（化学工程专业论文）常压蒸馏过程的模拟优化及设计.pdf

摘要 本文应用流程模拟软件对某石化公司原油常压装置进行了工艺条件优化。按照 石油大学提出的温差变化方差平方和最小的准则，对初馏塔和常压塔进行了各侧线 抽出位置的优化，并推荐了优化的工艺条件和设备条件。在初馏塔进料以下首次推 荐采用折流塔板，并应用单指标全塔负荷性能图分析方法对初馏塔应用s u p e r v l 浮 阀塔板进行了设计。首次将石油大学提出的分离效能转移技术应用于常压塔设计， 将塔板数由6 0 层降低到5 0 层。应用单指标全塔负荷性能图分析方法对常压塔采用 s u p e rv 1 浮阀塔板进行了设计。通过本项目的设计，装置开车一次成功，达到了预 期的生产效果。 关键词：常压蒸馏全塔负荷性能图浮阀塔板工艺优化分离效能转移技术 a b s t r a c t 0 p t i m i z a t i o no fp r o c e s sc o n d i t i o n sf o rt h ea t o m s p h e r ec r u d ef r a c t i o n a t o r s i ns o m e w h e r er e f i n e r yw e r em a d ew i t hf l o ws i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e s i d e d r a w i n gl o c a t i o n sa l o n gw i t ha t m o s p h e r ef r a c t i o n a t o rw e r eo p t i m i z i e d b a s e do nr u l e so fl e a s ts u mo fv a r i a n c es q u a r e sf o rt e m p e r a t u r ed if f e r e n c e b e t w e e nt r a y sw h i c hw a sp r o p o s e db yu n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( b e i j i n g ) t h e t r a yn u m b e ro fa t m o s p h e r ef r a c t i o n a t o ri sr e a s o n a b l yr e d u c e df r o m6 0t o5 0 t h a ti sf i r s t l yu s e do fs e p a r a t i o ns h i f t i n gt e c h n i q u e sp r o p o s e db yu n i v e r s i t y o fp e t r o l e u m t h eh i g hp e r f o r m a n c es u p e rv lt r a y sa n di t si n t e r n a l si n s i d e p r i m a r ya n da t m o s p h e r ef r a c t i o n a t o r sw e r e s i z i e db y u s i n gt h es i n g l e p a r m a e t e rw h o l ec o l u m np e r f o r m a n c ed i a g r a ma n db a f f l e st r a yi nt h es e c t i o n s u n d e rt h ef e e d s t o c ki np r i m a r yf r a c t i o n a t o rw e r ep r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t h ec r u d ea t m o s p h e r eu n i t ss t a r t u pi ss u c c e s s e d ，a l lo fp r o c e s sc o n d i t i o n s a n dq u a l i t i e sa n dy i e l d so fp r o d u c t sw e r em e tt h en e e do ft h a to fd e s i g n e x p e c t e d k e yw o r d s ：n t o m s p h e r ef r a c t i o n a t i o n ，w h o l ec o l u m np e r f o r m a c ed i a g r a m , v a l v e t r a y , p r o c e s so p t i m a z i t i o n ，s e p a r a t i o ns h i f t i n gt e c h n i q u e s a - 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，也不包含为获得天津大学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： 稻织 签字日期：加厂年，月，石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学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) 学位论文柘者签名：_ g 强；易 签字日期：2 一，年，月衫日 2 导师签名：弦j 衣驰l 签字e t 期：扣忤，1 月，一p 日 第一章前言 第一章前言 1 1 背景 当今全球的能源危机、原油价格飚升的局面严重冲击着世界范围炼油和石化生 产。