气体分馏装置丙烯精馏塔的模拟与优化

气体分馏装置丙烯精馏塔的模拟与优化

摘要：为解决全球气候问题，中国政府提出“2030年碳达峰、2060年碳中和”战略目标。作为传统高能耗、高碳排放行业，炼化企业面临严峻的碳减排压力，通过优化操作条件实现生产装置节能降碳成为炼化企业生存发展的必由之路。2019年中国成品油产量已高于表观消费量，而丙烯当量净进口量为942×104t，对外依存度达22.3%。此背景下，以丙烯为目的产品的炼化一体化装置、丙烷脱氢（PDH）装置成为炼化企业转型发展的关键。丙烯产品的分离提纯主要通过精馏完成，而丙烯与丙烷间的沸点差导致丙烯精馏塔具有分离能耗高、塔板数量大、质量难控制等问题。本文主要对气体分馏装置丙烯精馏塔的模拟与优化进行了简单的探讨，以供相关人员参考。关键词：丙烯；气体分馏装置；流程模拟引言就目前的化工过程稳态模拟主要应用于炼油、石油化工以及化工领域中，例如在日常生产生活中的减压、加氢、催化裂化以及气体分馏、乙烯、天然气、油田气分离等装置中得以普遍的应用。此外，在我国的医药、农药、造纸以及环保行业等都有着一定的应用与发展。近年来随着我国社会科学技术的不断更新与发展，对于石油馏分的计算能够达到十分准确的层面，可以直接用于相关工业装置的设计之中。1、气体分馏装置丙烯精馏工艺简述气体分馏工艺是利用原料中各组分挥发度的差异，在特定的温度和压力下，使用精馏塔等设备通过连续蒸馏对原料进行分离的技术。如在液化石油气中，丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、异丁烷、异丁烯等组分沸点不同，因此可采用分馏的方法进行分离。气体分馏工艺最基本的设备是精馏塔，精馏塔一般根据产品的要求，建有冷凝器或再沸器，同时，基于常规的多元精馏原理，精馏过程一般由数个精馏塔组成。另外，由于组分间沸点差异很小，因此需要足够多的塔板数进行精度较高的精馏。此工艺使用的每个精馏塔分别具有精馏段与提馏段，塔内轻组分上升到精馏段，重组分下降到提馏段，并通过塔板的精馏作用，沿塔自上而下经过精馏段和提馏段,此时组分的浓度差异越来越大，其中轻组分易挥发，主要集中于塔顶;重组分则沸点相对较高，从塔釜馏出。塔底由再沸器加热，使塔底产物中部分轻组分蒸发成为塔内蒸汽，塔底液相产品部分抽出，部分送回塔内回流。因丙烯资源的重要战略地位，加之气体分馏装置属于清洁生产工艺，几乎不产生三废，因此通过气分装置催化裂化液态烃成为获得丙烯的重要途径。2、气体分馏装置丙烯精馏塔的模拟与优化2.1、气体分馏装置模拟某炼油厂50×104t/a气体分馏装置工艺采用AspenPlus进行流程模拟，并采用RK-SOAVE模型方法进行物性计算，初始模拟相关参数为装置实际生产数据，原料液化石油气经过预热后进入脱丙烷塔（T-2001）进行C3/C4组分分离，脱丙烷塔塔底分离出的混合C4组分经冷却后送出装置；在塔顶分离出的混合C3组分部分回流，部分送至脱乙烷塔（T-2002）进一步分离；脱乙烷塔采用全回流脱除不凝干气，在塔底得到的丙烷、丙烯混合液体送至丙烯精馏塔（T-2003）进行分离，得到纯度合格的丙烷和丙烯产品。软件模拟值与实际生产值间存在偏差，该偏差可能是由于实际生产过程中热量损失、仪表灵敏度低等原因造成的。根据文献报道，模拟偏差范围在5%以内模拟结果较为理想，偏差范围在10%以内是可以接受的。模拟结果中脱乙烷塔和丙烯精馏塔顶温的偏差在5%~10%之间，其余数据偏差均小于5%，模拟结果能够较好地反映实际，可以用作对实际装置的优化研究。2.2、操作条件优化2.2.1、塔底产品采出优化在进料量恒定的情况下，通过调节精馏塔塔底采出量能够有效控制塔底液位、塔内气液平衡，影响产品纯度和经济效益。具体表现为：进料量恒定情况下，增大塔底产品采出流量，会造成传质效率下降，轻关键组分过多地混杂在重组分中，塔底产品纯度下降，塔顶产品产量下降，产品效益下降。