（化学工程专业论文）蒸馏法沥青生产工艺模拟及工程设计.pdf

摘要 沥青是国民经济必不可少的重要物资，它是修建现代公路和高速公路彳；可 缺少的原料。目前生产沥青主要有蒸馏法、半氧化法、溶剂法、调和法：本文 以奥里原油作为生产沥青的主要原料，与辽河原油按7 ：3 的比例进行混配， 对蒸馏法工艺生产重交通道路沥青的技术和工程设计方案开展了研究。 本文使用p r o i i 软件对上述混合原油采用常压、减压蒸馏方法生产沥青 的工艺进行了流程模拟，对常压塔和减压塔的取热分配进行了优化，确定了生 产合格沥青产品的两塔操作条件及各个物流的工艺参数，为工程设计提供了可 靠依据。以模拟数据为基础，对常减压塔的流体力学进行了计算，并完成了常 压塔和减压塔设备的结构参数工程设计。 本文最后对目前国内外沥青原料及产品的市场进行了分析和价格预测，对 该装置进行了经济分析，结果表明该项目的各项财务指标均优于行业的参考指 标，因此投资该项目在财务上是合理可行的。 关键字：p r o i i 模拟道路沥青奥里油经济评估 a b s t r a c t p i t c hi sa l l i m p o r t a n tm a t e r i a li ne s s e n t i a ln a t i o n a le c o n o m v ：i ti sa n i n d i s p e n s a b l er a wm a t e r i a lt ob u i l dt h eh i 曲w a ya n de x p r e s s w a y a tp r e s e n tt h e m a i nm e t h o d st op r o d u c ep i t c hi n c l u d ed i s t i l l a t i o n ，h a l fo x i d i z e s ，s o l v e n ta n dt h e m e d i a t em e t h o d t h i st e x ts t u d i e dt h et e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gd e s i g n f o r d i s t i l l a t i o nm e t h o dt op r o d u c er o d ep i t c hw i t ho r i m u l i s i o n o i la st h em a i nm a t e r i a l w h i c hm i x e dw i t hl i a o h e o i la t7 ：3 p r o c e s ss i m u l a t i o na n dh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o nw a s c o m p l e t e d f o rm e a t m o s p h e r i ca n dv a c u u md i s t i l l a t i o ns y s t e mu s i n gp r o i is o f t w a r e t h eh o te n e r g y o p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dp r o c e s sp a r a n a e t e r sw e r eo b t a i n e df o r t h et w oc o l u m n st op r o d u c e q u a l i f i e dp i t c h ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss u p p l yb a s i cd a t a f o re n g i n e e r i n gd e s i g n t h eh y d r a u l i c so ft h ea t m o s p h e r i ct o w e ra n dv a c u u m c o l u m na n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e rd e s i g nw e r ec a r r i e do u tb a s e do nt h e s i m u l a t i o n d a t a t h i st e x tc a r r i e so na n a l y s i sa n dp r i c ee x p e c t a t i o nt on o w a d a y sd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr a wm a t e r i a l sa n dm a r k e to ft h e p r o d u c t s ，c a r r i e do nt h et o t a l a s s e s s m