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8 0 万吨年乙烯装置丙烯精馏单元优化与节能设计 摘要 针对某厂在建8 0 万吨年乙烯装置中的能力为4 0 万吨年丙烯精馏单 元，对比分析了丙烯精馏单元热泵技术和普通精馏技术方案的优劣，并基 于p r o i i 软件进行了精馏单元模拟分析，探讨了操作参数对过程操作性 能的影响，包括理论板数、进料位置、回流比和冷凝器、再沸器的负荷等， 优化相关操作参数。在优化分析的基础上，进步结合工厂实际操作中进 料组成和迸料量波动大的情况，模拟实际状况下的各项操作参数的波动范 围，提出了具体的调整措施，为现场操作提供了理论参考。最后结合节能 增产的方针提出了如下四种有效可行的措施：( 1 ) 引入利用废热源加热 的中间再沸器；( 2 ) 增设丙烯冷剂作为冷源的放空冷凝器；( 3 ) 增设进 料口；( 4 ) 设置侧线采出口。以上的节能设计通过经济评价能够在实际 生产中创造可观的经济效益。 关键词：丙烯精馏，p r o i i 模拟，进料位置，回流比，板效率， 节能措施 o p t i 【a z a t i o no fp r o p y l e n er e c t i f i c a t i o nu n i t i n8 0 0 k t ae t h y l e n ep l a n ta n d e n e r g y s a v i n gd e s i g n a b s t r a c t b a s e do na ne x a m p l eo f4 0 0 k t ap r o p y l e n ed i s t i l l a t i o nu n i ti n8 0 0 k t a e t h y l e n ep l a n t ，t h ec o m p a r i s o no ft h et e c h n o l o g ya d v a n t a g e sb e t w e e nt h eh e a t p u m pp r o c e s sa n do r d i n a r yd i s t i l l a t i o np r o c e s sw a sd i s c u s s e d u s i n gt h ep r o i is i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h en u m b e ro f t h e o r e t i c a lp l a t e s ，f e e dl o c a t i o n ，r e f l u xr a t i oa n dt h ec o n d e n s e r r e b o i l e rl o a d e t cw e r ea d j u s t e da n do p t i m i z e d f u r t h e ra n a l y s i so nt h ea c t u a lu p s e t o p e r a t i o n c a s eo ft h ef e e dc o m p o s i t i o na n df e e dq u a n t i t yf l u c t u a t i o nw e r ea d v a n c e d ， p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lo p e r a t i o nr e f e r e n c ea n dp r o p o s e dc o n c r e t es o l u t i o n so n t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s w i t ht h ee n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l ef o u rt y p e so f f e a s i b l ea n de f f e c t i v em e a s u r e sa sf o l l o w ：( 1 ) u s i n gw a s t eh e a ti n t