干氣淺冷油吸收技術中甲烷解吸壓力分析與優(yōu)化

賈繼龍，葉昊天，常文暢，董宏光

（大連理工大學 化工學院，遼寧 大連 116024）

煉廠干氣主要來自于原油的一次、二次加工過程（如常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、催化重整與烷烴脫氫等），富含氫氣與輕烴資源[1]。以前國內大部分煉廠的干氣都送去燃料管網(wǎng)或直接排放至火炬燃燒[2]。近些年來，中國科學院大連化學物理研究所針對乙烯濃度較高的催化裂化干氣開發(fā)了干氣制乙苯技術，以尋求乙烯的優(yōu)化利用[3]。然而，大部分干氣仍未得到充分的回收利用，造成了資源的極大浪費。隨著我國“碳達峰”與“碳中和”目標的提出和日益嚴格的環(huán)保要求，如何對煉廠干氣進行有效利用成為了企業(yè)的關注重點。2010年以來，中國石化北京化工研究院（以下簡稱為北化院）開發(fā)了一系列干氣淺冷油吸收技術回收干氣中的C2組分，得到的C2提濃氣可作為乙烯裝置的原料[4-9]。2011年，國內首套干氣淺冷油吸收裝置在中國石化齊魯石化公司開車成功[10]。但傳統(tǒng)工藝中將干氣吸收與甲烷解吸集成在一個塔設備中進行，這可能會造成能耗較高的問題。

本工作采用流程模擬軟件Aspen PlusⅤ11.0，熱力學方法選擇了適用于輕烴體系的Peng-Robinson方程，對干氣淺冷油吸收技術進行了模擬與優(yōu)化；采用將干氣吸收過程與甲烷解吸過程拆分至兩個獨立的塔設備中完成的改進工藝，并對甲烷解吸塔壓力進行優(yōu)化，以降低裝置能耗。

1 工藝流程簡述

圖1為北化院干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝流程。由圖1可知，為了獲得較好的吸收效果，淺冷油吸收工藝適合的吸收壓力為3.5～4.0 MPa（表壓，下同），而上游不同裝置送來的煉廠干氣壓力不同，且均低于吸收壓力，所以需要先對干氣進行壓縮。使用7 ℃冷凍水將干氣壓縮機組出口流股冷卻到15 ℃后再進入C4吸收塔，使用以混合丁烷為主的C4吸收劑進行吸收，在塔上部設置一臺中間冷卻器提高吸收效果[11]。C4吸收塔塔頂?shù)玫降奈幢晃盏妮p組分主要為甲烷和H2，還夾帶有少量的C4吸收劑，需要送入汽油吸收塔，使用汽油作為吸收劑回收其中的C4組分。為了控制提濃氣中甲烷的濃度，在C4吸收塔塔釜使用再沸器將甲烷汽提出去[12]。C4吸收塔塔底得到的富C4吸收劑進入C4解吸塔，塔頂經冷凝后得到合格的C2提濃氣產品，塔底貧C4作為熱源送至C4吸收塔下部的中間再沸器，再經冷卻水與7 ℃冷凍水冷卻后循環(huán)回C4吸收塔利用。為防止C5，C6等重組分積累，需抽出一股循環(huán)C4送出裝置，抽出的輕烴可以送去輕烴裂解爐。從汽油吸收塔塔頂?shù)玫降募淄楹虷2混合氣體可作為燃料氣，塔底得到的富汽油送入汽油穩(wěn)定塔，塔頂C4回收利用，塔底貧汽油冷卻后循環(huán)回汽油吸收塔。所有塔釜再沸器均使用低壓蒸汽加熱。北化院傳統(tǒng)工藝中，C4吸收塔同時具有從干氣中吸收C2組分和脫除塔釜吸收劑夾帶的甲烷兩個作用，實際上是將吸收塔疊加在汽提塔上方，物流可通過自壓輸送，這樣固然能夠節(jié)省一部分封頭、裙座、流體輸送設備的投資和占地，但是也帶來了一些問題：1）從原理上進行分析，在干氣中吸收C2組分是一個物理吸收過程，壓力越高，溫度越低，吸收效果越好，而從塔釜解吸甲烷是一個依靠加熱的熱解吸過程，壓力越低，溫度越高，解吸效果越好；2）從整體上考慮，將兩個原理上完全相反的操作單元集成在一個設備中進行，可能并不合適。經過初步估算，C4吸收塔塔釜再沸器消耗的蒸汽約占整個裝置蒸汽消耗量的40%。這是由于工藝需要保證C2回收率，所以吸收塔在3.5～4.0 MPa的高壓下操作，導致解吸的能耗非常大且塔釜溫度較高，需要使用低壓蒸汽加熱[13]。

圖1 干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝流程Fig.1 Dry gas shallow-cool oil-absorption traditional process.