e n to fe c o n o m yt ot h i sd e v i c e ，f i n a l l yg e t st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef i n a n c i a l i n d e xo ft h i sp r o j e c ti ss u p e r i o rt ot h er e f e r e n c eo ft r a d ei n d e xa n dt h i sp r o j e c ti s f e a s i b l ea tf i n a n c i a l k e yw o r d ：p r o i is i m u l a t i o nr o d ep i t c ho r i m u l i s i o n - o i l e c o n o m ya s s e s s i n g l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：q 4 座- ) b 签字日期：沙口j 年p 占月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：4 1 冬乞 导师签名 签字日期：z r 年5 月l r 日 锄 签字日期吖年月日 日u舀 刖吾 改革开放二十多年以来，特别是近年来，是我国公路发展速度最快、规模最大、 最具活力的时期，公路建设取得了令人瞩目的成绩。 1 9 9 8 年初，面对亚洲金融危机不断扩大的影响，党中央、国务院决定把加快包括 公路在内的基础设施建设作为扩大内需、拉动经济增长的重点。仅1 9 9 8 年公路建设实 际完成投资达2 l _ 1 8 x1 0 ”元，比1 9 9 7 年增长6 8 6 。全年新增公路里程3 7 x1 0 4 k m ， 其中高速公路1 4 8 7 k m ，一级公路2 1 9 5 k m ，二级公路8 8 0 0 k m 。1 9 9 9 年公路建设实际完 成投资达2 1 5 7 x1 0 ”元，新增公路里程5 8 1 0 4 k m ，其中高速公路2 8 2 5 k m ，一、二级 公路1 2 5 x t 0 4 k m 。 尽管我国公路建设发展很快，但总体来说还很落后。目前绝大部分公路依然是中 低级路面，路面铺装率很低。公路网密度仅为美国的1 5 、日本的1 2 4 、印度的1 5 。 我国高速公路在路网上呈散状分布，不能发挥其应有的规模效益。目前已有的高速公 路仅为需求的1 5 。 根据围民经济和社会发展的需要，为使我国公路与国民经济发展格局相适应，交 通部制定了国道主干线发展规划。计划从1 9 9 1 年起，用3 0 年左右的时间，逐步建成 1 2 条长度约为3 6 x1 0 4 k m 的以高速公路、一级公路为主体的“五纵七横”快速、高效、 安全的国道主干线系统，预计到2 0 2 0 年，我国公路将基本适应国民经济发展和人民生 活的需要。 秦皇岛中油石化有限公司沥青厂，是由中国石油天然气集团公司与秦皂岛开发区 合资兴建的国有股份制企业。现有2 2 万吨年常压蒸馏、3 0 万吨年沥青装置、l o 万 吨年改性沥青等装置等。经营范围是：生产、加工、储存、销售沥青、燃料油等。沥 青厂位于秦皇岛市东北侧，设有铁路专用线，水陆交通十分便利。着眼于厂的长期发 展与规划，发展石油生产、仓储、销售为体的综合性项目，主要是基于以下考虑， 一方面立足于华北地区的广大市场，另一方面在深入的市场分析的基础上，充分发挥 本项目的地理位置优势和自然条件优势。 本文以秦皇岛中油石化有限公司沥青厂新上一套1 0 0 万吨年沥青装置为基础，根 据奥里原油及辽河原油的特点，利用p r o i i 软件对整套装置包括换热流程进行模拟及 优化，并最终确定了工艺路线。 第章文献综述 第一章文献综述 1 1 计算机模拟与化学工程 化= _ i i 过程流程模拟就是借助计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型， 得到有关该化工过程性能的信息。它主要是通过流程级上的信息进行有益于化工 过程开发、设计和操作的分析“3 。稳态模拟已普遍用于物料、能量衡算，设备尺 寸和费用计算，以及过程的技术经济评价。 化学工程在2 0 世纪的二三十年代是建立在“单元操作”的概念之上，研究 的是化工参数间简单的定量关系。到了5 0 年代，单元操作的理论有了相当的发 展，能够用可靠的数学形式加以表达。6 0 年代，开始用计算机辅助工程师对单 元模型作计算，但由于计算能力，主要的计算还只是单元操作。随着计算机技术 的发展，渐渐的可以把几个单元操作综合起来进行计算分析。过程模拟已成为化 学业工程师设计新装置和分析现有的装置性能、改进现有装置操作的有力工具。 分离是化学工业中应用最为广泛的单元操作，它用来分离大量的化学组份， 它的数学模型是高度非线性的，这给计算机计算的收敛带来了很大的困难，直到 j o s e p h f b o s t o n 博士开创了内外双层算法。才很好地解决了这个问题，而且很 快成为过程工业的标准算法。 