e r - r e b o i l e r ； ( 2 ) a d d i t i o n a lc o n d e n s e rw h i c hu s i n gp r o p y l e n er e f r i g e r a n ta st h ec o o l i n g s o u r c e ，( 3 ) a d d i t i o n a lf e e di n l e t ；( 4 ) i n t r o d u c i n gt h es i d eo u t l e to fp r o p y l e n e p r o d u c t a c c o r d i n gt oe c o n o m i ce v a l u a t i o na b o v ee n e r g y - s a v i n gd e s i g nc a n c r e a t ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：p r o p y l e n er e c t i f i c a t i o n ，p r o i is i m u l a t i o n ，f e e dl o c a t i o n ， r e f l u xr a t i o ，t r a ye f f i c i e n c y ，e n e r g y - s a v i n gm e a s u r e s 符号物理意义 符号说明 临界温度 临界压力 临界摩尔体积 j 板上进料量 第j 块板汽相侧线出料 第j 块板1 摩尔气体混合物的焓 l 摩尔气体纯组分的焓 第j 块板l 摩尔液体混合物的焓 1 摩尔液体纯组分的焓 i 组分第j 块板的相平衡常数 第j 块板液相侧线出料 第j 块板上升的汽相量 每板上升气相量 每板下降液体量 压缩因子 液位高 塔板数 回流比 压力 温度 干吨年 v 单位 k k p a m 3 k m o l t a n o b 7 h k m o l h k j m o l c m o ! k j t o o l k j m o l k m o l h k m o l h k m o h k m o l h m 块 b a r a k e 久 r k弓q坞凰b b 酶q u k z k n r p t 矾 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：兰睦选刍坌 日期：2 垡翌：堇：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 鸯缓确主 日期：丝q ：苎：! 日期：卫! q ：茎：1 1 1 研究课题的背景 第一章文献综述 丙烯主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷以及异丙醇等，是仅次于乙烯的重 要石油化工原料u 。目前丙烯产品主要来自乙烯装置裂解气分离的副产品，或从炼厂 液化气经轻烃分离装置回收的产物。近年来，随着聚丙烯等下游产品的需求快速增长， 以探讨新的技术生产丙烯的领域表现活跃，一批新型生产技术已逐渐接近工业化的程 度，丙烯生产技术已成为当前炼油和化工重点研究方向之一。 另一方面，乙烯作为石油和化工行业的龙头产品，其生产规模是衡量一个国家石 油化工发展水平的重要标志。随着我国经济的快速发展，国内已经呈现供不应求的局 面。保守估计到2 0 1 0 年和2 0 1 5 年国内乙烯表观当量消费量年均增长率分别为7 和 5 ，即2 5 8 5 万吨和3 3 0 0 万吨，可见国内乙烯市场空前巨大瞄1 。经过我国原有的乙烯 装置陆续进行了一系列的技术改造和扩建，同时新建的大型乙烯项目先后投产，乙烯 装置主要副产品丙烯的生产能力有了很大的提高。 随着石油化工行业产业结构调整的深入进行，国家节能减排方针的不断推进，有 效降低乙烯装置综合能耗成为刻不容缓的课题。由于老装置规模小，裂解原料较重、 操作不稳定等原因，国内乙烯装置能耗一直高于国外同类装置。丙烯精馏单元是乙烯 装置的主要能耗部分，如何通过优化操作参数、增加一次性投资以减少运行成本等方 面采取措施降低能耗是近年来各类人员研究的重点，也已取得很多建设性的意见和成 果。 