Pro模拟软件在煤焦油蒸馏装置改造中的应用.doc

2010年10月2010年湖南科技论坛低碳绿色化工技术论文集171Pro/II模拟软件在煤焦油蒸馏装置改造中的应用杨培志 李代玉（长岭炼化岳阳工程设计公司 湖南岳阳 414000）摘要：通过应用Pro/ II 模拟软件, 模拟了云南某厂煤焦油蒸馏装置，与实际生产数据进行了对比分析。文章简要介绍了模拟煤焦油蒸馏装置热力学方法的选用，并通过模拟模型，对装置的改造设计进行了优化，以达到节能降耗的目的。关键字：煤焦油 流程模拟 精馏分离1 前言煤焦油是煤炭干馏和气化过程中获得的重要炼焦副产品，其产量约占炼焦煤的4%。煤炭干馏和气化过程主要应用于焦炭生产、化工合成原料（主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料）、工业燃气或民用煤气等。我国是焦炭生产大国，焦炭产量占世界焦炭产量的40%左右1，近年来，随着炼钢业的快速发展，我国的焦炭需求逐年上升；农业对化肥的需求是合成氨工业发展的持久推动力，世界人口不断增长给粮食供应带来巨大压力，而使用化学肥料是农业增产的有效途径，氮肥行业是我国合成氨产业发展的支柱，氮肥行业合成氨消费量占合成氨消费总量的87%。随着我国焦炭需求及合成氨消费量的不断上升，煤炭干馏和气化过程将会进一步得到应用，煤焦油产量也必将随之不断增加2。云南某化工厂现有3万吨/年的煤焦油连续蒸馏装置，可以将煤焦油分离成轻油，中油，洗油，重油4个产品。现该厂新增一套副产煤焦油3万吨/年的合成氨装置，因此，拟对原有煤焦油连续蒸馏装置进行升级改造，改造内容如下：（1）适应6万吨/年的煤焦油处理能力。（2）优化换热流程，达到节能降耗的目的。（3）减少常压塔底汽提蒸汽量，降低含油污水排放。2 改造设计过程2.1 煤焦油蒸馏流程简介及模拟流程模型的建立2.1.1 3万吨/年的煤焦油连续蒸馏装置流程简介3万吨/年的煤焦油连续蒸馏装置工艺流程示意图见图1，如图所示,含水约3%的煤焦油进入煤焦油-重油换热器与常压塔底重油换热，然后再进入煤焦油加热器用蒸汽加热至120进入脱水塔，脱水塔顶油气冷却至40后进入分液罐进行油水分离。脱水塔底含水0.5%煤焦油进入常压炉(F-101)加热至355后进入常压塔进行分馏。常压塔顶油气经冷却至40进入回流罐，一路作为T-102塔顶回流，另一路作轻油产品出装置，中油自第10层塔板抽出后冷却至40出装置，洗油自第28层塔板抽出后出装置，常压底重油换热冷却至80作为产品出装置，煤焦油原料性质见表1。图1 煤焦油连续蒸馏装置工艺流程示意图Fig.2.1 Flow diagram of tar oil continuous distillation plant表1 煤焦油原料性质Table 2.1 Tar oil property项目性质项目性质密度，(20)/kg.m-3966.9残炭，%2.78凝点/24灰分，%0.179粘度(50)/mm2.s-17.194水分，%6.5总N，%0.96组成，烷烃18.97总S，%0.95%烯烃13.98H，%9.66芳烃/C，%77.33胶质29.64H/C(原子比)/沥青质馏程/HK10%135206苯不溶物37.412030%226241金属/g.g-1Ca1764050%260285Fe1556070%310347Al75.48090%380425Na16.8KK/K14.1350馏量，72Mg10.62.1.2 模拟流程模型的建立利用基于稳态模拟的大型流程模拟软件Pro/II建立流程模型，并将模型用于改造设计。模拟中分别采用Pro/II推荐的BK10、PR、GS等热力学方程对装置进行模拟计算，模拟过程中以现场数据为基础规定了各侧线产品及塔顶塔底产品的流量及馏程。在相同操作压力下把模拟结果中温度与实际温度数据进行比较，结果见表2。表2 热力学方程对模拟数据的影响Table 2.2 Thermodynamics equation affection on the simulation data项 目生产数据GS方程PR方程BK10方程脱水塔进料温度/120120120120脱水塔底温度/109113114108常压塔进料温度/355355355355常压塔顶温度/157146145143常压中油出口温度/213205204203常压洗油出口温度/274274273272常压塔底温度/327326325322由表2可以看出，各热力学方程对流程都能做出较好的模拟，温度差别不大，其中BK10模拟数据最接近脱水塔实际生产数据，而GS方程模拟数据最接近常压塔的实际生产数据，所以模拟中对2塔分别采用不同的热力学方程。