我国的两大超大型炼油和石化企业( 中国石油和中国石化) 不仅需要适应这种 全球的原油市场形势，而且也必须应对严重的政策性亏本、燃料油升级换代和越来 越高的环保要求等巨大压力，节能降耗、提高产品质量、降低加工成本，提高经济 效益已经成为企业生存发展的重要手段。 为了适应这一生产形势的变化，我国炼油和石油化学加工技术的研究不仅需要 继续加大石油和化工高附加值产品生产新工艺路线的投入，而且必须加强提高现有 生产装置操作水平研究的力度。前者是占领产品高端市场的长远策略，但存在着重 大的技术和投资风险，而后者是当前适应新生产局面必须面对的最现实对策，从现 有装置的工艺和装备两方面着手，开展扩能增效、节能降耗、实现安稳长满优生产 的挖潜改造的研究工作，其中精馏设备是工作重点，广泛受到重视。 1 2 技术现状 精馏过程是热量利用效率最低、能耗最高、涉及面最广的均相体系分离技术， 是任何分离过程设计首先考虑的通用技术，在化学加工工业中的原料提纯、中间产 物分离和产品精制等环节发挥着极为重要( w o r k - h o r s e ) 作用。 在当今的所有的分离技术中，精馏过程独具规模经济的特性【1 1 。参见方程1 1 ) 。 一c o s t l ：c a p a c i t y l 。 c o s h c a p a c i t y 2 式( 1 ，1 ) 中，n 为规模指数。一方面与大型精馏塔设计水平、设计降额因子等相关， 另一方面也与国家和地区经济发展水平相关，影响因素极为复杂。据报告，当前美 国的规模经济大约在0 6 左右。由式( 1 1 ) 可见，装置规模( 处理能力) 越大，投资 越低，经济效益越显著。众所周知，精馏塔过程的放大效应制约了装置的规模( 即 影响规模指数n ) 。 。 精馏技术任何技术进步都具有产生巨大的社会效益和经济效益的潜力。纵观上 一世纪的科学发展历史，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互 刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的进步，都会极大刺激化学加工工业的技术 发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都对精馏技术提出更新、 更高的要求。正是这些特点，精馏技术在上一个世纪已经发展成为技术和应用成熟 度最高的分离技术，使得当今精馏设备的设计成功率基本达到了1 0 0 1 2 l 。 然而，设计成功达到1 0 0 并不意味着当今对精馏技术已经完全掌握，精馏塔内 的操作现象完全清楚。化学工程经验科学的特点使得目前对精馏塔的认识仍然停留 第一章前言 在经验的范畴，对于操作人员来说，精馏塔内仍然是“黑盒子”操作。大量的精馏 设备专利技术的存在和发展佐证了其经验科学的特点。另一方面，精馏塔设计成功 也并不意味着其技术经济性已经达到最高，而是建立在相对较高的降额因子 ( d e r a t i n gf a c t o r ) 的基础之上，精馏设备设计的水平仍然取决于设计者自身的经验 和智慧，精馏塔的挖潜增效工作一直是一个极为活跃的研究领域。 常减压装置是炼油加工的龙头装置，生产直馏燃料油、润滑油和后续炼油加工 过程的原料常减压装置直接决定了整个炼油加工过程的生产效果、产品质量和全 厂的物料平衡问题，因而是炼油厂挖潜改造、扩能增效的首要对象。 1 3 常减压装置扩能改造的一般方法 常减压装置挖潜增效、扩能改造是近些年来最为活跃的领域，有大量的文献报 道。概括起来，技术改造一般涉及扩能增效；节能降耗； 提高产品质量； 提高拔出率等生产目标，主要工作集中在初馏、常压和减压塔等主体设备以及换 热网络、加热炉等外部设备。 常减压塔的扩能增效一般涉及到一个炼油企业整体扩能计划，是首要的工作， 一般涉及工艺和设备两个方面。前者一般应用流程模拟对工艺操作条件进行优化或 利用负荷转移技术，在满足产品质量和产品收率的前提下，通过工艺参数调整降低 分馏塔内瓶颈位置的气液负荷，实现装置扩能的目的。而后者是采用新型塔内件， 如高性能塔板，填料以及其它塔内件技术，消除瓶颈、扩能增效。 常减压装置的节能降耗主要围绕着提高加热炉效率、换热网络优化、低温余热 回收等方面，也涉及到应用负荷转移技术，消除常压塔的二中负荷瓶颈，降低加热 炉的热负荷等方面。 常压部分的负荷转移技术是指在初馏塔增侧回注常压塔的技术。当前的原油常 压塔主要的操作瓶颈处于常二中塔段，属于大气相负荷和高液相负荷塔段。