陈超群( c b a u - - - c h y u nc h e n ) 博士在1 9 8 5 年开发了一种新的方法来描述电 解质的加工过程，并用来模拟了碳酸钠的生产过程，使得电解质的加工在条件改 变后能预测其行为。 c h a r l i ec u t l e r 和他的合作伙伴联合创立的d m c c 发明了多变量预估控制， 它是基于过程的动态数学模型的，它可以很好地解决有多约束的复杂系统的控 制，使得控制的实用性大大提高一步。1 。 基于以上的三大技术创新，9 0 年代有很多的公司开发了先进控制、闭环实 时优化等系统，大大提高了过程企业的信息自动化，使得企业对环境变化的适应 能力大大提高，但这些都只是某个方面的、相互独立的系统，在这些产品的竞争 中，s i m s c i 公司成为过程工业信息服务的领导者。 现在过程工业的很多的领先企业在各个方面都使用了信息自动化技术，但都 是相互独立的，而企业现在都着眼于整个企业的优化，这就要求企业的所有独立 模块能有机地配合起来，使整个企业作为一个系统来优化。在信息技术方面就要 有一个框架，合理地调配各模块。 在炼油方面，国外早已推出桌面炼油厂的整体信息化，并且纷纷上马，先进 控制和闭环实时优化等。s i m s c i 公司推出了以工程价值链、制造价值链、供应 第一章 文献综述 第一章文献综述 1 1 计算机模拟与化学工程 化工过程流程模拟就是借助计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型， 得到有关该化工过程性能的信息。它主要是通过流程级上的信息进行有益于化工 过程开发、设计和操作的分析“。稳态模拟已普遍用于物料、能量衡算，设备尺 寸和费用计算，以及过程的技术经济评价。 化学工程在2 0 世纪的二三十年代是建市在“单元操作”的概念之上，研究 的是化工参数闻简单的定量关系。到了5 0 年代，蕈元操作的理论有了相当的发 展，能够用可靠的数学形式加以表达。6 0 年代，开始用计算机辅助工程师对单 元模型作讣算，但由于计算能力，主要的计算还只是单元操作。随着计算机技术 的发展，渐渐的可咀把几个单元操作综合起柬进行计算分析。过程模拟已成为化 学业工程师设计新装置和分析现有的装置性能、改进现有装置操作的有力工具。 分离是化学工业中应用最为广泛的单元操作，它用来分离大量的化学组份， 它的数学模型是高度非线性的，这给计算机计算的收敛带来了很大的困难，直到 、 o s e p h f b o s t o n 博士开创了内外双层算法。才很好地解决了这个问题，而且很 快成为过程工、吐的标准算法。 陈超群( c h a u - - c h y u nt h e n ) 博士在1 9 8 5 年开发了一种新的方法来搞述电 解质的加工过程，并用来模拟了碳酸钠的生产过程，使得电解质的加工在条件改 变后能预测其行为。 c h a r l i ec u t l e r 和他的合作伙伴联台创立的d m c c 旋明了多变量预估控制， 它是基于过程的动态数学模型的，它可以很好地解决有多约束的复杂系统的控 制，使得控制的实用性大大提高一步。2 i 。 基于以上的三大技术创新，g o 年代有很多的公司开发了先进控制、闭环实 时优化等系统，大大提高了过程企业的信息自动化，使得企业对环境变化的适应 能力人大提高，但这些都只是某个方面的、相互独立的系统，在这些产品的竞争 中，s i m s c i 公司成为过程工业信息服务的领导者。 现在过程工业的很多的领先企业在各个方面都使用了信息自动化技术，但都 是相互独立的，而企业现在都着眼于整个企业的优化，这就要求企业的所有独立 模块能有机地配合起来，使整个企i k 作为一个系统来优化。在信息技术方面就要 有一个框架，合理地调配各模块。 在炼油方面，国外早已推出桌面炼油厂的整体信息化，并且纷纷上马，先进 控制和闭环实时优化等。$ i m s c i 公司推出了以工程价值链、制造价值链、供应 控制和闭环实时优化等。$ i m s c i 公司推出了以工程价值链、制造价值链、供应 第一章文献综述 链价值链套件的三维解决方案。 而我国化工行业的信息自动化程度较低，作为一个后进国家，企业对这方面 的呼声很高，但国内的相应产品不多，这方面的开发力量很弱，这两年有些增强， 很多信息系统都是引进国外的，但在我国的应用情况不是很理想。 1 1 1 稳态模拟 随着现代化学工业综合生产的实现和化工生产装置的曰趋大型化，传统的面 向单元操作的分析与优化已收效甚微，已不能满足现代化学工业的优化目标。而 是要用系统整体观点和系统工程方法，建立这个大系统的数学模型，应用电子计 算机技术来研究化工过程的开发、设计、最佳操作和最优控制，从而使整个生产 系统获得最大经济效益。一般来说，系统越大越复杂，优化的效果越好，同时优 化的难度也越大。 对整个过程系统进行分析与优化的很大一部分工作是对整个系统的结构分 析、系统数学模型的建立和解算。模型的求解可以借助于计算机来快速、准确地 辅助我们完成，而系统模型的建立和计算机实现仍然要占用整个工作的大量时 间。然而，这对于一般的生产流程是没有必要的。