其中液相密度的计算都选用lee-kesler法，汽相密度计算采用SRK方程。2.2 煤焦油蒸馏换热流程的改进 为了降低装置能耗，对换热流程做部分改动，改造后的流程见图2。图2 煤焦油连续蒸馏装置改造后工艺流程示意图Fig.2.1 Flow diagram of innovated tar oil continuous distillation plant从图1可以看出，本次改造新增“塔顶油气-原料油换热器”、“脱水煤焦油-重油换热器”换热器，取消煤焦油加热器，减少了冷凝水及蒸汽用量，从而节约公用工程消耗。因现场位置有限，对中油和洗油换热流程未作改变。利用Pro/II模拟软件对新流程进行模拟计算，节能效果见表3。表3 流程改造后操作条件变化Table 2.3 Alternation of operating condition after innovation项 目改造前改造后备注脱水塔进料温度/ 120152脱水塔底温度/108138脱水油进炉温度/ 108221常压塔顶冷凝器操作温度/146120重油冷却器操作温度/170150循环水量/t.h-19053常压塔顶冷凝器重油冷却器饱和蒸汽用量/kg.h-16840常压炉有效负荷/ kW15001100 由表3可以看出，经过改造后能耗显著降低，循环水减少37t/h，蒸汽减少684kg/h,减少煤气消耗量约105Nm3/h，同时由于脱水塔温度提高，拔出轻油产量增加，从而减少了常压塔内的气相负荷，经过核算，常压塔不需要更新，可以满足6万吨/年煤焦油的处理量，减少了设备投资。2.3 常压塔底汽提蒸汽对操作的影响。常压塔底汽提蒸汽可以降低油气分压，使操作温度相同的情况下，可以多拔出轻质油分，但汽提蒸汽的引入，增加了含油污水的排放量，同时增加了塔顶冷凝负荷。因此对常压塔底汽提蒸汽的流量进行了优化模拟计算，结果见表4。由表4可以看出，随着汽提蒸汽量的逐渐增大，塔底温度显著降低，最高可达27，同时塔顶冷凝负荷急剧增加，当汽提蒸汽流量为150kg/h时，冷凝负荷增加了近30%。由表2.4馏程数据可以看出，在塔底汽提蒸汽为0时，约有5%的245馏分进入到重油中。因中油产品中含有附加值更高的酚类产品1（沸点范围182240）,所以，如果塔底不用汽提，必将造成部分酚产品的损失。因此设计选用汽提蒸汽流量50kg/h。表4 汽提蒸汽对操作的影响Table 2.3 Affection of stripped vapor on the operating condition 项 目汽提蒸汽流量/kg.h-1050100150塔顶温度/ 148146144142塔底温度/ 343328321316塔顶冷凝负荷/kW715820876933D86馏程数据中油重油中油重油中油重油中油重油1%147.9133.0147.7180.1147.8190.1147.9200.05%167.2245.1166.4284.7166.3292.6166.3298.010%178.1301.0176.8320.0176.6323.4176.5324.730%196.4348.7194.9349.2194.7349.3194.6349.350%206.8368.0205.1368.2204.7368.2204.6368.270%216.9394.2214.8394.3214.4394.3214.2394.390%229.9506.4226.6506.6225.8506.6225.3506.695%235.5522.0233.1522.1232.4522.2232.0522.298%241.0533.4238.5533.5238.0533.5237.6533.53 结论与建议（1）以现有装置生产数据为基础，利用PRO/II模拟软件对煤焦油蒸馏装置进行模拟建模。并与生产数据进行对比分析，确定了适合煤焦油分离的热力学方法。（2）利用PRO/II模型对装置升级改造设计进行指导，优化了换热网络，改造后能效果明显，循环水减少37t/h，蒸汽减少684kg/h，减少煤气消耗量约105Nm3/h，同时由于脱水塔温度提高，拔出轻油产量增加，从而减少了常压塔内的气相负荷，经过核算，常压塔不需要更新，可以满足6万吨/年煤焦油的处理量，减少了设备投资。（3）利用PRO/II模型对常压塔底汽提