通过初 馏塔增开侧线回注常压塔常二中以上塔段，不仅可以降低常二中附近的气液负荷而 增加了常压塔的加工能力，而且可以降低加热炉的热负荷，降低常压炉的燃料消耗， 因而在国内广泛采用。 油品分馏塔扩能改造一般需要应用流程模拟软件，例如a s p e np l u s ，s i m s c ip r o h 和h y p t e c hh y s y s 等商用软件进行装置总体工艺条件、能量集成、方案对比等模拟 优化，然后应用新型塔内件技术对初馏塔、常压塔和减压塔进行合理的消除瓶颈和 挖潜改造工作，最终实现扩能改造的目的。 1 4 本文的研究内容 国内某石化分公司常减压装置，原生产能力为3 0 0 万吨年，主要加工大庆原油， 其初馏塔直径为怛6 m ，内装2 3 层导囱浮阀塔板；常压塔直径够8 m ，塔板数为5 0 层，全部采用石油大学的专利h t v 船型浮阀塔板，主要生产重整料、航煤和柴油。 一2 第一章前言 减压塔为天津大学设计的d p 6 4 m 的规整填料塔。 为了满足近期和远期的加工目标，2 0 0 4 年5 月利用装置检修期间进行了掺炼8 0 万吨年俄罗斯原油扩能到3 8 0 万吨年常压塔的技术改造工作。与石油大学合作，通 过增加初侧线回注常压塔和调整部分塔板开孔率等技术改造，成功地实现了3 8 0 万 吨，年扩能改造，产品质量和收率完全达到了设计要求。 为了最终实现5 0 0 万吨年的远期加工目标，当前的初馏塔和常压塔的塔径已不 能满足生产要求，为此需要对该装置常压部分的初馏塔和常压塔进行重新设计，拟 采用的新型塔内件为石油大学( 北京) 的专利s u p e r v l 系列浮阀塔板和泽华公司的 专利a d v 微分浮阀塔板。通过对两种专利技术提出的改造方案进行对比，最终选 定常压部分改造的塔内件为s u p e r v l 浮阀塔板。 本文以此项目常压部分为背景，对该装置的初馏塔和常压塔开展了扩能到5 0 0 万吨年加工能力的综合优化设计及扩能改造的研究工作。 3 - 第二章原油常压分馏若干新技术综述 第二章原油常压分馏若干新技术综述 常减压装置是炼油加工的龙头装置，其生产目的是生产直馏燃料油，润滑油和 后续炼油加工过程的原料。因此常减压装置的生产效果会直接影响到整个炼油加工 过程的生产效果、产品质量和全厂的物料平衡等问题，因而广泛受到重视。 自上个世纪8 0 年代以来，我国炼油工业出现了一个新的快速发展时期，炼油能 力由1 9 8 0 年底的9 3 8 6 m t a ，增加到2 0 0 1 年底的2 8 1 m f f a ，提高了约2 倍，原油蒸 馏装置数目也由6 6 座增加到1 7 8 座嘲。 近几年，我国在常减压蒸馏装置大型化设计、施工、生产技术管理等方面均取 得了重大技术进展。1 9 9 9 年1 0 月在中国石化镇海炼油化工股份公司( 镇海炼化) 建成 了8 m t a 的常减压蒸馏装置，2 0 0 1 年该装置改造后能力达到1 0 m t a ，并开车一次成 功，成为我国第一套加工能力为1 0 m t a 的常减压蒸馏装置，这标志着我国常减压蒸 馏装置大型化技术已经走向成熟。目前，我国共有单套能力在5 m t a 以上的常减压 蒸馏装置9 套，其中，中国石化7 套，中国石油2 套。未来几年，随着炼油装置结 构的不断调整，大型常减压蒸馏装置还将得到进一步发展，因此我国已进入发展大 型常减压蒸馏装置的重要时期。常减压蒸馏装置大型化技术包括先进的工艺流程、 大型加热炉、大型常压塔和减压塔、高速电脱盐等一系列先进技术。实践证明，我 国已经掌握了常减压蒸馏装置大型化的工艺与工程技术。 然而，目前我国大多数炼油厂规模普遍偏小，单套装置加工能力小，大部分未 形成经济规模。近些年来，为了适应当前新的生产局面，绝大部分炼油厂常减压装 置依据本厂的具体情况，开展了扩能改造、挖潜增效的技术改造等工作，大大促进 了常压蒸馏工艺和设备技术的发展。 2 1 常减压工艺技术的发展 目前国内各炼厂普遍对现有常减压工艺流程进行优化，应用窄点技术优化换热 网络提高常压炉进口温度、增加初侧线回注常压塔扩能降耗等方法，通过技术改造 扩大加工能力以适应常减压装置大型化的要求。 中国石油大连石化分公司二蒸馏装置2 0 0 1 年由2 8 0 m t a 提高到4 5 m r a ，对 初馏塔、常压塔及其汽提塔采用c t s t 高效塔盘，减压塔采用m e l l a p a k 规整填料， 减压汽提塔采用b d h 高效塔盘，提高了装置处理能力采用“窄点技术”优化换热流 程，使原油换热温度达到3 0 7 ，降低装置能耗1 4 ，5 j 。 中国石化集团洛阳石化工程公司根据以往常减压蒸馏装置改造的经验，结合炼 油厂具体情况，推出了四级蒸馏流程，在常压蒸馏塔和减压蒸馏塔之间新增一级减 压炉和一级减压蒸馏塔，即“三炉四塔”工艺 8 1 ，并在中国石化金陵分公司三号常 减压蒸馏装置同以及扬子石化股份公司炼油厂第二套常减压装置得到采用唧，应用情 4 一 第二章原油常压分馏若干新技术综述 况表明新工艺可使拔出率提高，能耗下降。 在常减压蒸馏装置中采用初馏塔方案的能耗较高，但其操作灵活性要高于闪蒸 方案，特别是当轻烃部分回收采用初馏塔加压操作时，能节省压缩机等设备，从而 大大降低投资。