柴油加氫改質(zhì)分餾塔的模擬與優(yōu)化分析

倪家俊，馬文禮

（中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834003）

150×104t/a柴油加氫改質(zhì)裝置由中國石化工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，中油七建承建，裝置于2012年4月一次性開車成功。此裝置主要以催化、焦化、蒸餾柴油和部分抽出油為原料，通過中壓加氫改質(zhì)—中間餾分油加氫補(bǔ)充精制組合工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)國Ⅴ柴油及輕、重石腦油。

該裝置投產(chǎn)后，由于原料性質(zhì)變化及產(chǎn)品質(zhì)量控制原因，產(chǎn)品分餾塔部分操作參數(shù)與設(shè)計(jì)值相比發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致原始設(shè)計(jì)參數(shù)已不能實(shí)現(xiàn)目前分餾塔的最優(yōu)化操作。文中利用Aspen Plus軟件建立目前工況下產(chǎn)品分餾塔的流程模擬模型，重點(diǎn)考察了塔底吹汽、進(jìn)料溫度和中段回流量對產(chǎn)品分餾塔操作及產(chǎn)品性質(zhì)的具體影響，并根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)要求對上述參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，力求為以后的操作調(diào)整提供一定的理論支持。

1 改質(zhì)分餾塔C-3202模擬模型的建立

1.1 C-3202的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于150×104t/a改質(zhì)裝置加工的原料經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，考慮到模擬計(jì)算的結(jié)果能適用于目前現(xiàn)有的操作，文中以2016年采集的C-3202的各項(xiàng)參數(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量分析作為模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)見表1、2。

表1 分餾塔C-3202各項(xiàng)參數(shù)

表2 分餾塔C-3202產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)（ASTMD86/℃）

1.2 建立操作流程圖

應(yīng)用Aspen Plus餾程模擬軟件，可以繪制出150×104t/a改質(zhì)分餾塔流程圖，見圖1。

1.3 熱力學(xué)方法的選用

通過參閱大量文獻(xiàn)以及試驗(yàn)性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對于操作壓力為近似常壓的分餾塔C-3202，采用GRAYSON物性方法計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)符合較好。油品閃點(diǎn)計(jì)算方法選用如下公式［1］：

式中TVV—閉口閃點(diǎn)，K；TN，10—恩式蒸餾10%（體積）點(diǎn)溫度，K。

圖1 150×104 t/a改質(zhì)分餾塔模擬流程

1.4 塔板效率的選擇

采用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行分餾塔的模擬時要將實(shí)際的塔板數(shù)折算為理論塔板數(shù)，因此需要選擇合理的塔板效率。文中參考相關(guān)文獻(xiàn)及試驗(yàn)計(jì)算，最終確定塔C-3202實(shí)際塔板效率見表3。側(cè)線汽提塔C-3203、C-3204由于汽液負(fù)荷小，塔板效率低，因此側(cè)線塔只計(jì)入2塊理論板。

表3 C-3202實(shí)際塔板折算結(jié)果

1.5 模型驗(yàn)證

根據(jù)進(jìn)料數(shù)據(jù)以及分餾塔參數(shù)建立改質(zhì)分餾塔C-3202模型，將模擬結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果分別見表4、5。由表4、5可以看出塔參數(shù)及產(chǎn)品餾程模擬值與實(shí)際值基本一致，模擬精度較高、可以進(jìn)行進(jìn)一步的綜合分析。

表4 塔模擬結(jié)果與實(shí)際值對比

表5 產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)對比（ASTMD86/℃）

2 模擬與優(yōu)化分析

2.1 塔底吹汽對塔操作及產(chǎn)品質(zhì)量的影響

保持分餾塔進(jìn)料溫度、塔壓、中段及塔底產(chǎn)品量等參數(shù)不變，塔底通入不同流量、溫度、壓力的蒸汽，模擬不同工況下分餾塔相關(guān)參數(shù)及產(chǎn)品性質(zhì)的變化。

（1）吹汽量及吹汽溫度對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響

塔底吹汽對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響分別圖2、3。可以看出，吹汽溫度對產(chǎn)品柴油及改質(zhì)煤油的閃點(diǎn)影響不大，當(dāng)吹汽量為2 000 kg/h、吹汽溫度從185℃增至285℃時，產(chǎn)品柴油及改質(zhì)煤油的閃點(diǎn)變化均小于0.5℃，因此為避免吹汽帶水，塔底吹氣溫度只需過熱即可。吹汽量對產(chǎn)品柴油閃點(diǎn)影響較大，對改質(zhì)煤油的閃點(diǎn)影響不大，當(dāng)吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，產(chǎn)品柴油的閃點(diǎn)平均增加1.05℃，改質(zhì)煤油的閃點(diǎn)只減小了約0.13℃。目前柴油閃點(diǎn)平均在100℃以上，遠(yuǎn)高于指標(biāo)57℃，因此分餾塔底吹汽量存在進(jìn)一步降低的可能。