现在有很多成熟的通用稳态模 拟软件( g e n e r a ls t e a d ys i m u l a t o r 简称c s s ) 将成熟的单元操作、物性计算、 结构分析和最优化方法集成一起，以直观友好的界面发布出来，将系统的结构分 析、建模和解算的工作量除到最低”1 。这样工程师就可以将大部分精力放在解决 实际问题上。主要的通用稳态模拟软件有a s p e np l u s 、p r o i i 、h y s i s 等。 任何一个自动化的信息处理系统，都包括软件、硬件、数据、用户和数据处 理规则。其中数据、用户和数据处理规则决定了这个自动化信息处理系统是否适 合于某特定的信息处理系统。国外的通用模拟软件是基于国外的现有检测技术而 选择的计算模型，由于我国的部分检测技术和国外相差较大，所以部分数据的处 理情况很不理想。而且作为通用模拟软件，它在流程模拟上提供最大的自由度。 本质上，使用通用模拟软件仍是个流程模拟的开发过程，熟悉流程现场的技术 人员仍需学习模拟软件的开发知识。 1 1 2 通用模拟软件的作用 如果使用通用模拟软件来辅助分析和优化工作，可以利用通用模拟软件内 置的大量的单元操作模型、物性计算方法、优化模块以及完备的基础物性数据方 便、快速地用计算机描述流程，并利用它提供的各种分析工具进行流程分析“7 。 而如果不基于通用模拟软件，则单元操作、物性计算、最优化方法的模型要自己 建立或收集，并完成模型的计算机程序开发，这个工作量很大，而且会随着过程 第一章文献综述 的复杂而呈指数型增长。 通用模拟软件并没有覆盖整个过程分析过程，它并没有使模拟工作在应用级 上透明化，尤其是物性计算方法的选择，它只是将模拟在模块级上实现了封装。 使用通用模拟软件进行过程建模和分析仍然需要用户对物性计算和问题领域十 分熟悉。 就象计算机程序开发语言中提供了大量的通用模块和自动化工具大大提高 了开发效率，通用模拟软件同样使得模拟工作的效率大大增加。而且，通用模拟 软件可以止用户用自定义模块和内嵌f o r t r a n 扩展现在模块，并使用o l e 自动化 技术支持用户进行二次开发工作。由于通用模拟软件提供了如此灵活的扩展方 式，所以模拟工作应尽可能地利用通用模拟软件的资源。 1 1 3p r o i i 软件介绍 p r o i i 是美国s i m s c i 公司推出的大型通用流程模拟软件，其程模拟程序广 泛应用于化学工程的严格的质量和能量衡算。从油气分离到反应精馏，p r o i i 提 供了最广泛、最容易使用的有效模拟工具。产品的图形界面提供了个完全交互 的、基于w i n d o w s 的环境，无论是对于建立简单的、还是复杂的p r o i i 模型， 它部是理想的环境。 2 0 0 1 年5 月新发行的p r o i i v 6 0 在功能上有很大进步，可以提供在线模拟。 在实用性上，p r o i i 要比其它同类软件更具优势，主要是该软件的开发思路就 是针对炼油化工行业，s i i s c i 的计算模型已成为国际标准，p r o i i 有标准的通 道，可同换热器计算软件或其它大型计算软件相连，另外还可与w o r d 、e x c e l 、 数据库相连，计算结果可在多种方式下输出。 p r o i i 软件模拟应用于设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有装置、 依据环境规则进行评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。 软件除提供组分数据库和混合物数据等基本包，还向用户提供界面模块和应用模 块。 p r o i i 程序友好直观的p r o v i s i o n 界面提供给快速而有力的回答了w h a ti f 问题，p r o i i 可以很容易改动工艺中的数据和观测结果，可以在线调整交互解 决问题，从而更好的提高生产率4 1 。p r o i i 领导世界各地的石油、化工和炼油选 择p r o i i 作为他们的模拟加工处理，发现故障和生产优化。p r o i i 执行严格质 量和能量平衡广泛用于处理化工。从石油到气体分离的反应蒸馏，p r o i i 程序 提供最多的全面的和容易使用模拟有用的解决办法，p r o v i s i o n 绘画用户界面提 供产品完全窗口交互式界面装置环境从建立和修改两者简化合成p r o it 模块。 4 第一章 文献综述 1 2 技术方案选择 1 2 1 生产方案选择 沥青是石油馏分中沸程最高、组成最复杂的一部分，生产工艺一般并不复杂， 产品的质量与使用性能在很大程度上取决于原油的性质。只要有适宜的原油，甚 至采用最简单最基本的石油炼制工艺一常减压蒸馏都能生产出质量上乘的道路 沥青产品”1 。 石油沥青的生产技术主要有四种：蒸馏法、半氧化法、溶剂法和调合法”1 。 ( 1 ) 蒸馏法制取石油沥青工艺简单、经济，一般生产软化点低的道路沥青。 由秦皇岛中油石化有限公司沥青厂所提供的原油评价可见，辽河原油和奥里原油 按3 ：7 比例的混合原油不同切割深度的减压渣油实验数据符合a h 一5 0 、a h 7 0 、 a h 一9 0 、a h 一1 1 0 、a h 一1 3 0 高等级道路沥青标准要求。 ( 2 ) 半氧化法是将软化点低、针入度及温度敏感性大的减压渣油，在一 定温度条件f ，通入空气进行氧化反应，使其软化点上升，针入度及温度敏感性 减小，以达到沥青规格指标和使用性能要求。国内般用于环烷基、环烷中间基 等基属的原油。采用半氧化法生产的重交沥青比直馏沥青具有低温延度好，脆点 低，蜡含量降低，胶质减少，沥青质增加，沥青的粘弹区域变宽，耐候性增强等 优点。 ( 3 ) 溶剂法是利用溶剂对渣油中各组分的不同溶解能力，从渣油中分离 出富含饱和烃和芳烃的脱沥青油，同时得到含胶质和沥青质的浓缩物。国内一般 用于石蜡基、中间基、中间石蜡基等基属的原油。 ( 4 ) 调合法是为了增加生产沥青的灵活性，许多炼厂生产软沥青和硬沥青 二种基础组分，然后通过调合得到所需的各种产品。1 。 根据奥里原油和辽河原油性质，本项目采用蒸馏法生产重交沥青。同时在效 益好、技术可靠的前提下，本设计原则推荐常减压一减粘方案。 原油自原油罐区进入常减压蒸馏装置，经换热及常压炉加热后于常压塔蒸 馏出直馏汽油组分、柴油组分等馏份，二者可作为燃料油调合组分销售出厂，常 压渣油于减压塔蒸馏出蜡油亦可作为燃料油调合组分销售出厂，减压渣油即可作 为合格的沥青产品出厂。 1 2 2 工艺技术选择 考虑到原料油组分偏重，达到针入度、软化点要求时收率小、切割温度低。 对蒸馏工艺方案的选择有二种： 第一章文献综述 ( i ) 常减压蒸馏方案； ( 2 ) 初馏一减压蒸馏方案。 各方案的优缺点比较见表卜l 表卜1 方案比较 方案 优点缺点 初馏减压蒸馏( 1 ) 投资省抗原油性质波动性能力差 ( 1 ) 操作灵活 常压减压蒸馏投资较初馏一减压蒸馏方案稍大 ( 2 ) 抗原油性质波动能力较强 综合上述两个方案优缺点以及考虑今后原料性质可能发生的变化，本次设计 采用常压一减压蒸馏方案。 装置主要生产高等级道路沥青。副产品为轻质油组分、中质油组分、蜡油。 根据原油的特点，在技术成熟可靠的基础上，尽量采用近年来开发的新技术、新 设备和新材料，力求技术上的先进性和经济上的合理性。本装置主要技术特点如 下： ( 1 ) 采用国际上先进p r o i i 模拟程序对全装置进行工艺过程模拟计算，优化操 作条件。 ( 2 ) 根据混合原油含硫量较高的特性，本装置采用在常压塔顶及减压塔顶注水、 注中和缓蚀剂等措施降低设备管线的腐蚀f 9 】。 ( 3 ) 由于原油含水量大，故采用三级电脱盐脱水。电脱盐脱水系统采用成熟可 靠的交直流电脱盐技术。采用p r o i i 软件优化换热网络，提高原油换后温 度，降低能耗。 ( 4 ) 为了减少冷换设备台数，节省投资，对单台冷换设备进行优化设计，采用 多项强化传热技术，提高传热效率。 ( 5 ) 在生产燃料油时，采用同类装置的成熟经验，减粘反应塔在设备方面取适 当的高径比，在设计工艺条件方面取较高的反应温度和反应器流速，力争反 应温降达到2 0 ，以达到要求的反应深度。 1 3 国内外常减压蒸馏技术的进展 1 3 1 国内外常减压蒸馏技术的进展简介 2 0 世纪末，世界石油炼制工业已发展为加工手段齐全，共有7 5 0 多座正规 炼油厂，原油加工总能力为4 0 7 x 1 0 8 t a 的全球经济支柱产业“，为全球经济的 高速发展作出了巨大贡献。 第一章文献综述 常减压蒸馏装置是炼油厂和许多石油化工企业的龙头，它的能耗、收率和 分割精度对全厂特别是深度加工装置和石油化工装置影响很大，它要为二次加工 或三次加工创造条件，酋先要求常减压装置尽可能多出轻质油和蜡油，当前在普 遍感到减压瓦斯油不足的情况下，要特别强调提高总拔出率，这方面我们和国外 先进水平比较还存在一定的差距。美国k b c 公司已开发出6 0 7 6 2 l 的原油深 度切割技术，而我们的原油切割温度基本上都在5 5 0 c 以下“。我国减压渣油中 5 0 0 以前的馏分含量普遍偏高，大部分在1 0 以上，有的甚至高达1 9 ，这就 是说，还有百分之十几的v g o 没有回收，这个潜力还是很大的。我国常减压蒸 馏装置总拔出率平均高1 ，就可以增加上百万吨轻油和减压瓦斯油，再进行二 次加工，将增加亿元以上的经济效益。另外，在原油蒸馏方面，埃尔夫和t e c h n i p 公司推出的d 2 0 0 0 先进蒸馏工艺，采用窄点技术优化加热炉和空冷、水冷取热 供热，达到最大的节能效果“。该工艺尤其适用于大型蒸馏装置。总的一次能耗 对于阿拉伯轻质原油或俄罗斯出口混合油为l o o 吨原油耗燃料1 2 5 吨，对于阿 拉伯重质原油为1 0 0 吨原油耗燃料1 1 5 吨。用于装置改造，无需增加加热炉， 可使原有装置提高3 0 生产能力。 1 3 2 提高常减压蒸馏技术的措施 近年来，随着油田热采技术的开发和应用，我国重质原油产量逐年递增， 原油中胶质、沥青质增多，酸值成倍增加，有些原油的氯含量也在增大，并且进 口原油的加工比例也有较大幅度提高，这些因素使原油蒸馏装置一度面临着多方 面的技术难题，通过近几年针对性的科学研究与技术改造，常减压蒸馏技术有了 较大的发展和进步n “。 