在原油种类多变，又要求装置操作有较大灵活性时，采用初馏塔方 案是合理的聊。武汉石油化工厂采用增设初馏塔方案，提高了装置的加工量，同时 指出在增设初馏塔后，为减少装置能耗，应对换热网络进行调整【1 0 1 。 镇海炼化采用两段闪蒸技术成功地将加工3m f f a 鲁宁管输原油的常减压蒸馏装 置改造为加工伊朗轻质原油和沙特轻质原油的5m t ，a 常减压蒸馏装置。8m 妇常减 压蒸馏装置的改造成功也是采用初馏闪蒸常压蒸馏- 减压蒸馏的流程，体现了负荷 转移技术应用于常减压蒸馏装置改造的灵活性和先进性圈。 中国石油大连西太平洋石油化工有限公司应用负荷转移技术，将闪蒸塔改造为 初馏塔，利用催化裂化油浆加热初馏塔底油( 温升1 5 ) ，同时将常压炉负荷加大， 将5m 如常减压蒸馏装置改造为8 m f f a 圈。 中国石化上海石化股份有限公司化工一厂1 号常减压蒸馏装置，通过调整各段 取热比例并增设常二线中段回流，使常压塔内气液负荷更均匀，提高了常压塔的负 荷能力，从而达到适合掺炼进口原油的能力【1 1 l 。 中国石化洛阳石化总厂常压蒸馏装置采用h e t e c h 传热工程软件包进行了换 热流程的优化，利用减压部分换热器增加了原油、渣油系统换热面积。并根据工艺 变化，调整了冷、热物流换热顺序，调整了利旧换热器管程数和折流板间距，降低 了压力降，提高了传热系数，装置热回收率提高到8 4 5 。同时常压塔采用了新型 导向浮阀技术，提高了处理能力和分离精度，减少了产品重叠，保证了产品质量1 1 刁。 中原油田石油化工总厂常压蒸馏装置的改造包括更换常压塔塔盘为j f 浮阀塔 板、增加一台加热炉、采用三级电脱盐及改进电精制等。改造后装置的处理能力由 5 0 0 k t a 提高到了1 2 m f f a ，装置的轻质油收率、产品质量及技术水平都有了较大幅 度的提高【”j 中国石油大庆石化分公司常减压蒸馏装置通过操作条件的优化和调整，提高塔 顶回流量，改变常四线出口位置，提高汽提蒸汽量，改善了分馏效果，使常压塔柴 油收率提高l l “。 黄风林运用t o p s i s 法，从总体效益优化出发，在常压塔塔顶低温位热流回收 的三种方式一一级冷凝冷却、二级冷凝冷却、塔顶循环回流进行核算的基础上，对 三种热量回收方式进行了定量分析评价，认为二级冷凝冷却方式具有明显的优点【1 5 j 。 常减压装置半干式常压塔设计方法 16 l 用侧线汽提塔再沸器代替汽提水蒸汽。计 算实例表明，该方法可以减少塔内气液相负荷、增加处理量、降低能耗、提高经济 效益、减少污水排放量。对于2 5 m f fa 的常压塔，如果采用干式或半干式设计，每 年实际可节约人民币将大于2 2 0 8 万元，而总改造费用小于3 0 万元人民币，对原油 5 第= 章原油常压分馏若干新技术综述 能耗降低值为3 0 4 5 m 肌 2 。2 模拟技术的发展 目前，在国内炼油企业以及石化设计单位应用最广泛的流程模拟软件有美国 a s p e nt e c h 公司的a s p e np l u s ，s i m u l a t i o ns d 吼c e s 公司的p r o ，加拿大 h y p r o t e c h 公司的h y s y s 。这三个软件均拥有先进且成熟的流程模拟理论和技 术，集成了庞大的经过严格校正的物性数据库和精确的物性预测系统，处于化工模 拟界的领导地位，并得到国内外炼油企业和设计单位的广泛应用。部分炼油企业采 用这三个模拟软件针对炼油装置、气体分馏装置、芳烃分离等工艺过程进行了模拟， 模拟计算的准礁性和可靠性得到了实践验证【t t 。2 1 。此外石油化工科学研究院也开发 了常压蒸馏塔模拟软件口j 。 常压塔由于处理的组分数极多，各种影响因数相互关联，存在着极强的非线性 关系。对实际生产中的质量模型，目前应用较多的是用统计回归方法建立的油品质 量模型，但此方法较为复杂国内外根据以神经网络原理与生物进化原理为基础的 g m d h ( g r o u pm e t h o do f d a t ah 锄d l m g ) 方法在处理复杂多变量非线性系统中体现了 优越性1 2 3 洲。钟碧良等鲫在此基础上提出了改进的i v k g m d h 法，具有更高的可靠 性和灵活性，更加符合常压塔常一线比重模型。 。在蒸馏过程中，影响产品质量的因素相当多，包括进料原油的成份、塔的操作 条件( 各进料口、出料口及塔板的温度、压力、流量) 以及生产负荷等。而化工流 程模拟系统，如a s p e np l u s 、p r o 、hy s _ y s 等虽可用于原油加工过程，但需要 有独立的运行环境，只能离线操作，难以直接用于装置的在线模拟分析。d c s 的应 用，使企业获得大量反映生产过程一线状态的数据，为质量控制提供了所需的信息。 统计分析方法能有效地处理和分析数据，对生产过程中众多参数( 包括过程参数和 质量指标) 闯的关系和变化进行统计分析，对难以测量的质量指标建立预估模型， 将数据资源拥有优势转化为效益优势。 冯炜等【2 6 l 将多元统计分析中的主元素分析( p r i n c i p mc o m p o n e n ta n a l ”i s ) 和部 分最小二乘( p a r f i ml e a s ts q u a r 嚣) 两种方法用于常压塔质量指标和过程参数的相关 分析以及质量预估中，建立了油品质量预估模型，结果表明，这两种方法在解决质 量控制的有关问题中具有特殊的优势。