1 2 乙烯产业的发展 1 2 1 世界乙烯生产概况 乙烯装置是石油化工的“龙头”，其装置生产的乙烯和副产品丙烯、丁二烯和芳烃 是石油化工产品的最基础的原料，因此，乙烯常作为衡量一个国家经济实力的重要指 标之一，具有举足轻重的地位。 近年来，世界各地区乙烯工艺发展呈现不均衡的态势，亚洲和中东成为乙烯工业 发展最块的地区。2 0 0 1 年至2 0 0 6 年间世界乙烯生产能力平均增长率为2 7 ，而中东 地区的平均增长率达到6 8 。2 0 0 7 年至2 0 1 1 年世界新增乙烯能力3 8 0 0 万吨年，年 均增幅达5 9 ，其中中东地区的新增约为2 0 0 0 万吨年，约占总新增能力的5 5 ，亚 太地区新增约为1 6 0 0 万吨年，约占总新增能力的4 0 。美洲和欧洲的乙烯增长量很 有限。据表1 - 12 0 0 6 年乙烯生产能力最大的十个国家统计数据表明，中国的乙烯生 产能力已稳居世界第二位。 表1 12 0 0 6 年乙烯生产能力十大国家排名，万吨年 t a b1 - 1e t h y l e n ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft o pt e nc o u n t r i e s ，10 4t a 目前世界乙烯格局的另一个特点是装置规模趋于大型化，技术水平和产业集中度 不断提高。世界最大的乙烯生产装置是诺瓦化学公司位于加拿大阿尔伯塔省的j o f f e r 联合装置，其产能达到2 8 1 2 万吨年；台湾石化公司2 5 5 万吨年生产规模的其卖寮 装置投产而成为世界第二大乙烯生产联合装置；第三名是沙特阿拉伯石化公司在朱拜 勒的装置，规模达2 2 5 万吨年。随着国内乙烯行业的发展，一批大型、先进生产技 术的乙烯装置正在陆续建成并相继投产，国内乙烯生产情况见表i - 2 1 。此外，炼化 体化也提高了石化产业的整体技术水平和产业集中度，通过将乙烯装置和炼厂实施 体化经营，可降低乙烯和丙烯的生产成本和运输成本，提高产量，增加产品附加值。 例如石脑油优化利用技术、乙烯丙烯回收技术、重油催化热裂解制乙烯和丙烯技术、 轻烯烃芳构化技术等”1 。 表1 - 2 国内新建乙烯项目列表 t a bl 一2t h el i s tf o rd o m e s t i cn e w - b u i l te t h y l e n ep l a n t 注：中美沙合资指中石化集团公司、美国埃克森美孚公司和沙特阿拉伯s a u d ia r a b i a no i l c o m p a n y 公司。中沙合资指中石化集团公司和沙特基础工业公司( s a b i c ) 。 1 2 2 乙烯生产技术进展 生产乙烯的方法很多，其中管式炉裂解技术是应用最为广泛的生产方案，世界占 有量达9 9 以上。其他方法有沙子炉裂解、催化裂解、合成气制乙烯和甲醇制烯烃等。 管式炉生产乙烯的技术供应商多集中美国，分别是a b bl u m m u s 公司，s h a w s t o n e & w e b s t e r 公司和k b r 公司，这三家公司的技术应用占据了世界乙烯生产绝大部 分的份额。此外还有德国的l i n d e 公司和荷兰k t i t e c h n i p 公司l ；j , 4 j o 各家专利商在几十年的技术发展中均形成各具特色的核心技术。如l u m m u s 公司 的三元制冷压缩机，将丙烯、乙烯和甲烷三种制冷剂混合在一台压缩机内压缩，节省 了大量的设备投资，提高了压缩机的效率；全低压裂解技术使裂解气压缩机由五段三 箱变成三段两箱。s w 公司的在线清焦技术、清焦气返回炉膛大大提高生产周期：h r s 分馏分凝器( d e p h l e g m a t o r ) 技术可提高冷区分离能力，降低能耗5 - - - 1 0 。k b r 公司 的单程直线型短停留时间的毫秒炉，显著提高乙烯收率。 未来乙烯技术的发展方向朝着多元化综合发展，一批各具特色的生产技术将逐渐 实现工业化。 复合陶瓷裂解炉管 催化裂解技术 甲醇制烯烃技术( m t 0 工艺) 生物质乙醇制乙烯技术 甲烷制乙烯技术 1 。3 丙烯产业的发展 1 3 1 丙烯的用途 丙烯是乙烯的同系物，是构成现代石化两大基础原料之一。丙烯分子中双键使得 丙烯的性质非常活泼，能与许多物质发生反应，生成系列重要的丙烯工业衍生物。 