回收LPG隔壁塔流程的動態特性進行了研究，提出了四點溫度控制方案，在系統引入進料流量和進料組成擾動后，能夠將LPG產品純度維持在設定值附近，表現出良好的可控性。由此可見，隔壁塔在煉油廠燃料氣回收LPG工藝中具有非常高的應用潛力。值得注意的是，隔壁塔將兩塔集于一塔，隔板兩側由于溫差的不同會對塔內的傳熱和傳質過程造成一定的影響，使得裝置對波動的適應性大大降低，在工業設計過程中需進行更為全面的考慮和必要的風險分析。