AspenPlus在催化氣體分餾裝置中的應用

鄭凱隆

摘要：天津分公司催化氣分裝置設計規模為20萬噸/年。本文采用美國AspenTech公司的流程模擬軟件AspenPlus對其進行了模型建立和確認，采用模型分析工具對降低脫丙烷塔能耗進行了計算;分析了影響丙烯收率的主要因素;找到了影響丙烷/丙烯分離塔分離效果的主要因素。

關鍵詞：催化氣分;脫丙烷塔;流程模擬

天津分公司催化氣分裝置設計規模為20萬噸/年，裝置采用三塔流程工藝，包括脫丙烷塔、脫乙烷塔和丙烷/丙烯分離塔。隨著市場的變化，公司的丙烯產品受到市場前所未有的擠壓，提高丙烯純度勢在必行，借助AspenPlus模擬軟件模擬計算提高丙烯純度的工藝條件，探索催化氣分裝置生產聚合級高純丙烯的工藝路線。

1.催化氣分裝置的ASPEN建模

1.1單元模型的選取

本文主要涉及的操作單元為脫丙烷塔、脫乙烷塔和脫丙烯塔，屬于典型的石油化工塔器分離過程，本文脫丙烷塔、脫乙烷塔和脫丙烯塔均選取RadFrac模型，塔底部均采用熱虹吸式再沸器，脫乙烷塔塔頂部采用部分冷凝，脫丙烷塔、脫丙烯塔選取全冷凝器;機泵采用Pump模型。三塔均引入塔板Murphree效率來擬合理論塔板與真實塔板之間的差異，塔板效率依據各塔測溫點的位置分段設置。

1.2模型計算值與實際值的比較

建立了催化氣分裝置的AspenPlus模型后得到了大量數據，為了驗證所建模型的準確性，將模型運行的計算值與裝置運行的實際值進行了比較，所建模型較好地模擬了裝置的實際工況，模擬計算值與裝置實際運行數據基本吻合。說明模型能夠反映裝置實際的運行狀況，在此基礎上充分利用Aspen模擬軟件的其他功能，可以實現對該套裝置裝置不同工況模擬、裝置生產瓶頸的尋找，操作條件的優化等功能。

2.催化氣分裝置的分析和優化

2.1脫丙烷塔分析

2.1.1塔壓對脫丙烷塔的影響

應用AspenPlus的靈敏度分析工具，以脫丙烷塔塔壓為變量，考察對塔底熱負荷、塔頂和塔底溫度的影響。在脫丙烷塔在塔頂、塔底組成固定的前提下，塔頂、塔底溫度以及熱負荷隨壓力的變化。通過軟件模擬可以得出，隨著脫丙烷塔塔頂壓力的降低，塔底溫度和再沸器負荷也逐步降低，目前該塔的操作壓力為1.75MPaG，若逐步降壓至1.25MPaG，則可節約再沸器熱負荷1187KW，能耗降低23%。

2.1.2回流比對脫丙烷塔的影響

考察了脫丙烷塔回流比對塔底熱負荷、塔頂熱負荷和塔底C3含量的影響。結果見圖2-1。

從圖2-1可知，脫丙烷塔回流比與塔底熱負荷基本呈正比關系，即回流比越小，塔底、塔頂熱負荷越低，對裝置節能有利，當脫丙烷塔回流比降低至2.9時，塔底C3含量增加至0.46%，繼續減小回流比將無法滿足產品質量的要求，因而該塔的最佳操作回流比應控制3.0左右。

2.2脫乙烷塔分析

2.2.1脫乙烷塔塔底丙烯含量對丙烯精制塔產品質量的影響

本套催化氣分裝置脫乙烷塔塔底物料直接送至丙烯精制塔進行精餾分離。丙烯精制塔的分離效果不僅與丙烯塔自身的操作有關，進料組成的波動也將極大的影響丙烯精制塔的產品質量[1]。