丙烯的下游产物中占最大份额的当属聚丙烯( p p ) ，它是一种用途广泛、性能优异、 价格适中的热塑性合成树脂品种。 丙烯和苯发生歧化反应生成异丙苯，经氧化成过氧化异丙苯，最后分解生成苯酚 丙酮的生产工艺路线是最为经济的生产方案。丙烯发生氯化反应生产环氧丙烷是环氧 丙烷生产方法中常用的方法之一。此外，丙烯还可以发生氧化反应生成丙烯醛，进而 生成丙烯酸。丙烯发生水合反应生产磷酸。丙烯及其衍生物见图卜1 。 丙烯 1 3 2 丙烯生产技术现状 图1 - 1 丙烯衍生物图 f i gl - 1p r o p y l e n ed e r i v a t i v e s 丙烯衍生物的快速发展带动了丙烯需求的快速增长，近年来丙烯需求年增长率略 高于乙烯，打破了传统的以乙烯为中心的供需格局。2 0 0 1 年- 2 0 0 6 年，世界丙烯产量 和消费量年增长率均比乙烯高出约0 5 。据估计，2 0 0 6 年一2 0 1 5 年全球范围内丙烯需 求仍以4 9 的速度持续增长，亚洲将成为丙烯最大的需求区，中国的丙烯需求预计年 均增长达到6 3 引。 图i - 22 0 0 6 年世界丙烯产品来源 f i gl 一2t h es o u r c e so fp r o p y l e n ep r o d u c t i o ni n2 0 0 6 图卜2 为2 0 0 6 年世界丙烯产品来源，从图中可以看出，丙烯生产主要是肌乙烯 联产品和炼厂副产品中得到，占到总份额的9 4 ，其他新技术制取丙烯的份额共计6 左右。增产丙烯的新技术研究主要集中在四个方面“。 改进f c c 等炼油技术，挖掘现有装置潜力，增产丙烯的f c c 装置升级技术”j ； 全球f c c 装置的生产能力约为7 5 0 m t a ，通过调整原料品种、改性催化剂、优化操 作条件增产丙烯的发展潜力非常大，其中代表性的技术有中国石化集团公司的d c c 技 术、u o p 公司的p e t r o f c c 技术和新日本石油公司的h s p c c 技术等。这类技术显著提 高丙烯的收率，具有皇好的市场前景。 充分利用炼油及乙烯裂解副产的c 4 - c 8 等资源转化为乙烯、雨烯的低碳烯烃裂 解技术、烯烃歧化技术； 该技术不仅能解决炼厂和乙烯装置副产品c 4 - c 8 的出路问题，又可以开拓出新的 增产高附加值的乙烯、丙烯产品。目前世界较为成熟的低碳烯烃裂解技术有 a t o f i n a u o p 公司的o c p 工艺、l u r g i 公司的p r o y l u r 工艺a r c o k b r 公司的s u p e r f l e x 工艺、m o b i l 公司的m o i 工艺等。该技术从投资费用、生产成本和综合收益等方面均 虽具有吸引力，适合于现有蒸汽裂解相结合。烯烃歧化技术的主要代表为a b bl u m u s 公司的o c t 高温催化剂工艺、法国石油研究院( i f p ) 的m e t a4 低温催化剂工艺。 丙烷脱氢技术( p d h ) ”； 全球现有丙烯脱氢制丙烯工艺生产能力约为14 驯t a ，共计八套装置，其中六套 均采用u o p 公司的o l e f l e x 工艺。装置采用四个串联的移动床反应器，丙烯收率约为 8 5 。 以天然气、煤等为原料，生产乙烯、丙烯的甲酵制烯烃技术等。 目前较为成熟的技术有u o p h y d r o 公司的m t o 工艺和l u r g l 公司的m t p 工艺。该 豸 技术可改善原料成本结构，对于原油日益紧张的国内市场具有深远的意义。m t o 装置 可与甲醇厂一体化联合建设，减低投资和运行费用。 1 4 流程模拟软件的应用 1 4 1 模拟在丙烯精馏过程中的应用 国内在工程设计中已经大量使用流程模拟软件，取得了阶段性的成果。对于一些 成熟的装置，如乙烯装置、炼油的气分、催化裂化等装置，已将流程模拟的结果作为 重要的设计依据，并对现场的各种操作问题进行校验。 茂名石化的颜景方u u 等，通过a s p e np l u s 软件对丙烯精馏生产中丙烷中丙烯含 量高、塔板效率低等问题进行模拟，提出增加塔进料、改变流程、更换塔盘等方案。 沧州石化分公司的王亮u 副等利用h y s y s 流程模拟软件，对丙烯精馏进行动态流程 模拟，分析了操作中当进料量、进料组成波动时整个塔的动态响应变化过程，并以此 为依据修改了仪表控制方案。 