某石化厂气体分馏装置工艺的模拟优化

某某炼炼厂厂 20kt a 气气体体分分馏馏装装置置工工艺艺设设计计 摘要 针对某石化厂气体分馏装置工艺流程进行了模拟计算 分析并提出了降 低各塔热负荷的优化方案 进行了优化计算 并与优化前进行了比较 结果表明 优化方案可行并有效 减少了热负荷 提高了经济效益 关键词 气体分馏 丙烯 优化方案 热负荷 提高效益 一 前言 近 20 多年来 受两次能源危机的影响和经济全球化的制约 我国炼油企 业的节能工作逐渐向广度和深度发展 取得了很大的成绩 主要工艺装置的能 耗大大降低 如常减压蒸馏 焦化等 国内先进装置的能耗基本接近世界先进 水平 但从炼油厂的整体来看 加工单位原油的能耗还比国外高出不少 具体 表现在全厂的蒸汽动力系统 原料和产品储运系统及其它系统 包括厂区采暖 空调等等 能耗高 主要原因是全厂各工艺装置间及装置与这些系统间缺乏热联 合 缺乏对大系统能源的总体优化利用的考虑 丙烯是重要的化工原料 近年来随着聚丙烯工业的发展和车用液化气的不 断推广应用 市场对高纯度丙烯 丙烷的需求日趋扩大 优化操作并合理回收丙 烯 得到高纯度丙烯可带来可观的经济效益 充分利用已有设施 通过方案优化 在不改变主产品丙烯纯度的条件下 减少各塔热负荷用量 从而减少共用工程用量 提高生产过程的经济效益 具有 较大的意义 本模拟优化设计是应用 Aspen Plus 化工模拟软件针对广州某石化厂实际气 体分馏的工艺装置而进行的模拟优化工作 二 流程描述 本流程是某石化厂气体分馏装置工艺流程 1985 年设计投入使用 原料是 来自催化裂化装置的液化气 气体组成如表 2 1 所示 液化气由蒸气加热器 1 预热到 87 由泵打入脱丙烷塔 2 操作压力 20KG cm2 温度 48 塔 顶产物为乙烷 丙烷和丙烯的混合物 组成见表 2 2 塔底产物碳四 碳五组 分 组成见表 2 3 2 塔顶馏出物进入脱乙烷塔 3 在压力为 30Kg cm2 温 度 59 下操作 塔顶主产物为乙烷 组成见表 2 4 塔底产物主要为丙烷和丙烯 组成见表 2 5 3 的塔顶产物放空 3 的塔底产物进入丙稀塔 4 操作压力 15Kg cm2 温度 30 塔 B4 的塔顶产物是精丙烯 组成见表 2 6 纯度为 99 6 塔底主产物为丙烷 组成见表 2 7 脱丙烷塔的塔底产物泵入脱戊烷塔 操作压力 7Kg cm2 操作温度为 56 塔顶产品组成见表 2 8 塔底主产品为戊 烷组成见表 2 9 具体流程见图 2 1 图 2 1 某石化厂气体分馏装置工艺流程简图 B1 加热器 B2 脱丙烷塔 B3 脱乙烷塔 B4 丙烯塔 B5 脱戊烷塔 B6 泵 B7 泵 B8 泵 B9 加热器 B10 加热器 表 2 1 原料气组成 组成kmol hMol C202 910 86 C3 113 1833 49 C3034 0210 07 iC4064 7419 16 C4 120 506 06 iC4 30 759 10 TC4 229 868 84 nC4015 494 58 C C4 21 836 46 nC504 681 38 合计337 96100 c 40工艺 参数 10 3 av50 68 G17128 表 2 2 脱丙烷塔塔顶馏分组成 组成kmol hMol C202 911 94 C3 113 0875 27 C3033 8422 52 iC400 350 23 C4 10 020 01 iC4 0 040 03 合计150 24100 c 48 9工艺 参数 20 av42 35 G6363 e0 表 2 3 脱丙烷塔塔底馏分组成 组成kmol hMol C3 0 100 05 C300 180 10 iC4064 3934 30 C4 120 4810 91 iC4 30 7116 36 TC4 229 8615 91 nC4015 498 25 C C4 21 8311 63 nC504 682 49 合计187 72100 c 106 7 20 5 av57 35 工艺 参数 G10765 表 2 4 脱乙烷塔塔顶馏分组成 组成kmol hMol C202 9031 39 C3 5 6360 93 C300 717 68 合计9 24100 c 59 1 30 av38 46 G356 工艺 参数 e100 表 2 5 脱乙烷塔塔底馏分组成 组成kmol hMol C200 010 01 C3 107 4676 21 C3033 1323 49 iC400 350 25 C4 10 020 01 iC4 0 040 03 合计141 01100 c 70 1 30 4 av42 6 G6007 工艺 参数 e0 表 2 6 丙烯塔塔顶馏分组成 组成kmol hMol C200 010 01 C3 106 6999 51 C300 710 48 合计107 21100 c 34 3 15 av42 09 工艺 参数 G4512 表 2 7 丙烯塔塔底馏分组成 组成kmol hMol C3 0 772 28 C3032 6296 50 iC400 