天津大學李鑫鋼等[14]為獲得高純度乙烯，參考吸收-穩(wěn)定工藝，對油吸收法進行了改進，在工藝流程中單獨設置了一個解吸塔，但解吸塔壓力依然比吸收塔高，塔釜還要使用蒸汽加熱，主要研究了在新的產品要求下不同操作參數(shù)對能耗的影響，但并沒有從根本上解決問題。北化院對工藝流程進行了改進，設置了一個單獨的低壓甲烷解吸塔來脫除甲烷，操作壓力在1.5 MPa左右，塔釜溫度約為70 ℃，使用C4解吸塔塔底的貧C4吸收劑作為再沸器熱源，不需額外投入熱公用工程[15]。北化院改進工藝中限制了甲烷解吸塔只使用裝置內工藝物流加熱，不需投入公用工程，但未對甲烷解吸塔壓力對工藝總能耗的影響做詳細分析。

本工作將甲烷解吸塔壓力作為自由端，設定可使用公用工程進行加熱，根據(jù)不同溫度選擇對應等級的蒸汽或煉廠低溫余熱為熱源，對北化院改進工藝流程進行模擬與優(yōu)化，通過靈敏度分析找出最優(yōu)的甲烷解吸塔壓力[14]。圖2為改進的工藝流程。由圖2可知，C4吸收塔不設置再沸器，在3.5～4.0 MPa的壓力下完成吸收過程，塔底得到的富C4先進入甲烷解吸塔把甲烷解吸出去。甲烷解吸塔為只有再沸器的汽提塔，塔壓比C4吸收塔低，塔釜溫度低于100 ℃，使用煉廠低溫余熱加熱。此時北化院工藝將C4解吸塔塔底貧C4作為熱源直接送至甲烷解吸塔再沸器的換熱方案不再適用。甲烷解吸塔壓力降低后，C4解吸塔進料（甲烷解吸塔釜液）溫度下降，導致C4解吸塔再沸器蒸汽消耗量增加，所以應當先使用C4解吸塔塔底貧C4對其進料預熱，盡量節(jié)省蒸汽，然后再給甲烷解吸塔中間再沸器供熱，節(jié)省低溫余熱。甲烷解吸塔塔頂出來的循環(huán)干氣中還有一部分C2，由于壓力比C4吸收塔低，所以需要通過循環(huán)干氣壓縮機加壓后送回C4吸收塔再吸收，其余部分與北化院傳統(tǒng)工藝相同。

圖2 干氣淺冷油吸收改進工藝流程Fig.2 Improved process for dry gas shallow-cool oil-absorption.

2 參數(shù)選取與流程模擬

2.1 參數(shù)選取

采用三段式壓縮機增壓，以多股煉廠干氣為原料，干氣的組成見表1。混合C4為吸收劑（參考中國石化齊魯石化公司已經工業(yè)化的裝置）[16]。用于回收燃料氣中夾帶C4的汽油吸收塔和汽油穩(wěn)定塔負荷不大，能耗較低，因此在后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計中均忽略。工藝的控制指標為：C2回收率不低于90%，C2提濃氣中甲烷含量不高于5%（x），C4及以上組分含量不高于4%（x）。

2.2 原工藝模擬

使用表1中的干氣原料，按照圖1描述的北化院傳統(tǒng)工藝進行模擬，在保證工藝控制指標合格的情況下對各工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了基礎工況。主要設備的模擬結果和工藝參數(shù)見表2。主要物流的組成見表3。

表1 干氣組成Table 1 Dry gas composition

表2 主要設備的模擬結果和工藝參數(shù)Table 2 Simulation results and process parameters of main equipment

表3 主要物流的組成Table 3 Composition of the main streams

2.3 改進工藝模擬

固定基礎工況與其他參數(shù)不變，保留C4吸收塔干氣進料塔板上方的第25塊塔板作為改進工藝的C4吸收塔，進料塔板下方的塔板及再沸器單獨設置為甲烷解吸塔，用來脫除吸收劑夾帶的過量甲烷。在