兰州石化公司的孙卫国等利用a s p e np l u s 软件对乙烯装置中的丙烯精馏塔改造 后的操作进行稳态模拟，对更换为大通量的d j 塔盘的参数进行修正，并对双塔进行 动态模拟，研究进料量、进料组成和回流比扰动下的双塔动态特性，为指导开车和日 常操作提供可靠的依据u 也“。 除上述提到的对实际操作和改造进行模拟指导以外，国内很多学者也从节能的角 度对丙烯精馏单元进行了深入的研究。邹德红、曲晓廉u 副对气分装置中丙烯精馏塔增 设中间再沸器进行了理论分析，可降低工程投资和减少操作费用。陆敏菲u 州利用a s p e n p l u s 对丙烯精馏热泵流程进行模拟，得出塔釜液闪蒸再沸式热泵流程更有利。姚日远、 郑丹星分析了环境因素作用下丙烯热泵精馏的经济分析，利用能流结构图示分析法 完成系统能量分析与集成，提出创新的节能方案h 训。 1 4 2p r o ii 软件特点 化工过程模拟技术是上世纪五六十年代随着计算机技术的普及而发展起来的，是 以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助 计算手段，从整个工艺流程的物料和热量衡算、工况分析、最优化设计，到单元设备 的尺寸确定以及基础物性数据的计算，为工程师设计、研发、节能增效和工厂开车指 导、日常操作等各个阶段提供理论指导。a s p e np l u s 公司的a s p e np l u s 软件和 s i m u l a t i o ns c i e n c e s i n c ( s i m s i c ) 公司的p r o i i 软件是当今流行的两大主流稳态 流程模拟软件u 巩删。 p r o i i 软件自1 9 8 8 年投入市场以来，经过二十多年的发展，如今已成为石油化 工等领域必不可少的模拟软件。它的主要特性嵋u 如下： 拥有完备的物性数据库，并能够进行物性估算； 软件自带各种单元操作系统，能应对实际工厂的各种单元操作； 拥有多种热力学模型；利用序贯模块法进行流程模拟，系统本身可以自动完成流 程的分解和循环流股的切断； 软件使用范围广泛，能够处理固相过程、石油及合成燃料的加工、严格的电解质、 生物技术过程的模拟； 操作界面友好，即使是不精通计算机的人员也能熟练操作软件； 具备一体化成本与经济评估系统，可用于工程可行性研究分析； 自带石油化工典型常用的工艺流程的模拟案例。 1 4 3 模拟的顺序 作。 本论文采用p r o i i ( 8 1 版本) ，并按照图1 - 3 所示的顺序进行各类计算和优化工 图卜3p r o i i 模拟顺序2 1 1 f i g1 3p i i o i is i m u l a t i o ns e q u e n c e 1 5 本课题研究内容和意义 丙烯作为原料的大量市场需求和乙烯装置蓬勃发展带来的丙烯产量增加，为丙烯 技术的研究提供了广阔的空间。研究乙烯装置中丙烯精馏单元的稳定操作、低耗运行 也是为众多乙烯装置实际生产操作提供有意义的理论指导和建议。 作者查阅大量国内乙烯装置运行状况，丙烯精馏单元存在的问题主要体现在操作 工况和设计工况存在偏差。例如丙烯塔进料的组分变化较大的工况，丙烷的含量超过 设计值，定程度上增加了该塔分离的难度。在这种情况下，该塔操作波动较大，较 难调节稳定，丙烯产品和塔底丙烷中丙烯这两个指标不能同时达标；或者进料量增加 塔负荷增大时，塔底丙烷中丙烯的含量超标，造成丙烯产品流失的问题；或者该塔如 果满足设计参数要求时，往往回流比超出设计值，操作的成本增加。 作者根据上述问题，以现工作中正在设计的年产8 0 万吨乙烯装置中丙烯精馏单 元为例，通过模拟还原专利商设计模型，试图找到丙烯塔设计参数的设计原则，包括 全塔效率和实际塔板数、回流比的选取原则，塔的各操作参数的变化趋势和取值范围， 为今后独立设计和改造项目、指导优化操作提供参考依据。通过灵敏度分析寻求在实 际运行中尤其是装置操作参数或进料负荷波动时如何调节该塔各参数，以便更快的达 到平稳操作的目的。最后对比各专利商的设计优势，在节能改造方面对增设中间再沸 器、增设塔顶放空冷凝器和增设进料口进行分析，为节能减排提供思路。 第二章丙烯精馏单元设计方案 2 1 工艺方案的选择 丙烯精馏单元可分为两类工艺流程。