孔玲等【27 】结合实际工艺流程，通过研究分析 原油常压蒸馏塔的结构特点，提出了模拟常压蒸馏装置的序贯模块法收敛求解策略， 即把该装置分解为糟馏、吸收、闪蒸等单元操作的模块组合，可方便地利用已有的 严格数学模型、解算方法等成熟模块进行常压塔的模拟分析。 2 3 新型高性能浮阀塔板技术及其应用 + 近2 0 多年来，我国的浮阀塔板技术获得了飞速的发展，先后有数十种新型浮阀 问世。针对传统的f l 圆形浮阀存在的阀片易卡死或脱落等问题，影响塔的正常操作， 6 - 第二章原油常压分馏若干新技禾综述 因此近年对其进行了改进和发展。此外由于条形浮阀具有不易磨损，液体返混小， 效率高等优势，8 0 年代以后在我国引起重视，进行了广泛研究，并开发了多种形式 的条形浮阀。首先是八十年代的i l t v 船型浮阀【捌、t - 排条阀【3 0 】和导向浮阀3 h 甜， 九十年代的s u p e r v 系列浮阀【3 3 】、b t v 浮洲3 5 1 和a d v 浮阀【3 矗孙删等，本世纪初 期梯形导向浮阀【3 7 1 ，j f 复合浮阀【3 8 】等，这些浮阀都已经在国内得到广泛采用，在常 压蒸馏扩能改造中起了重要作用。 应该指出的是目前工业应用性能较好的塔板，不一定对任何分离体系或操作条 件都是最优的，应该针对不同的分离要求和情况选用不同的塔板。同时也应当意识 到，每种浮阀塔板都有自身的新开发理念及特点，但总体性能上差别不太大，在每 一个体系的挖潜改造效果也常常涉及对工艺方面的挖潜。 鉴于本项目仅涉及s u p e rv 1 浮阀塔板和a d v 浮阀塔板，因此本文对其它类浮 阀塔板在常减压装置中应用的优良效果暂不进行介绍，而主要介绍s u p e r v l 浮阀塔 板和a d v 浮阀塔板 ， 2 3 1a d v 微分浮阀塔板的设计构想及使用性能 a d v 微分浮阀塔板的设计思想a d v 微分浮阀塔板是在f l 型浮阀塔板的基础 上开发的。与传统f l 型浮阀塔板相比，从浮阀结构、降液管结构等方面进行了一系 列地改进，开发了条阀和园阀两种形式，圆形浮阀如图2 1 3 9 o 图2 - 1 a d v 浮阚基本构型 ， f t g2 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no f a d v v a l v e 与传统f 1 型浮阀塔盘相比，对浮阀、塔板、受液盘、降液管等的结构进行了全 面改进，力求使整个塔的操作达到最优状态。其主要特点如下【加1 ： a d v 微分浮阀在阀项开小阀孔，充分利用浮阀上部的传质空间，使气体分 散更加细密均匀，气液接触更充分。 局部采用带有导向作用的a d v 微分浮阀，消除塔板上液体滞留区。 采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，减小液面梯度，增加传质面积，从而 ，增加了塔板的处理能力和提高了传质效率。 适当改进降液管，采用s w 印t b a c k 降液管结构，增加鼓泡区的面积，提高 7 第二章原油常压分馏若干新技术综述 降液管的液体通过能力。 阀脚采用新的结构设计，使浮阀安装快捷方便，操作时浮阀不会旋转，不易 脱落。 采用新的塔板连接结构，在塔板连接处也可安装浮阀，使浮阀均匀地排布在 整个塔板上，消除传质死区，增加塔板开孔率，进一步提高处理能力和传质 效率。 改进受液盘的结构，增加传质空阅。 对整个塔盘的结构进行优化，使其在提高处理能力的同时保持较高的分离效 率，使整个塔盘处于最佳操作状态。 通过以上措施，使a d v 塔盘在低负荷下，保持较高的效率，具有比f l 浮阀 塔盘更低的操作下限。 对进料、回流等全塔内件结构进行精心的优化设计，提高气液分布的均匀度， - 使整个塔的操作达到最佳状态 通过采取以上各种措施，a d v 微分浮阀塔盘与f 1 型浮阀塔盘相比：生产能力提 高4 0 ，分离效率提高1 0 ，操作弹性提高4 0 。 近些年来，a d v 浮阀塔板获得了大量的推广应用，在原油常压塔中的应用业绩 很多，据报道在扬予石化公司炼油厂一套常减压装置改造中得到成功应用，处理能 力由2 5 m f f a 提高至3 5 m t a ，并能满足3 8 m t a 的负荷。使用a d v 微分浮阀塔板后， 常顶石脑油合格，侧线的重叠度大大降低，提高了各产品分馏精度，常压塔的生产 更具灵活性。 2 3 2s u p e rv 系列浮阀塔板 s u p e r v l 浮阀塔板【4 l 】是石油大学在3 0 多年f 1 型浮阀塔板和固舌塔板研究基础 上，在h 1 浮阀塔板的基础上，按照浮阀填料化概念的思路发展起来的高性能浮阀 塔板技术。具有高气、液相生产能力、高效率和极大操作弹性及操作稳定性的特点， 在国内近3 0 0 多座精馏塔中获得广泛应用，有大量的原油常压塔应用的业绩，表现 出优良的生产性能。 s u p e rv 浮阀采用u 型带翼结构、阀体侧翼开孔和开缝，提高塔板气液接触 均匀性，防止浮阀结焦和结垢沉积。