圖2 塔底吹汽對產(chǎn)品柴油閃點(diǎn)的影響

圖3 塔底吹汽對改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響

（2）吹汽量及吹汽溫度對塔底溫度的影響

吹氣量及吹汽溫度對分餾塔底溫的影響見圖4。可以看出，提高塔底吹汽過熱溫度可以提高分餾塔底溫度，當(dāng)吹汽量為2 000 kg/h時，吹汽溫度每增加50℃，塔底溫度便上升0.76℃。吹汽量對塔底溫度的影響顯著，吹汽量越大，塔底溫度越低，越不利于柴油出裝置流程能量的利用及換熱。吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，塔底溫度平均下降4.23℃，因此在高溫天氣柴油外送溫度過高，出裝置流程換熱調(diào)節(jié)無效果時，可以考慮適當(dāng)增加吹氣量來降低塔底柴油溫度，但這同時會增加塔頂負(fù)荷，需綜合考慮。

圖4 吹汽量及吹汽溫度對分餾塔底溫的影響

（3）吹汽量對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響

吹汽量對分餾塔頂冷卻器負(fù)荷的影響見圖5。可以看出塔底吹氣量對塔頂冷卻器負(fù)荷影響顯著，整體呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，塔頂冷卻器負(fù)荷平均增加約647.9 kW，因此塔底吹汽量不宜過大。

圖5 吹汽量對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響

（4）吹汽量對柴油初餾點(diǎn)的影響

對于產(chǎn)品組成已知的分餾塔體系，其塔頂、側(cè)線以及塔底物料的流量已經(jīng)確定。僅改變塔底通入的蒸汽流量，可得出塔底柴油初餾點(diǎn)變化曲線，見圖6。由圖6可知，隨著塔底蒸汽流量的增加，塔底產(chǎn)品初餾點(diǎn)整體呈上升趨勢，特別是在蒸汽量較小時，塔底產(chǎn)品初餾點(diǎn)上升非常明顯。進(jìn)一步增加蒸汽量，塔底產(chǎn)品初餾點(diǎn)上升速度變緩，最終趨于定值，由于對特定分餾塔體系，塔底產(chǎn)品的量及組成已知，加大蒸汽量只能達(dá)到預(yù)定的分離效果，不可能無限制地將輕組分拔出。

分餾塔塔底吹汽流量應(yīng)選擇在使塔底產(chǎn)品初餾點(diǎn)快速變化的區(qū)域內(nèi)，既滿足分餾塔分離精度的要求，又可減少塔底吹掃蒸汽量，有助于降低能耗和投資［2～4］。結(jié)合圖6可以看出，當(dāng)改質(zhì)產(chǎn)品分餾塔底吹汽處于500～1 500 kg/h范圍時，柴油初餾點(diǎn)變化速度較快。目前塔底吹汽量為2 000 kg/h，稍高于這一區(qū)間，此外目前工況下航煤充當(dāng)柴油調(diào)和組分，塔底柴油初餾點(diǎn)未明確指定指標(biāo)范圍，因此塔底吹汽量還可進(jìn)一步降低。

圖6 吹汽量對柴油初餾點(diǎn)的影響

2.2 中段回流對塔操作及產(chǎn)品質(zhì)量的影響

保持分餾塔進(jìn)料溫度、塔壓、吹汽量及塔底產(chǎn)品量等參數(shù)不變，通過改變中段回流量，模擬分析不同工況下分餾塔相關(guān)參數(shù)及產(chǎn)品性質(zhì)的變化。

（1）中段回流對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響

中段回流對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響見圖7。可以看出，隨著中段回流量的增加，分餾塔頂冷卻器負(fù)荷顯著減小，整體呈現(xiàn)線性遞減關(guān)系，中段回流量每增加10 000 kg/h，塔頂冷卻器負(fù)荷平均減小約538.3 kW。目前改質(zhì)分餾塔頂空冷器有效功率為105.6 kW［5］，以此數(shù)據(jù)來計(jì)算，平均中段回流每增加1 961 kg/h，就相當(dāng)于塔頂可停用一臺空冷，可見節(jié)能潛力巨大。但是，中段回流也不能無限增加，一方面會造成中段回流泵超負(fù)荷運(yùn)行，影響設(shè)備運(yùn)行安全，另一方面也會導(dǎo)致循環(huán)回流上部塔段內(nèi)回流減少，影響產(chǎn)品質(zhì)量及分餾塔正常操作。

（2）中段回流對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響

中段回流對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響規(guī)律見圖8。從圖8中可以看出，中段回流量對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響不大，當(dāng)中段回流量逐漸由50 000 kg/h增加至150 000 kg/h時，柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)幾乎沒有發(fā)生改變。

圖7 中段回流對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響

圖8 中段回流對柴油及改質(zhì)煤油閃點(diǎn)的影響

（3）中段回流對柴油及改質(zhì)煤油餾程的影響

不同中段回流量下柴油及改質(zhì)煤油餾程5%、95%點(diǎn)的變化特點(diǎn)見表6。

表6 中段回流對柴油及改質(zhì)煤油餾程的影響

從表6可見，中段回流量增加對產(chǎn)品柴油餾程的5%、95%點(diǎn)、改質(zhì)煤油餾程的95%點(diǎn)幾乎沒有影響，對改質(zhì)煤油餾程的5%點(diǎn)影響也極為有限。