一类为低压精馏工艺流程，大多采用热泵系 统，有闭式热泵系统和开式热泵系统两种设计。闭式热泵系统由丙烯压缩机、再沸器、 冷凝器组成封闭循环系统。压缩机出口的丙烯冷剂作为再沸器的加热介质，同时在此 冷凝。冷凝的丙烯冷剂作为塔顶冷凝器冷剂，蒸发的冷剂返回丙烯精馏塔。开式热泵 系统中的丙烯冷剂与产品丙烯混合在起。压缩机出口丙烯作为再沸器加热介质，同 时在此冷凝。冷凝的丙烯减压节流后送入回流罐，回流罐中的丙烯液体一部分作为产 品输出，部分作为塔顶回流。回流罐中闪蒸的气态丙烯与塔顶气态丙烯均进入丙烯 压缩机进行压缩。 另一类为高压精馏工艺流程，此工艺流程为常规精馏工艺，塔顶冷凝多采用冷却 水冷却，塔釜加热多采用急冷水加热比副。 ( a ) 闭式热泵系统 ( a ) c l o s eh e a t - p u m ps y s t e m p r o p a n ep r o p y l e n e ( b ) 开式热泵系统 ( b ) o p e nh e a k p u m ps y s t e m 图2 ，1 低压丙烯精馏热泵流程 1 一丙烯精馏塔：2 一塔顶冷凝器；3 一回流罐；4 一回流泵； 5 一丙烯加热再沸器；6 - - 丙烯制冷压缩机；7 一蒸汽加热再沸器 f k j2 - 1t h 8p r o c e s sf o rl o wp r e s s u r ep r o p y l e n eh e a t - p u m pd i s t i l l a t i o n 1 - p r o p y l e n er e c t i f i e r 2 - c , o n d e n s e r ，3 - r e f l u xd r u m 。4 - r e f l u xp u m p 5 - p r o p y l e n er e b o i l e r 。6 - p r o p y l e n er e f n g e r a t i o nc o m p e r s s o r , 7 - s t e a mr e b o i l e r 仅就丙烯精馏过程而言，高压精馏工艺所需塔釜和塔顶的负荷比低压精馏工艺 高。但对整个乙烯装置而言，在急冷水塔塔底产出的大量的急冷水在循环中需要及时 撤走热量，经一系列换热后最终返回急冷水塔的急冷水由于温度高还需要冷却水进一 步冷却，如采用急冷水加热丙烯精馏塔再沸器，无论从塔釜加热和塔顶冷却来看，并 不增加装置整体供热量和冷却水负荷。相比而言，虽然热泵流程较低操作压力可降低 回流比，但运行费用中的电耗比高压精馏高很多。因此近年来在有急冷水可供利用时， 乙烯装置用急冷水加热的高压丙烯精馏工艺流程已完全取代了低压热泵丙烯精馏工 艺流程。 2 2 工艺流程说明 丙烯精馏单元属常规精馏单元操作，由于丙烯对丙烷的相对挥发度很低，因此工 业生产中塔板数大多在2 3 0 块左右，相应塔高近百米。因此工业上出于加工、运输和 施工等因素考虑多采用双塔串联丙烯精馏工艺流程以降低单塔高度。图2 - 2 是某大型 乙烯装置丙烯精馏工艺流程简图。 此工艺流程采用碳三汽提塔c - 1 5 3 0 和丙烯塔c - 1 5 4 0 双塔串联设计。双塔各有1 3 5 块塔盘。加氢后的混合c 3 进料进入碳三汽提塔第2 0 块塔盘，气提塔塔顶气相进入丙 烯塔塔底，同时丙烯塔塔釜物料由丙烯塔输送泵p - 1 5 5 0 返回碳三汽提塔塔顶。碳三 汽提塔再沸器e - 1 5 3 0 和中间再沸器e - 1 5 4 0 顺序回收急冷水的热量。在e 一1 5 3 0 进出 口管线上设置调温旁路，以确保中间再沸器的急冷水进口温度稳定在7 6 。在碳三汽 提塔塔底同时设置一台用低压蒸汽做热源的开车再沸器e - 1 5 3 1 ，用于开车及急冷水负 荷不够的工况下使用。丙烯塔塔顶设置巴氏精馏段，塔顶物料经冷却水冷却后，不凝 气返回裂解气压缩机三段排出罐。聚合级丙烯产品从丙烯塔第1 1 块塔盘采出，经循 环水冷却至3 7 后送出界区。碳三汽提塔塔釜物料返回裂解炉或返回低压脱丙烷塔进 行分离2 驯。 口。焉ii鼍弓譬g墨d(ud-oj巴日露懿时号参。口忍曼a n 乙m 匠 ；：匦踺褥鼹集鼗腥qn陋 北京化工大学工程硕士学位论文 2 3 设计输入条件 表2 一1 年产4 0 万吨丙烯工况的操作条件2 3 1 1 3 北京化工大学工程硕士学位论文 表2 一l 是以某新建8 0 万吨年( 年操作小时8 0 0 0 小时年) 乙烯装置呦3 为设计基 础，分析丙烯精馏单元的优化操作。