设计了侧翼开孔的浮阀构型，以适用于 低等结焦、结垢体系，称为s u p e rv - 1 浮阀：设计了侧翼开缝的浮阀构型， 以适应于中等以上易结焦、结垢体系，称为s u p e r v - 2 浮阀。 塔板采用发明专利带圆弧角的矩形平直阀孔和或矩形文丘利阀孔，以改善采 用矩形阀孔时的塔板机械强度低的问题。 塔板上匹配抹斜式高性能入、出口堰。采用该堰技术，不仅可以提高降液管 的处理能力；而且可以改善塔板上的液体滞留区，提高塔板效率。该技术较 8 第二章原油常压分馏若干新技术综述 a d v 浮阀塔板的s w e p t - - b a c k 降液管从应用方面更加灵活，结构更为简单， 更容易实施对国内现有塔进行改造。 s u p e r v 浮阀具有更均匀、充分的气液传质结构，两阀翼完全体现了浮阀的填料 化的构思，参见照片图2 2 。 围2 - 2s u p e r v l 浮阀塔板的照片 f i g2 - 2t h ep h o t o g r a p ho f s u p e rv 1v a l v et r a y 所有的塔板流体力学特性和传质特性研究都是基于完全工业结构和规模直径 k 1 2 0 0 m m 的空气，水体系冷模塔上进行的，其数据可直接用于指导工业实际 压降特性 孟i g 0 0 i 器 冈 i l - 叼岫l l ! 竺i o 酽 叠 i ( 1 ) 低液流强度( 2 ) 高液流强度 图2 - 3s u p e r v l 浮圈塔板与g l i t s c h v l ( f 1 ) 压降对比 f i 9 2 - 3c o m p a r i s o no f t 0 嘲p r e s s u r ed r o pw i t hg l i t s c bv 1v a l v et r a y 图2 3 示出了s u p e r v l 浮阀塔板的压降特性。由图中数据可以看出，s u p e r v l 浮阀塔板浮阀全开前相对高压降和浮阀全开后相对低压降的特性，可使塔设备在宽 广的弹性范围非常平稳地操作，同时高气速的低压降特性使得降液管可维持的清液 高度降低，从而实现了提高降液管液泛的处理能力。 与g l i t s c h v l 浮阀塔板( 国内的f 1 浮阀) 相比，s u p e r v l 塔板具有更大的降液 管处理能力，约高2 5 弓0 左右。 b 雾沫夹带特性 图2 4 示出了s u p e r v i 浮阀塔板与g l i t s e h v l 浮阀塔板雾沫夹带的对比。由图 9 第二章原油常压分馏若干新技术综述 中可以看出，低气速时s u p e r v i 浮阀塔板的雾沫夹带较g l i t s c h v l 浮阀塔板稍高， 这表明s u p e r v l 浮阀塔板在低气速时具有较g l i t s c h v i 浮阀塔板更优良的气液分散 特性，传质效率更高，而高气速时s u p c r v l 浮阀塔板较g l i t s c h v l 浮阀塔板雾沫夹 带有大幅度的降低。充分体系了浮阀填料化对传质效果的强化作用。试验数据统计 表明，在塔板的最大处理能力下，s u p e rv 1 塔板的雾沫夹带较v 1 浮阀塔板的雾沫 夹带可降低3 0 一4 0 0 o 左右，因此塔板的喷射液泛能力可提高3 0 左右，在中小渡 流强度下，该塔板具有2 - 2 2 p a o5 左右的操作弹性。 圈2 - 4s u p e rv 1 浮阀塔扳与g l i t c hv i 雾沫夹带的对比 f i g2 - 4 c o m p a r i s o n o f t h e e n t r a i n m e n t w i t h g l i t s c h v l v a l v e n 叠y c 泄漏特性 。 气，冉。 图2 - 5 s u p e r v l 浮阀塔板与g l i t s c h v l 泄漏的对比 f i g 嬲c o m p a r i s o no f t h ew e e p i n gw i t hg l i t s c hv 1v a l v et r a y 图2 5 示出了s u p e r v l 浮阀塔板与g l i t s c h v l 泄漏的对比。由图中数据可以看 出，s u p e r v l 浮阀塔板较g l i t s e h v i 泄漏的低得多，并且在极低的阀孔动能因数下， 未出现过f 1 浮阀塔板的机械震动问题。在当出口堰高5 0 m m 、液流强度小于 4 0 m 3 i n h 时，阀孔动能因数1 0 p a o 5 以上，塔板的泄漏小于1 0 ，并且塔板上鼓泡 极为均匀，操作稳定，因此该塔板具有优良的操作下限。 d 传质效率 图2 6 示出了s u p e r v i 塔板与g l i t s c h v l 氧气解吸效率的对比。由图中数据可 1 0 第二章原油常压分馏若干新技术综述 以看出，无论是低开孔率和高开孔率时，塔板的传质效率较g l i t s c hv 1 浮阀塔板可 提高l o 1 5 左右，并且在极低的操作气速( 孔动能因数2 3 p a 0 5 ) 下，塔板达到较 高的板效率。这完全验证了浮阀填料化，可弥补低气速时气液分散不足造成塔板效 率低的开发构思。 ( 1 ) 低液流强度 ( 2 ) 高液流强度 圈2 - 6 s u p e r v l 塔板与g l i t s e h v i 塔板效率的对比 f 9 2 - 6 c o m p a r i s o n o f t h e m a s s t r a n s f e r e f f i c i e n c y w i t h g l i t s c h v lv a l v e t r a y 综上所述，s u p e r v 浮阀塔板具有： 塔板压降随阀孔动能因数的变化率远小于常规的圆形和长条型类浮阀塔 板，因此，本塔板具有更大的降液管处理能力，约高2 5 一3 0 左右： 试验数据统计表明，塔板的雾沫夹带较v - 1 浮阀塔板的雾沫夹带可降低 3 0 4 0 左右， 在当出口堰高5 0 m m 和液流强度小于4 0 m 3 r n h 、阀孔动能因数1p a 0 5 以上 时，塔板的泄漏小于1 0 ，并且塔板上鼓泡极为均匀，操作稳定，因此该 塔板具有优良的操作下限； 塔板的喷射液泛能力可提高3 0 左右，中小液流强度下，该塔板具有2 - 2 2 p a 0 5 左右的操作弹性； 氧气解吸试验表明，无论是低开孔率和高开孔率时，塔板的传质效率较v - 1 浮阀塔板可提高1 0 1 5 左右。 s u p e r v 浮阀塔板具有极为优良的操作稳定性和巨大的操作弹性，高效率和高的 喷射液泛及降液管液泛能力。与高性能的抹斜堰技术匹配使用，其传质效率和降液 管处理能力可以更大幅度地提高。该塔板优良的气体自清洗作用，适用于中等以下 易结焦和结垢体系，适用于从减压、常压和加压塔的各类操作。 2 4 单指标精馏塔分析技术 计算机在炼油和化学工业装置的辅助设计和操作评价中广泛应用，现代精馏塔 从工艺设计到最终施工图设计已经完全实现计算机辅助设计，w i n d o w s 操作系统的 多任务、交互操作等特点为此提供了可靠的支撑平台，大大提高了设计的精度、可 靠性和设计人员的工作效率。t 板式塔的负荷性能图及其相应的可行稳定域分析技术【4 纠4 】虽然可以全面分析 第二章原油常压分馏若干新技术综述 塔板的操作性能及其对工艺条件的适应性，在传统的手工工艺和设备设计计算的时 代已被证明是极为“简便”的，但在当今计算机辅助设计技术飞速发展的年代，应 用中还存在着一些不足：不便于直接发现全塔瓶颈；不便于进行汽液负荷变化 较大且塔板数较多的塔设备分析；不便于初设阶段进行塔板结构设计和筛选； 不便于进行多方案的设计对比；不便于流程模拟软件和塔板核算软件间的数据传 输等问题。 针对这些问题，石油大学首次推出的单指标全塔负荷性能图分析技术是一种简 单、易行、无需编程、设计效率极高的精馏塔分析设计新方法m 。 2 4 1 流程模拟软件o f f i c e 办公软件( o ri g i n 软件) 联用进行精馏塔 分析和设计新方法 板式塔负荷性能图分析方法至今在我国已经广泛应用了近4 0 多年，但由于设计 思路的差异，目前在西方发达国家应用还较少。当今大多数商业流程模拟软件，如 a s p e np l u s ，p r o i i 和h y s y s 等都已经集成了各塔内件专利商公开的塔设备设计方法， 但都未涉及负荷性能图分析方法。国内一些基于w i n d o w s 平台开发的商用塔板计算 软件绝大多数采用了负荷性能图分析方法，但是在w i n d o w s 环境下很难直接实现与 的流程模拟软件的交互设计，设计人员的工作效率较低，进行一座塔的设计需要大 量工作时间。 为了可靠地进行精馏塔瓶颈分析和设计，简化设计过程，提高设计效率，石油 大学开发的单指标全塔负荷性能图分析新技术，利用w i n d o w s 操作系统的易于交互 的特性，提出了基于流程模拟软件和o f 珏c c 办公软件联用，实现塔设备工艺和设备 设计的单指标全塔负荷性能图分析技术，具体流程详见图2 - 7 。 图2 7 基于w i n d o w s 系统环境的塔板设计程序 f i g2 - 7t h et r a ys z i n ga n dr a t i n gp r o c e d u r e so r m i c r o s o f tw i n d o w se n v i r o n m e n t 该技术简单易行，应用灵活，勿需编程，并且不易出现数据抄写错误，一般也 不会出现设备结构的设计错误，工作效率极高，便于继承( 打开以前的计算文件， 重新输入新的工况即可) 。设计者随时可以依据对所考察的体系的理解进行塔板水力 学模型修正和及时采用新开发的设计模型，并且可以直接将各板的塔板结构参数 一1 2 第二章原油常压分罐若干新技术综述 和不同方案下塔板水力学计算结果输出到设计文档，进行一座精馏塔工艺和塔板设 计需要的时间约为2 4 小时，采用该方法已经进行了数百座工业精馏塔的设计，其 可靠性为工业实际所验证。从而形成了流程模拟软件1 0 1 五c e 办公软件( o d s i n 软件) 联用进行精馏塔分析和设计新方法。 当前国内外大多数设计单位都采用了国外的流程模拟软件，如a s p e np l u s ， p r o n ，h y s y s 等等，这些软件都是基于w i n d o w s 环境开发和移植的，其工艺模拟结 果的输出数据都是电子文件或表格。