1 3 2 1 设备防腐方面取得了很大进展 在深度脱盐方面，电脱盐由单一的防腐手段发展成为原油预处理装置，完 成了高相对密度、高酸值环烷基原油的深度脱盐攻关任务。“一脱四注”已发展 成为“一脱三注”“”。采用复合破乳剂、通过优化换热流程适当提高脱盐脱水 温度、强化电场作用，目前一脱后很多装置能将盐含量降到3 m e , l 以下。 1 3 2 2 原油常减压蒸馏拔出率提高 ( 1 ) 降低进料段压力。通过降低减压塔顶残压和降低全塔压力降以降低进料段 压力，采用高效规整填料或混合型内部构件，使减压塔具有通量大、压降 小、传质热效率高、操作弹性大等优点，可将减压塔全塔压力降到1 0 k p a ， 这样不仅拔出率提高，还可以降低加热炉出口温度，节约燃料油用量。另 第一章文献综述 外，降低转油线的压力降，采用炉出口处炉管逐级扩径，缩短低速段长度， 将径向进入减压塔改用伸入塔内，管下部不规则开孔或开喇叭口“，这样 即提高了拔出率，又改善了产品质量。 选择合适的减压炉出口温度，对拔出率及产品质量影响很大。在统计的用 大庆油生产润滑油的装置中，炉出口温度在3 8 5 4 0 0 c 之间，此温度升高 1 0 ，减压拔出率可提高5 以上，但过高又影响真空度和油品质量，要 综合考虑，炉温的优选应服从工艺要求。 采用活性添加剂强化原油蒸馏。此方法是利用活性添加剂改变系统状态， 调节石油分散体系中分子间的相互作用，使其复杂结构单元中的超分子结 构与其周围的溶剂化层( 壳) 之间具有最佳值，在蒸馏时能使那些在未加 活性添加剂时被超分子结构吸附或溶解的部分相对分子量较小的、芳构 化程度较低的烃类解脱出来“， 优化原油混合比，提高蒸馏拔出率。将原油性质差别较大的两种或几种原 油找最佳比僦混合，使超分子结构吸附或溶解的部分相对分子量较小 的、芳构化程度较低的烃类解脱出来，这样可使中间馏分油的收率高于单 独加工一种原油的收率。 1 3 2 3 节能水平不断提高 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 优化热量分配，提高换热终温。回流取热比的设定是否合理，对热量回收 有重要的影响，可以在满足产品质量的前提下，应尽量减少塔顶回流，有 条件的装置应实现零回流，中段回流尽可能在较高的温度下抽出，中段回 流取热比由以前的5 0 6 0 上升为7 0 8 0 ，少数装置可达9 0 左右。 采用于式减压蒸馏取代湿式减压蒸馏。理论上汽提能降低油气分压使较轻 的组分汽化，但蒸汽汽提会带来全塔压力降上升和抽真空系统负萄增加， 增大蒸汽和冷凝水的用量，所以不少装置采用了干式减压蒸馏o ”。 控制过汽化率，过汽化率高可提高产品质量，但增加燃料油用量，使轻油 产品收率反而降低。过汽化率每降低1 ，则加工每吨原油能耗下降 8 3 7 m j 。 减少加热炉系统能耗。 1 3 2 4 模拟及自动化控制 将原油蒸馏装置和汽、煤、柴调合分成几个优化控制模块，编程序自动进 行控制，通过多个局部优化模块的组合，使整个工艺过程达到优化的目的，设置 集散型仪表( d c s ) 、开发引进一些优化控制软件等，加快了常减压蒸馏控制水 平的提高岫3 。 ) ) ) q o 第二章模型 2 1 模型的确定 2 1 1 流程模型 第二章模型 根据模拟的目的，我们需要考察原料的变化所引起的产品的变化，整个流程 的换热网约束，我们可以凭经验来分析，并且可以假设原油是经过电脱盐和电脱 水可以直接进入流程蒸馏的，那么流程可以简化为只有常压炉、常压塔、常压汽 提塔、减压炉、减压塔的流程。 模拟中在流程前加一混合模块，让不同的原油生成虚拟组份后，由混合模块 混合后进入蒸馏塔。这样就可以实现圃定种类原油的任意比例的混合“。 2 1 2 单元模型 2 1 2 1 复合塔的特点及模型 原油的常减压蒸馏塔是典型的复合塔设备。 复合塔是由多个简单的塔组成的，原油进入复合塔后经过一个闪蒸，汽相进 入精馏段，复合塔顶部的侧线产品抽出量会影响到这个塔的回流量，在塔板数 定时，对应的塔顶侧线产品抽出量越大( 即回流量越小) ，原油中的重组分就会 越多地进入塔顶，这样侧线产品就会变重，同时也影响到这个塔以上简单塔的进 料。这样每个简单塔操作变量的改变都会影响到其它塔的各个变量。在侧线外放 量一定时，每个简单塔的塔板数将决定原油中的轻组分分割的清晰度，其等效理 论板数越多，油分割得越清晰。塔板数和抽出量会影响到塔对原油的切割。 原油的切割主要有两个指标：一个是侧线产品的馏程范围，二是相邻两个侧 线产品的重叠程度。 各侧线产品中，轻馏分的重端和重馏分的轻端有一定的重叠，增加侧线汽提 塔的塔板数和回流量，产品间的重叠将会减小，而且上面的产品会变轻。 回流量决定了原油在整个塔中的切割分布，而每个简单塔( 侧线汽提塔) 的 塔板数决定了各侧线产品分割的清晰度。 2 1 2 2p r o l l 提供的复合塔模型 对于复合塔设备p r o i i 提供了两种严格计算模型，其中一种模型可以用 来模拟多个多级精馏塔装置相互相连的系统。这个模型可以处理： 9 第二章模型 任意数目的塔，每个塔可以有任意个平衡级； 任意塔间的任意连接，塔内的任意连接： 连接物流可以任意分离、混合。 这个系统可以包括：侧线汽提塔、中段回流、外部换热器、进料加热炉等 设备。 