因此，結(jié)合圖7、圖8的分析，可以得出中段回流只對均衡分餾塔內(nèi)汽液負(fù)荷及熱量分布有重要影響，適度增加中段回流量可以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的同時有效降低塔頂冷卻器負(fù)荷［5，6］。

2.3 進(jìn)料溫度對塔操作及產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)的影響

保持分餾塔塔壓、中段回流、塔底吹氣及塔底產(chǎn)品量等參數(shù)不變，通過改變分餾塔進(jìn)料溫度，考察不同工況下分餾塔相關(guān)參數(shù)的變化特點(diǎn)。

（1）進(jìn)料溫度對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響

產(chǎn)品分餾塔進(jìn)料溫度對塔頂冷卻器負(fù)荷的影響規(guī)律見圖9。可以看出，隨著進(jìn)料溫度增加，塔頂負(fù)荷也呈線性增加，平均進(jìn)料溫度每增加5℃，塔頂冷卻器負(fù)荷增加約705 kW左右，可見進(jìn)料溫度對塔頂冷卻器負(fù)荷影響十分顯著。

目前分餾塔進(jìn)料溫度為280℃，結(jié)合表7可以看出，此溫度下進(jìn)料汽化分率達(dá)到0.915左右，與設(shè)計(jì)進(jìn)塔物流汽化分率0.808相比，目前的的氣化率偏高，造成塔頂負(fù)荷相應(yīng)也較高。因此，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上還可適度降低進(jìn)料溫度，以便進(jìn)一步降低進(jìn)料加熱爐燃料氣耗量和塔頂空冷器冷卻負(fù)荷。

表7 進(jìn)料溫度對汽化分率及加熱爐負(fù)荷的影響

（2）進(jìn)料溫度對產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)的影響

不同進(jìn)料溫度下產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)特點(diǎn)見表8，9。

表8 不同進(jìn)料溫度對產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)的影響

表9 不同進(jìn)料溫度對產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)的影響

從表8，9可以看出，隨著進(jìn)料溫度的增加，輕石腦油5%點(diǎn)及95%點(diǎn)均呈現(xiàn)了一定程度的下降。重石腦油及改質(zhì)煤油餾程的5%點(diǎn)與95%點(diǎn)隨進(jìn)料溫度的增加呈現(xiàn)相反的趨勢，平均進(jìn)料溫度每增加10℃，重石5%點(diǎn)平均增加0.8℃，95%點(diǎn)平均下降2.3℃，改質(zhì)煤油5%點(diǎn)平均增加0.6℃，95%點(diǎn)平均下降2℃。柴油5%點(diǎn)受進(jìn)料溫度影響較大，進(jìn)料溫度每增加5℃，柴油5%點(diǎn)平均增加約2℃，柴油95%點(diǎn)受進(jìn)料溫度影響不大。

從模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)來看，之所以進(jìn)料溫度會導(dǎo)致產(chǎn)品餾程數(shù)據(jù)出現(xiàn)上述變化，主要是由于進(jìn)料溫度增加，原則上會造成塔頂溫度上升，但是為了維持頂溫不變，回流量變大，塔分離精度變高導(dǎo)致。進(jìn)料溫度對產(chǎn)品初、終餾點(diǎn)的影響見圖10。

結(jié)合圖10的數(shù)據(jù)來看，隨著進(jìn)料溫度的增加，一方面會使得重石與改質(zhì)煤油的餾程脫空程度增加，另一方面也會使得改質(zhì)煤油與柴油的餾程重疊程度降低。目前改煤充當(dāng)柴油調(diào)和組分，對煤柴油分離精度要求不高，因此可適度降低進(jìn)料溫度，減少瓦斯耗量。

圖10 進(jìn)料溫度對產(chǎn)品初、終餾點(diǎn)的影響

3 結(jié)束語

（1）使用Aspen Plus軟件模擬了150×104柴油加氫改質(zhì)產(chǎn)品分餾過程，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)較為一致，模型基本反映了實(shí)際的分餾過程。

（2）分餾塔底氣提蒸汽的溫度對產(chǎn)品柴油閃點(diǎn)影響不大，氣提蒸汽的流量應(yīng)選擇在使塔底產(chǎn)品初餾點(diǎn)快速變化的區(qū)域內(nèi)。

（3）中段回流只對均衡分餾塔內(nèi)的汽液負(fù)荷及熱量分布有著重要影響。適度增加中段回流量可以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的同時有效降低塔頂冷卻器負(fù)荷［7］。

（4）當(dāng)塔頂溫度不變時，分餾塔進(jìn)料溫度增加，會導(dǎo)致重石與改質(zhì)煤油的餾程脫空程度增加，改質(zhì)煤油與柴油的餾程重疊程度降低。

（5）目前改質(zhì)分餾塔進(jìn)料溫度及塔底氣提蒸汽量較高，后期優(yōu)化空間較大，適度降低后可有效降低裝置能耗。