应用o f f i c e 系统的w o r d 软件可以随意对这些 电子表格数据进行编辑，应用w i n d o w s 的剪贴板很容易地将模拟出的各板气液负荷 和物性粘贴到e x c e l 软件或o r i g i n 软件工作表中。利用e x c e l 软件或o r i g i n 软件的 工作表环境进行各塔板的结构设计和水力学参数设计计算，然后应用其图形环境绘 制各单指标的全塔负荷性能图，塔板结构设计结果和各板水力学结果，并输出到已 经预置特定格式的w o r d 文档，最终形成塔板分析和设计报告，真正做到了无笔塔 工艺计算和设备设计。 2 4 2 单指标全塔负荷性能图的构成 单指标全塔负荷性能图的绘制方法是以流程模拟的理论板号为横坐标，以塔板 或降液管的某一性能指标为纵坐标，在同一幅直角坐标图中同时标绘该指标的限制 条件及各板相应的操作数据，该图称为该指标相应的单指标全塔负荷性能图。 文献m 将板式塔的操作限制划分为流体力学极限和传质操作限制，分别为塔板 设计控制的必要条件和充分条件，塔板设计主要考虑传质操作限制，而对精馏塔的 操作分析两方面都需要综合考虑。 对于降液管而言，需要控制的技术指标涉及：降液管液泛，降液管入口液速和 出口液速三种指标，有时需要考虑降液管停留时间。 塔板的操作限制主要涉及喷射液泛，雾沫夹带，泄漏，液噻点和最小液量限制。 鉴于喷射液泛为雾沫夹带1 0 0 的情况，所以雾沫夹带1 0 是主要气相控制上限， 液噻点是泄漏1 0 0 的情况，所以泄漏1 0 是主要的限制。最小液量线只需要检查 一下液流强度的大小，小于3 1 7 m 3 m h 的情况需要采用齿型堰( 液流强度可以拓展 到5 m 3 m h ) ，因此塔板的设计仅需要考虑雾沫夹带1 0 和泄漏1 0 两种限制即可。 对于板式塔而言，需要分别考察塔板和降液管的限制两方面，按照上述操作限 制的分析，仅需分别绘制6 7 幅单指标负荷性能图就完全可以了。 在o r i g i n 软件的工作表环境中，进行塔板结构设计和水力学性能指标计算。由 于o r i g i l l 软件提供了可靠的多图形和多工作表环境，塔板设计者很容易地进行多方 案i 不同板型、不同塔板结构的同步设计和计算，绘制出的全塔负荷性能图用于多 方案对比是极为便利的，以下是绘制举例。 1 3 第二章原油常压分馏若干新技术综述 2 4 2 1 描述降液管性能的的单指标全塔负荷性能图 降液管清液高度分布 图2 - 8 示出了降液管清液高度的全塔负荷性能图。由图可以看出，所设计的全 塔降液管清液高度，远小于最大许可的降液管清液高度，因此当前设计的塔结构， 在6 0 1 4 0 的负荷范围内，不会发生降液管液泛需要说明地是，举例的塔设备 是催化汽油稳定塔。该塔精馏段为单溢流，而提馏段为双溢流，第9 理论板为进料 板，第9 理论板以下，所产生的锯齿状分别为中央溢流和两侧溢流的结果，下同。 ， 理论板号 图2 g 降液管清液高度的全塔负荷性能圉 f i g2 - 8s i n g l ep a r a m e t e rw h o l ep e r f o r m a n c ed i a g r a mf o rl i q u i dh o l d - u pi nd o w n c o m e r 停留时间 围2 9 降液管停留时间的全塔负荷性能围 f i g2 - 9s i n g l ep a r a m e t e rw h o l e p e r f o r m a n c ed i a g r a mf o rr e s i d e n c et i m ei nd o w n m e r 图2 9 示出了全塔降液管停留时间的全塔负荷性能图。由图可以看出，在6 0 1 4 0 负荷范围内，全塔的降液管停留时间远大于3 5 s ，这表明该塔降液管内气液 有足够的停留时间，实现气液分离，满足设计要求。 降液管入口液速 图2 一l o 示出了降液管入口液速的全塔负荷性能图。由图中数据可以看出，在 6 0 1 4 0 负荷范围内，精馏段的降液管入口液速均小于最大允许的0 0 7 5 m s ，表 1 4 “犯知孔踮辨船卸侣体住仲o4 2 t星譬班晕鼙簪世 第二章原油常压分馏若干新技术综述 明降液管的设计是可靠的；在设计点以下负荷范围内，提馏段的降液管入口液速均 小于最大允许的0 0 7 5 m s 。表明降液管的设计是可靠的：在1 4 0 设计点负荷下，提 馏段降液管液速大于允许的o 0 7 5 m s 限制，但低于石油大学开发的抹斜式塔板出口 堰的最大许可值。为了解决该问题，建议提馏段的两侧溢流的出口堰采用抹斜式塔 板出口堰技术或其它扩大降液管入口面积的方法，中央溢流降液管设计防溅挡板。 理论板号 圈2 - l o 降液管入口液速的全塔负荷性能图 f i g2 - 1 0s i n g l ep a r a m e t e r w h o l ep e r f o r m a n c ed i a g r a m f o r l i q u i dr a t et h r o u g hd o w n c o m e ri n l e t 降液管出口液速 1 捌 疑 丑 瓤 摧 进 理论板号 圈2