另一种模型是专用于油品蒸馏的模型，可以模拟任意数目的中段回流和侧线 汽提。可以规定进料方式是否为加热炉进料以及任意个侧线产品。 对于炼油，以上两种模型都可以使用。 2 1 2 3 蒸馏塔的结构及操作参数 ( 1 )常压塔 主塔有2 3 块理论板( 见常压塔简图) ，一个过冷凝器( 操作温度为：4 0 。c 过 冷，压力为1 1 k g c m 2 ) 。塔顶全凝器的操作压力为1 1 k g c m 2 ，塔顶的操作压力 为1 ，3 k g c m 2 ，塔底的压力为1 6 k g c m 2 。加热炉在3 k g c m 2 的操作压力下将物流 加热到3 6 0 后进入常压塔。常压塔共有一个顶循环p l 、两个中段回流p 一2 、 p 一3 及三个侧线汽提s s 1 、s s 2 、s s 一3 。 p 一1 ：顶循环，第二块理论板抽出，返回到第一块理论板，抽出量为1 2 6 0 0k g h r ， 返回物流温度7 5 。c 。 p 一2 ：常一中循环，第八块理论板抽出，返回到第七块理论板，抽出量为2 2 3 0 0 k g h r ，返回物流温度1 4 1 。 p 一3 ：常- - 9 循环，第十四块板抽出，返回到第十三块板，抽出量为：2 3 8 0 0k g h r ， 返回物流温度1 7 8 。 s s l ：第个汽提塔有二块理论板，对常一线油( 模拟中物流名字为c - 1 ) 进 行汽提，从主塔的第六块理论板抽出，塔顶的汽相返回第五块理论板，用 压力为1 0k g c m 2 、温度为3 9 0 。c 、流量为5 0k g h r 的过热蒸汽汽提，塔 底的产品流量为3 0 0 0k g h r 。 s s 2 ：第二个汽提塔有二块理论板，对常二线油( 模拟中物流名为c 一2 ) 进行 汽提，从主塔的第十二块理论板抽出，塔顶汽相返回第十块理论板，用 t ok g c m 2 、温度为3 9 0 。c 、流量为5 0k g h r 的过热蒸汽汽提，塔底产品 流量为4 7 2 0k g h r 。 s s 一3 ：第三个汽提塔有二块理论板，对常三线油( 模拟中物流名为c 一3 ) 进行 汽提，从主塔的第十七块板抽出，汽体返回第十六块板，用1 0g g c m | 2 、 温度为3 9 0 。c 、流量为5 0 k g h r 的过热蒸汽汽提，塔底的产品流量为6 6 2 3 k g l t r 。 o 第二章模型 常压塔底用1 0k g c m 2 、温度为3 9 0 、流量为1 0 0 0 k g h r 的过热蒸汽汽提， 常底重油的流量为1 0 9 8 0 0k g h r 。 ( 2 ) 减压塔 减压塔采用规整填料，主塔共有四段填料，在p r o i i 模拟时按相当于十四 块理论板数计算( 见减压塔简图) 。 减压塔塔顶为连续真空系统，设有减压塔顶冷凝器，塔顶的冷量由塔顶循环 回流带入，塔底的热量由通过减压炉的进料带入。塔底通有m k g c m 2 、温度为 3 9 0 。c 、流量为8 0 0k g h r 的过热蒸汽，对进料进行汽提。考虑到奥里油的性质， 模拟计算时采用三个侧线抽出，即减一线、减二线及减三线，分别从第三块板、 第六块板和第九块板抽出。塔顶操作压力为6 7 k p a ( 绝) ，塔底压力为 8 ，7 k p a ( 绝) 。 减压塔共有三个循环回流，塔顶循环p 一1 ，中段回流p 一2 ，p 一3 ： p i ：从第三块理论板抽出，返回到第块理论板，抽出量为7 8 0 0 k g h r ，返回 物流温度5 4 。 p 一2 ：从第七块理论板抽出，返回到第六块理论板，抽出量为1 9 0 0 0 k g h r ，返 回物流温度1 7 2 。 p 一3 ：从第十块理论板抽出，返回到第九块理论板，抽出量为4 2 0 1 0 k g h r ，返 回物流温度2 1 6 。 2 2 原油的描述及原油的性质 2 2 1 原油的描述 p r o i i 提供的石油分析工具可以完成以下工作： ( 1 ) 将标准蒸馏曲线转换成实沸点蒸馏曲线数据 ( 2 ) 外推测定曲线数据并估算所有缺乏的数据 ( 3 ) 可以按任意比例调和石油，并算出其实沸点曲线 ( 4 ) 为石油生成虚拟组分，并估算出每个虚拟组分的物理化学性质 由于国内外原油的评价方法有所差异，该模块对我国评价的原油的恩氏蒸馏 ( 一种快速的经典的原油评价方法，设备是一个塔顶无回流的蒸馏设备) 曲线进 行拟合时，轻端处理与实验得到的数据曲线相差较大。由于我国的原油评价数据 的馏程在1 0 0 c 到5 0 0 c 之间，原油轻端组份分析数据缺乏，而且原油的采样和 分析的时间间隔较大，这使得初馏点的测量值与实际情况差别较大，在拟台时无 法反映真实情况，初馏点拟合的结果一般偏离。重端的分析数据经过拟合后，结 果偏轻。我国有一种用指数来拟合重端的方法，可以得到较好结果。并且我国的 第二章模型 分析数据在将恩氏蒸馏曲线转换成实沸点曲线时，原油的轻端和重端都变轻，只 有中间部分和实沸点实验曲线吻合的较好。 由于流程模拟是用实沸点曲线生成虚拟组分的，所以在进行模拟时，最好直 接使用实验测得的实沸点数据，这样可以使模拟结果更加准确一些。