應用AspenPlus的靈敏度分析工具，考察了脫乙烷塔塔底丙烯含量對丙烯精制塔產品質量的影響，結果見圖2-2。

由圖2-2可知，當脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量從0.75升高至0.79時，丙烯精制塔塔頂丙烯含量從0.75升高至0.99，說明脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量的變化可能會導致丙烯精餾塔產品質量的較大波動，且出現不合格的情況，故應將脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量控制在0.786以上。

脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量的變化對丙烯精制塔塔底丙烷產品的影響較為復雜，在脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量從0.752增加至0.757時，丙烯精制塔塔底丙烷摩爾含量從0.872急速上升至0.961，而后進入緩慢增加的平臺階段，當脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量升高至0.782時，丙烯精制塔塔底丙烷摩爾含量達到0.988的最大值，脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量由0.782繼續升高時，丙烯精制塔塔底丙烷摩爾含量又將急速下降。因此為了保證丙烷產品的摩爾含量在0.9以上，脫乙烷塔塔底丙烯摩爾含量應控制在0.757至0.792之間。

2.3丙烯塔分析

2.3.1塔頂采出量對丙烯塔的影響

丙烯塔的穩定操作對氣分裝置的產品質量至關重要，當丙烯、丙烷產品質量發生波動時，操作人員通常通過調整塔底再沸量和采出量進行調節。通過模型模擬，計算了丙烯塔塔頂采出對塔頂丙烯，塔底丙烷含量的影響。結果見圖2-3。

由圖2-3可知，隨著丙烯塔塔頂采出量的增加，塔頂丙烯摩爾含量逐漸降低，而塔底丙烷摩爾含量逐漸升高，該裝置目前的分離目標為塔頂丙烯含量不低于97%，塔底丙烷含量不低于90%，從圖中可知，塔頂采出量若高于8.9t/h，則塔頂丙烯含量低于97%，塔頂采出量若低于8.6t/h，塔底丙烷含量則低于90%，因而只有將塔頂采出量穩定控制在8.6t/h至8.9t/h之間，才可以保證產品丙烯和丙烷的質量達到分離質量要求。

2.3.2回流比對丙烯塔的影響

增加回流比可以改善丙烯和丙烷的分離精度，但回流比的增加將導致丙烯精餾塔塔底熱負荷的增加，同時也增加了塔頂冷凝器負荷。[2]以丙烯精餾塔回流比為自變量，考察丙烯精餾塔回流比對丙烯精餾塔產品質量、塔底熱負荷的影響，通過模擬得出隨著丙烯精餾塔回流比的增加，塔頂丙烯摩爾含量和塔底丙烷摩爾含量都相應增加，但塔底熱負荷也將隨著回流比的增加而增加，當丙烯精餾塔回流比為17時，塔頂丙烯和塔底丙烷的產品質量已能滿足要求。因此在塔頂采出量為8.6t/h時，丙烯精餾塔回流比應控制在17.5左右。

3.模型驗證結論

本文以降低催化氣體分餾裝置能耗、提高裝置丙烯純度為主要目的，利用AspenPlus化工流程模擬軟件對裝置進行流程模擬和優化操作，得出以下主要結論：

1.脫丙烷塔回流比降低至3.0，塔壓降至1.25MPaG，脫丙烷塔可節能1953KW。

2.綜合考慮降低丙烯損失和保證丙烯精餾塔分餾精度，脫乙烷塔回流溫度需控制在40.6℃到43.1℃之間。

3.丙烯塔塔頂采出量控制在8.6t/h至8.9t/h之間，回流比控制在18左右，可保證產品丙烯和丙烷的質量達到分離質量要求。（丙烯摩爾含量為0.97）。

4.將丙烯精制塔板效率提高至0.75以上，塔頂產品中丙烯摩爾含量即可達到0.997，同時塔底產品中丙烷摩爾含量可達0.945。

AspenPlus的工況和靈敏度研究等功能，對改善工廠操作及確定改善操作的方法非常有用，根據需要利用模型指導生產，通過改進流程或調整操作條件，得到一定的經濟效益。

參考文獻

[1]張宏利.利用模擬軟件優化脫乙烷塔操作[J].石油化工設計，1997，14（3）：25～28

[2]楊進華.氣體分餾裝置的工藝操作優化[D].天津：天津大學，2005，13～14