此基礎上，按照圖2描述的改進工藝流程，分別對甲烷解吸塔壓力與塔釜溫度、解吸再生能耗、解吸效果、循環(huán)干氣壓縮機負荷等變量進行靈敏度分析，找出綜合能耗最低時的甲烷解吸塔壓力最優(yōu)值。

2.3.1 甲烷解吸塔壓力對塔釜溫度和壓縮機負荷的影響

甲烷解吸塔壓力降低后，可降低塔釜再沸器負荷和塔釜溫度，節(jié)省操作費用，但是需要消耗壓縮機的電功將解吸出的循環(huán)干氣送回C4吸收塔。壓力越低，塔釜再沸器所用的公用工程等級越低，但壓縮機的操作費用越高。固定其他參數(shù)與基礎工況不變，對甲烷解吸塔壓力與甲烷解吸塔塔釜溫度和循環(huán)干氣壓縮機負荷進行靈敏度分析，結果如圖3所示。

圖3 甲烷解吸塔壓力對塔釜溫度和壓縮機負荷的影響Fig.3 Influence of methane desorption tower pressure on column kettle temperature and compressor duty.

由圖3可知，隨著甲烷解吸塔壓力降低，循環(huán)干氣壓縮機負荷逐漸上升，甲烷解吸塔塔釜溫度逐漸下降。當甲烷解吸塔壓力低于2.8 MPa時，塔釜溫度低于100 ℃，能夠使用煉廠低溫余熱，而循環(huán)干氣壓縮機的負荷不低于70 kW，負荷并不大，這是因為解吸出的循環(huán)干氣溫度在20 ℃左右，溫度較低，體積流量也小。因此，適宜的甲烷解吸塔壓力應低于2.8 MPa。

2.3.2 甲烷解吸塔壓力對解吸再生能耗的影響

干氣淺冷油吸收工藝解吸再生過程能耗由兩部分組成，一部分是甲烷解吸塔塔釜再沸器負荷，另一部分是C4解吸塔塔釜再沸器負荷。固定其他參數(shù)與基礎工況不變，對甲烷解吸塔壓力與甲烷解吸塔和C4解吸塔塔釜再沸器負荷進行靈敏度分析，為了便于比較，以下數(shù)據(jù)是在不設置中間再沸器條件下模擬得到的，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著壓力的降低，甲烷解吸塔塔釜再沸器負荷呈現(xiàn)線性下降的趨勢，但C4解吸塔塔釜再沸器負荷卻快速上升。這是因為甲烷解吸塔壓力降低后，不只降低塔釜再沸器負荷，同時也降低了塔釜溫度，而甲烷解吸塔塔釜出料是C4解吸塔進料，實際上是降低了C4解吸塔進料溫度，導致C4解吸塔塔釜再沸器負荷上升。因此，甲烷解吸塔壓力的選取必須綜合考慮對C4解吸塔的影響。

圖4 甲烷解吸塔壓力對解吸再生能耗的影響Fig.4 Influence of methane desorption tower pressure on energy consumption of desorption regeneration.

2.3.3 甲烷解吸塔壓力對解吸效果的影響

由于甲烷解吸塔是汽提塔，塔壓將會直接影響解吸分離的效果，固定其他參數(shù)與基礎工況不變，對甲烷解吸塔壓力與塔釜采出物流中甲烷量和C2量進行靈敏度分析，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著甲烷解吸塔壓力降低，塔釜采出物流中甲烷量逐漸上升，由296 kg/h升至500 kg/h，而C2量從9 266 kg/h降至9 147 kg/h，解吸效果隨塔壓降低變差，后續(xù)會導致C2回收率與提濃氣中甲烷含量不達標。這是因為，雖然低壓有利于解吸，但是甲烷解吸塔降壓過程中塔內溫度也隨之降低，低溫對于解吸過程是不利因素，最終在降壓和降溫的綜合作用下，甲烷解吸塔表現(xiàn)出解吸效果隨塔壓降低而變差的現(xiàn)象。為了抵消這部分負面影響，需要增加少量的C4吸收劑以保證工藝控制指標達到要求。然而，增加C4吸收劑會導致制冷、塔釜再沸器蒸汽等消耗量增加，所以降低甲烷解吸塔壓力時必須綜合考慮增加C4吸收劑量所帶來的影響。

圖5 甲烷解吸塔壓力對解吸效果的影響Fig.5 Influence of methane desorption tower pressure on desorption.