而且给出的 曲线上的点越多越好，最好提供轻馏份的组份分析数据。 本文模拟中使用的原油分析数据都是实沸点蒸馏曲线。实沸点蒸馏是一种较 精确的经典的原油评价方法，设备是一个塔顶有回流的蒸馏设备。 2 2 2 原油的性质 根据秦皇岛沥青厂提供的原油评价数据，沥青装置加工原料主要为辽河原 油与奥里原油的混合油。混合比例为奥里原油：辽河原油= 7 ：3 。 2 2 2 1 原油掺炼比例及原油含水量 采用2 种原油的掺炼，具体的掺炼比例及含水量见f 表2 1 。 表2 - 1 原油掺炼比例及含水量 流量含水量流量掺炼比例( m s ) 原油名称 ( t h )( m s ) ( t h ) 包括水不包括水 奥里原油 1 2 53 01 2 57 6 87 0 辽河原油 3 7 80 83 7 82 3 23 0 2 - 2 2 2 两种原油的原油l 生质 ( 1 ) 辽河原油性质 辽河原油性质见下表2 2 。 表2 - 2 辽河原油性质 分析项目测值分析项目测值 密度( 2 0 ) 0 9 6 2 0 饱和份( ) 3 5 3 ( g c m 3 ) 粘度( m m 2 s ) ( 5 0 3 3 9 6 芳香份( ) 2 5 2 ) ( 8 0 ) 5 5 7 胶质( ) 3 7 g 凝点( ) 一1 9 沥青质( ) 1 5 0 酸值( m g k o h g ) 3 1 2 闪点( 开口) ( ) 1 3 9 残碳( m s ) 7 5 la p i1 5 6 蜡含量( m s ) 1 5 金属分析( p p m ) f e 9 4 5 灰分( m ) 0 0 2 4c uo 0 7 1 第二章模型 水分( 邢) o 8n i 4 4 8 机械杂质无馏程 收率( ) 硫含量( m ) 0 2 4 h k 1 8 0 1 6 0 氮含量( m ) 0 3 11 8 0 “2 0 0 0 9 2 盐含量( m ) 2 3 52 0 0 1 3 0 0 9 2 0 3 0 0 3 5 0 7 1 3 3 5 0 8 1 0 1 ( 2 ) 奥呈原油性质 奥里原油性质见下表2 - 3 。 表2 - 3 奥里原油性质 分析项目 试验数据 5 0 4 5 9 x 1 0 4 粘度( 厘斯) 6 0 1 o l x l0 4 7 0 5 9 3 x 1 0 3 h k1 7 8 1 0 3 1 6 馏程( ) 2 0 3 9 6 3 0 4 3 8 4 0 5 0 0 饱和份 1 9 7 2 芳香份 3 6 9 4 四组分( m ) 胶质 3 5 4 1 沥青质 9 9 3 蜡含量( m ) 0 3 8 密度( 2 5 c )( g c m 3 ) l ，0 0 6 硫( m ) 3 9 7 第二章模型 ( 3 ) 混合原油性质 将奥里原油与辽河原油以7 ：3 的比例混合，混合原油的实沸点蒸馏数据。 如表2 - 4 。 表2 4 混合原油实沸点蒸馏数据 切割温度( )收率( m )累计收率( m n ) 6 3 1 8 01 0 61 0 6 1 8 0 2 0 0o 5 01 5 6 2 0 0 、2 2 5 o 7 1 99 7 2 2 5 2 5 02 5 2 4 7 9 2 5 0 2 7 5 2 4 77 2 6 2 7 5 “3 0 02 2 49 5 0 3 0 0 3 2 5 3 1 81 2 6 8 3 2 5 3 5 03 7 61 6 4 4 3 5 0 3 7 5 1 6 51 8 0 9 3 7 5 3 9 52 3 82 0 4 7 3 9 5 “4 1 5 4 4 22 4 8 9 4 1 5 4 4 0 1 0 92 5 9 8 4 4 0 4 6 01 7 8 2 7 7 6 4 6 0 “4 8 03 5 l3 1 2 7 4 8 0 5 0 06 7 83 8 0 5 5 0 06 0 3 l 9 8 3 6 2 3 热力学方法的选择 对于原油蒸馏过程的模拟，p r o i i 提供的物性计算方法已很成熟，计算结 果很精确，以下是p r o i i 提供的主要内置物性计算方法“3 ： ( i ) b t 1 0 b k i o 物性方法用b r a u nk 1 0 的k 值关联式，这个关联式是为真实组分和虚 拟组分从k i o 图表开发的。这个物性方法可以摇述重油馏分。b k i o 物性方法适 用于低压和真空下的系统( 最大几个大气压) 。 ( 2 ) c t l a o - 一s e a d e r ( c s ) c h a o s e a d e r 物性方法用： c h a o - - s e a d e r 关联式计算参考态逸度系统。 s c a t c h a r d - - h i d e b r a n d 模型计算活度系数。 4 第二章模型 r e d li c h k w o n g 状态方法计算汽相和液相的焓。 l e e k e s l e r 状态方法计算计算汽相物性。 p a l 方法计算液相摩尔体积，粘度，和表面张力。 c h a o s e a d e r 物性方法的参数是估算的。它可以用于常压塔，减压塔和部 分乙烯过程。但这种方法不