该厂副产品丙烯按照丙乙比( p er a t i o ) 0 4 5 和0 ，5 两种工况生产丙烯3 6 万吨年和4 0 万吨年( 年操作小时8 0 0 0 小时年) 。表 2 1 为专利商提供的年产4 0 万吨年丙烯的设计操作条件。 2 4 输出产品丙烯规格 表2 - 1 给出了工业用丙烯的产品规格。按照g b t7 7 1 6 2 0 0 2 的规定，聚合级丙 烯分成优等品( 9 9 6 ) 和一等品( 9 9 2 ) 两种规格汹1 。本装置采出丙烯的规格为聚 合级丙烯优等品。 表2 - 2 工业用丙烯技术要求 t a b2 - 2t h es t a n d a r do fp o l y m e rg r a d ep r o p y l e n e 北京化工大学工程硕士学位论文 第三章丙烯精馏单元模型的建立 上一章节中提到工业生产中为了运输和施工等因素的考虑，将丙烯精馏塔分成双 塔串联操作，但在模拟软件中双塔串联和单塔模拟没有本质区别。为方便模拟和收敛 的需要，在模拟软件中采用单塔模拟的原则。该章节重点还原专利商模拟过程，确定 模拟中关键参数的选取指标，为下一章优化操作变量提供技术支持。 3 1 模型参数的选择 3 1 1 稳态模型的建立 任何以理论板( 或平衡级) 为基础的严格精馏计算法均包含联立求解以下基本方 程组( m e s h 方程组) ： 物料衡算方程组( m a t e r i a lb a l a n c e ，m ) 相平衡方程组( e q u i l i b r i u m ，e ) 分子分数加和式( f r a c t i o ns u m m a t i o n ，s ) 热量平衡方程组( e n t h a l p yb a l a n c e ，h ) 精馏计算的目的是要通过联解m e s h 方程组求塔顶、塔底产品组成以及塔内温度、 流量和组成分布等参数2 副。 图3 - 1 气液接触的第j 平衡级 f i g3 - 1 t h ejb a l a n c es t a g ef o rv a p o r 1i q u i dc o n t r a c t 北京化工大学工程硕士学位论文 如图3 一l 所示给出了一个气液接触的第j 平衡级，其m e s h 方程，2 8 3 如下： 物料平衡方程组( m 方程组) ： 巧乙+ 句- i 薯产l + 巧+ l y l 川( + q ) 而 ，一( 巧+ q ) y i = 0 ， ( 式3 - 1 ) 相平衡方程组( e 方程组) ： y ( 。l - k i 。 x j j2 0 下标i 和_ ，分别代表组分号和塔板号。 分子分数加和式( s 方程式) ： k 。，再- 1 = 0 i = l y u - 1 = o 热平衡方程组( h 方程组) ： 1 ，n 1 j - 1 9 9 6 9 9 6 9 b ( t 0 0 1 ) 塔釜丙烯 b o t t o m p r o p y l e n e ( m 0 1 ) 操作方式 o p e r a t i o n 实际板数 t r a yn u m b e r 塔板形式 t r a yt y p e 塔径( m m ) t o w e rd i a m e t e r 2 9 5 2 2 2 5 双塔串联双塔并联 s e r i e s p a r a l l e l 2 6 6 2 0 0 双塔串联 s e r l e s 2 7 0 双塔串联 s e r l e s 2 3 8 双塔并联 p a r a ll e l 2 1 0 四溢流四溢流多降液管双溢流四溢流 f o u rf o u rm u l t id o u b l ef o u r o v e r f l o wo v e r f l o wd o w n c o m e r o v e r f l o w o v e r f l o w 5 4 0 0 5 4 0 0 7 0 0 0 7 0 0 0 6 8 0 0 6 8 0 05 2 0 0 6 9 0 05 6 0 0 5 6 0 0 双塔串联 s e r l e s 2 6 3 三溢流 t r i o v e r f l o w 6 6 0 0 7 8 0 0 2 7 北京化工大学工程硕士学位论文 3 4 5 模拟结果 为了得出专利商估算全塔效率的依据，首先严格模拟专利商模型，得出在相同的 冷凝器和再沸器负荷，相同的迸料量及组成，相同的全塔操作条件，相同的产品采出 量及规格的情况下，塔板效率都取1 0 0 得出的板数即理论板数。