因此，在满足塔顶丙烯和塔底丙烷产品纯度的前提下，通过降低塔底丙烷采出量，能够有效提高塔顶目的丙烯产品产量，进而提高产品整体效益。文中在恒定进料及最优塔顶压力1.68MPa前提下，考察丙烯精馏塔塔底丙烷产品采出量对产品纯度的影响，随丙烷流率提高，丙烯纯度逐渐升高，当塔底流率提高至4515kg/h，丙烯纯度升至99.6%以上，提高至4560kg/h后丙烯纯度趋于平稳；丙烷纯度随塔底流率的增大而持续下降，塔底流率不大于4550kg/h时，丙烷纯度不小于95%。建议塔底流率从4545kg/h降至4515kg/h。此时丙烷产品纯度为95.69%，丙烯纯度为99.68%，丙烯产量随之提高30kg/h。2.2.2、塔顶回流比优化回流比是调节精馏塔塔内气液平衡、控制产品纯度的重要参数，同时也直接影响塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷。在恒定产品进料、控制塔顶压力为1.68MPa、塔底采出为4515kg/h前提下，考察回流比对产品纯度和丙烯精馏塔换热器热负荷的影响，随着回流比增加，丙烯和丙烷纯度均随之增大，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷随之增大。在保证各产品纯度达标的前提下，通过降低回流比可降低换热器热负荷。建议将回流比从19.0降至17.8，此时丙烯纯度为99.60%，丙烷纯度为95.56%，冷凝器热负荷降低777.1kW，再沸器热负荷降低777.1kW。2.2.3、精馏塔塔顶压力优化丙烯与丙烷产品纯度均随塔顶操作压力的升高而降低，原因在于增加丙烯精馏塔操作压力可使不同组分间相对挥发度减小，不利于产品分离。但操作压力并不能无限降低，原因是随着塔顶压力降低使塔顶温度随之降低，温度过低不利于气相丙烯产品的冷凝。根据文献报道，丙烯精馏塔塔顶气相温度低于40℃时，气相丙烯与冷凝水间传热温差过小而难以冷凝。因此，综合塔顶压力对产品纯度和塔顶温度的影响，建议将丙烯精馏塔塔顶压力由1.80MPa降至1.68MPa，此时丙烯纯度为99.68%，丙烷产品纯度为95.69%，塔顶温度为40.30℃。2.3、效益分析通过优化精馏塔参数，丙烯产量增加30kg/h，丙烷产量减少30kg/h，结合运行时间8400h/a，丙烯价格8100元/t，丙烷价格5773元/t，优化后增加效益58.64万元。通过优化，实现再沸器能耗降低412.6kW、冷凝器能耗降低392.2kW。结合SH/T3110-2001中1.0MPa蒸汽能量折算值3182MJ/t，循环水能量折算值4.19MJ/t，则运行时间8400h/a下，节约低压蒸汽3921.1t/a、循环水2830579.5t/a。根据1.0MPa低压蒸汽150元/t，循环水0.28元/t计算，通过优化节约运行成本效益为138.07万元。增加经济效益合计196.71万元/a。总之，采用AspenPlus模拟某炼油厂50×104t/a气体分馏装置，在不改变装置原有设备条件下，通过优化丙烯精馏塔的塔顶压力、塔底产品采出流量、回流比等3个重要参数，实现丙烯产品产量提高的同时，有效降低装置生产能耗。在最佳条件为塔顶压力1.68MPa、塔底丙烷采出量为4515kg/h、摩尔回流比17.8时，丙烯纯度为99.60%，丙烷纯度为95.56%，冷凝器热负荷降低392.2kW，再沸器热负荷降低412.6kW，实现经济效益196.71万元/a。Reference：[1]涂联,李广庆,祝玉学,司艳霞,王会芳,葛秀清.气体分馏装置扩能改造[J].河南化工,2014,31(01):42-44.DOI:10.14173/ki.hnhg.2014.01.003.[2]赵贵征,王建平.气体分馏装置的流程模拟与优化[J].中外能源,2011,16(03):88-92.[3]邵建海,刘加伟,胡伟.气体分馏装置技术改造[J].现代化工,2005(04):52-54.DOI:10.