351 04 C4 10 020 06 iC4 0 040 12 合计33 80100 c 46 5 16 2 av44 22 工艺 参数 G1495 表 2 8 脱戊烷塔塔顶馏分组成 组成kmol hMol C3 0 100 06 C300 180 10 iC4064 3535 63 C4 121 3611 28 iC4 30 5716 94 TC4 229 0116 08 nC4015 038 33 C C4 20 8911 57 nC500 020 01 合计180 45100 c 56 2 7 av56 98 工艺 参数 G10282 表 2 9 脱戊烷塔塔底馏分组成 组成kmol hMol iC400 101 38 C4 10 121 65 iC4 0 152 06 TC4 20 8511 69 nC400 466 33 C C4 0 9412 93 nC504 6563 96 合计7 27100 c 87 7 7 3 av66 53 工 艺 参 数 G483 三 工艺流程模拟 3 1 用 Aspen Plus 软件模拟工艺流程 利用 Aspen Plus 所建立的模拟流程如下图 图 3 1 1 8 6 7 9 图 3 1 某石化厂气体分馏装置的模拟流程 B1 蒸汽加热器 B2 脱丙烷塔 B3 脱乙烷塔 B4 丙稀塔 B5 脱戊烷塔 B6 B7 换热器 3 2 模拟结果 对以上流程进行了模拟计算 并与设计数据进行了比较 结果表明模拟数 据与设计值非常接近 结果见表 3 1 3 8 较好地反映了本流程 因此可以 以此进行后续优化计算 表 3 1 脱丙烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C202 912 9061 941 9 C3 113 08113 1475 2775 3 C3033 8433 9622 5222 6 iC400 350 170 230 01 C4 10 020 020 010 iC4 0 040 0430 030 合计150 24150 239100100 工艺参数设计模拟 c 48 947 7 2020 3 av42 35 G63636359 7 表 3 2 脱丙烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较 组成kmol hMol 设计模拟设计模拟 C3 0 100 0390 050 C300 180 070 100 iC4064 3964 5834 3034 4 C4 120 4820 4610 9110 9 iC4 30 7130 7116 3616 4 TC4 229 8629 8715 9115 9 nC4015 4915 488 258 20 C C4 21 8321 8311 6311 6 nC504 684 662 492 5 合计187 72187 699100100 工艺参数设计模拟 c 106 7112 20 520 5 av57 35 G1076511073 表 3 3 脱乙烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C202 902 90131 3931 3 C3 5 635 40860 9358 4 C300 710 9517 6810 3 合计9 249 26100100 工艺参数设计模拟 c 58 153 7 3030 0 av38 46 G356356 72 表 3 4 脱乙烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C200 010 0050 010 C3 107 46107 7476 2176 4 C3033 1333 0123 4923 4 iC400 350 170 250 1 C4 10 020 020 010 iC4 0 040 040 030 合计141 01140 988100100 工艺参数设计模拟 c 70 170 30 430 av42 6 G60076003 12 表 3 5 丙烯塔塔顶馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C200 010 010 010 C3 106 69106 7699 5199 6 C300 710 430 480 4 合计107 21107 2100100 工艺参数设计模拟 c 34 335 1514 5 av42 09 G45124507 9 表 3 6 丙烯塔塔底馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C3 0 770 972 282 9 C3032 6232 5896 5096 5 iC400 350 171 040 6 C4 10 020 020 060 iC4 0 040 040 120 合计33 8033 78100100 工艺参数设计模拟 c 46 546 2 16 216 2 av44 22 G14951491 