将此数据与实际专利 商工程化的塔板数比较，得出全塔效率的估算值。 全塔效率又称总板效率，它是指达到指定分离效果所需的理论板层数与实际板层 数的比值，即 e r = n ，n ，( 式3 - 1 4 ) e 广一全塔效率，； n 广理论板层数； n 广一实际板层数。 模拟的理论板数为1 7 0 块，实际板数为2 1 0 块，塔板形式为多降液管塔板，全塔 效率为8 0 9 。 3 4 6 本章小结 综上所述，模拟计算中计算理论板时首先考虑如何选取单板效率。当塔径和液相 负荷大时可能选取多溢流的塔板形式时，单板效率应该在9 5 - 9 8 之间取值，即应考 虑塔板形式对板效率的影嫡。对于丙烯精馏塔，因为丙烯和丙烷相对挥发度小分离困 难的因素，最终的实际板数应按照全塔效率不超过8 0 计算。 北京化工大学工程硕士学位论文 第四章丙烯精馏单元操作波动的优化 设计方案应该满足工业化生产波动的影响而都能达到满意的分离效果才是可靠、 优良的设计。实际生产中因为裂解原料的变化、全厂操作负荷的变化、实际产品采出 的变化等等因素使得操作的数据并不是完全按照最初设计进行。正因为这样，在设计 中才应该考虑波动带来参数变化，设计也应该与实际相结合，满足各种复杂工况的影 响。 4 1 模拟顺序的确定 精馏塔的设计参数涉及塔操作的温度、压力、进料量及组成和进料位置、回流比、 冷凝器及再沸器的负荷、回流温度、采出量等诸多因素。如果一一将所有的操作值任 意匹配进行模拟计算，工作量非常巨大，难以找到合适的匹配参数。因此，模拟顺序 的确定显得尤为重要。选取某一参数，该参数不易调节，或不经常调整且其他操作条 件的变化对其影响较小，且当其他参数变化时对其影响较小为合适，以此参数为给定 值做为起点，即减少一个变量数，对其他变量逐一进行优化设计，这样能大幅减少模 拟工作量，提高优化的速度和效率u 副。 i 模拟输入初值 上 l 最佳进料位置 i 最佳回流比 上 最佳产出范围 1 l l 其他参数优化 图4 1 模拟步骤 f i 9 4 - it h ec a l c u l a t i o ns e q u c n c 冶 4 2 模拟输入工况的确定 大量文献中试算表明不同回流比下的最佳进料位置 一致，也就是回流比的不同不影响最佳进料位置的选择， 而且实际中进料板的位置相对固定，因此将首先确定最 佳进料位置。在此基础上讨论塔负荷最低情况下的最佳 回流比，并得出回流比的取值范围，最后讨论合理回流 比下的合适的产出量范围。当这些参数都确定之后，塔 顶冷却器负荷及塔釜再沸器负荷等就相应确定。本模拟 优化均按以下步骤进行，见图4 - 1 模拟步骤。 实际生产中，因为前系统波动的影响，丙烯塔的进料组成和流量会有较大的波动， 北京化工大学工程硕士学位论文 以下考察在这些工况下，该丙烯塔现有设计能否满足分离的要求，并试图寻找更优化 的操作点，使在产品达标的前提下，能耗降到最低水平。 首先假设在设计进料量下，进料组成发生波动时的影响。由于进料中组成大部分 是丙烯和丙烷，研究的关键轻重组分是丙烯和丙烷，所以为了简化计算，假设当丙烯 含量降低时，丙烷含量相应增加，其他杂质组分含量不变。进料量的变化考虑塔设计 负荷1 2 0 ，且进料组成最苛刻即丙烯含量降至9 0 的情况。详见表4 一l 。各工况考察 均利用p r o i i 中c a s es t u d y 工况分析模块。 表4 一i 不同工况下进料组成以及分离任务 t a b 4 1t h et a b l ef o rs e p a r a t i o nr e q u i r e m e n ta n df e e dc o n d i t i o ni nd i f f e r e n tc a s e s 4 3 进料组成的波动影响 4 3 1 优化进料板位置 对表4 1 所述工况分析可得，从最初的设计工况丙烯含量9 5 到9 0 的范围中， 9 0 为最苛刻的工况，该塔若能满足此工况下塔顶塔底均达标的效果，即可涵盖其他 各进料丙烯变化值的