2.3.4 甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響

基于以上三點的分析，初步確定了甲烷解吸塔壓力應當?shù)陀?.8 MPa，塔釜溫度低于100 ℃，使用煉廠低溫余熱加熱。在增加一定C4吸收劑量來滿足工藝控制指標的情況下，分析了甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響，為了方便對比，折算為標準油計算[17]，結果如圖6所示。由圖6可知，工藝綜合能耗隨著甲烷解吸塔壓力降低先快速下降，在2.7 MPa處達到最小值為2 148.32 kg/h（標準油），然后緩慢上升。這是因為在較高壓力區(qū)間2.7～3.6 MPa內，壓力降低一方面可節(jié)省公用工程消耗量，另一方面能降低公用工程的等級，使得能耗水平大幅下降。當壓力低于2.7 MPa時，壓力降低只能節(jié)省一部分低溫余熱消耗量，而循環(huán)干氣壓縮機電功的上升與整體C4吸收劑增加所帶來的能耗增加占據(jù)主導，所以綜合能耗有所上升。因此，甲烷解吸塔壓力最優(yōu)值為2.7 MPa，此時工藝綜合能耗水平最低，相當于每小時消耗2 148.32 kg（標準油）。

圖6 甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響Fig.6 Influence of methane desorption tower pressure on total energy consumption.

3 結果與討論

采用流程模擬軟件確定干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝的基礎工況。然后為甲烷解吸過程單獨設置一座低壓甲烷解吸塔，模擬干氣淺冷油吸收改進工藝，并對塔壓進行優(yōu)化，確定了最優(yōu)值為2.7 MPa，而原料干氣中也有一股對應壓力等級的干氣，因此可將甲烷解吸塔解吸出的循環(huán)干氣與此干氣混合送入干氣壓縮機組，無需再設置循環(huán)干氣壓縮機，得到最終優(yōu)化后的工況。表4為兩個工況的主要物流組成。由表4可知，兩個工況的C2提濃氣產品流量和組成幾乎相同，均可達到工藝要求，其中改進工藝的C4吸收劑使用量稍有增加，比基礎工況多了1.02 t/h。

表4 兩個工況的主要物流組成Table 4 The main streams composition for two operation conditions

表5為兩個工況的公用工程消耗量與能耗。由表5可知，改進后工況比基礎工況增加了一座汽提塔，低壓蒸汽負荷減少了3 645.38 kW，節(jié)省了40.25%的蒸汽，電耗和冷劑消耗量稍有增加，循環(huán)冷卻水用量略有減少。將替換低壓蒸汽的煉廠余熱折算為標準油計算在內后，整體上改進后工況的綜合能耗比基礎工況降低了338.83 kg/h（標準油），能夠使綜合能耗降低13.62%。由于最終優(yōu)化結果顯示無需增設壓縮機，所以改進后工況在設備上與基礎工況相比，只增加了一座汽提塔用以解吸甲烷，且甲烷解吸塔只是壓力降低，總理論塔板數(shù)不變，與基礎工況的C4吸收塔相比較，再沸器數(shù)量與塔高并沒有增加。

表5 兩個工況的公用工程消耗量與能耗Table 5 Utilities and energy consumption for two casesoperation conditions

4 結論

1）對干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝與改進工藝進行了模擬與分析，認為改進工藝中將C4吸收塔下部的甲烷解吸過程單獨設置一座低壓甲烷解吸塔更合理，在降低塔釜再沸器負荷的同時還能降低塔釜溫度，當壓力低于2.8 MPa時，塔釜溫度低于100 ℃，可以使用煉廠低溫余熱替代蒸汽。

2）隨著甲烷解吸塔壓力的降低，塔釜溫度逐漸下降，壓縮機整體負荷增加不明顯，而C2提濃氣產品中甲烷含量越來越高，需要增加少量的C4吸收劑以保證工藝控制指標達到要求。

3）通過Aspen Plus模擬軟件對甲烷解吸塔壓力進行了優(yōu)化，確定了塔壓在2.7 MPa時工藝綜合能耗最低，改進工藝與傳統(tǒng)工藝相比，增加了一座汽提塔，節(jié)省了40.25%的蒸汽，能夠使綜合能耗降低13.62%，具有十分顯著的效益。