表 3 7 脱戊烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 C3 0 100 0390 060 C300 180 0700 100 iC4064 3564 5835 6335 8 C4 121 3620 4611 2811 3 iC4 30 5730 7116 9417 0 TC4 229 0129 8716 0816 6 nC4015 0315 488 338 6 C C4 20 8915 5011 578 6 nC500 023 740 012 1 合计180 45180 449100100 工艺参数设计模拟 c 56 259 77 av56 98 G1028210562 表 3 8 脱戊烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较 kmol hMol 组成 设计模拟设计模拟 iC400 1001 380 C4 10 1201 650 iC4 0 1502 060 TC4 20 85011 690 nC400 4606 330 C C4 0 946 3412 9387 3 nC504 650 9263 9612 7 合计7 277 26100100 工艺参数设计模拟 c 87 7110 7 37 07 av66 53 G483511 四 对工艺装置的优化 4 1 优化目标 在保证产品丙烯 99 6 纯度的条件下 减少热负荷用量 降低成本 提 高经济效益 4 2 优化方案 影响精馏操作的因素很多 以下着重对改变塔的工作压力和回流比做了 计算分析 本文主要做了以下工作 在进料条件及温度 塔板数等确定的条件下 并在保证产品丙烯纯度不变的条件下 改变塔的操作压力和回流比 确定二者 对精馏操作的影响 使工艺过程正常进行 在操作中改变回流比的大小 以满足产品的质量要求 是经常遇到的问题 对于已确定的分离流程来说 当减少回流比时 其运转费 主要表现在塔釜加 热量和塔顶冷却量 将减小 但所需塔板数需增多 塔的设备投资费用增大 反之 当增加回流比 对从塔顶得到产品的精馏塔来说 可以提高产品质量 如丙烯塔 但是增加了能量的消耗 根据以上分析 提出以下优化方案 1 降低脱丙烷塔压力 降低脱丙烷塔压力 降低塔的操作压力 可以使轻重组分的相对挥发度 增大 使之更容易分离 这样 在满足分离要求的前提下 可以减少回流比 也就减少塔顶冷凝器 塔底再沸器的热负荷 减少其共用工程用量 压力由 20 降低到 15KG CM2 回流比由原设计值 3 33 以 0 1 的步长变化调优 最后得到最优回流比为 2 3 见表 4 1 2 提高脱乙烷塔压力 因为脱乙烷塔塔顶产品放空 在放空的产物中含有丙烯 为了减少放空 量 提高主产品产量 因此提高脱乙烷塔压力 使分离组分的相对挥发度减少 使放空的丙烯量减少 在保证主产品丙烯纯度不变的条件下 塔的压力由原来 的 30KG CM2以 0 5 的步长增大 最后得到最优压力为 35 KG CM2 优化 结果见表 4 2 3 降低丙烯塔压力 同样道理 降低丙烯塔压力 可以使轻重组分的相对挥发度增大 使之 更容易分离 这样在满足分离要求的条件下 可以减少回流比 也就减少塔顶 冷凝器 塔底再沸器的热负荷 减少其共用工程用量 塔的压力由原来的 15 KG CM2以 0 2 的步长变化 最后得到最优压力 12 KG CM2 见表 4 3 4 3 优化结果 1 脱丙烷塔的优化结果 在保证主产品丙烯纯度为 99 6 不变的情况下 以一定步长变化脱丙烷 塔的塔顶压力 随之调节相对应的回流比 经比较后得到较优的塔顶压力和相 对应的回流比 表 4 1 脱丙烷塔优化前后结果比较 优化前优化后 压力 kg cm2 回流比 压力 kg cm2 回流比项目 203 33152 3 塔顶热负荷 104kcal h 186 3159 2 塔底热负荷 104kcal h 200 6152 2 产量 kg h 63596363 塔顶馏 分产量 及组成 主组成 mol C3 75 3 C30 22 6 C3 75 3 C30 22 5 产量 kg h 1107311069 塔底馏 分产量 及组成 主组成 mol iC40 34 4iC40 34 3 2 脱乙烷塔的优化结果 在保证主产品丙烯纯度为 99 6 不变的情况下 以一定步长增大脱丙烷塔 的塔顶压力 随之调节相对应的回流比 使脱丙烷塔塔顶产品中丙烯的放空量 减少 经比较后得到较优的塔顶压力和相对应的回流比 表 4 2 脱乙烷塔优化前后结果比较 优化前优化后 项目 压力 kg cm2 回流比 压力 kg cm2 回流比 3027 93538 塔顶热负荷 104kcal h 59 9669 53 塔底热负荷 104kcal h 73 3793 94 产量 kg h 356 7356 8 塔顶馏 分产量 及组成 主组成 mol C20 31 3 C3 58 4 C20 31 3 C3 58 2 产量 kg h 60036006 塔底馏 分产量 及组成 主组成 mol C3 76 4 C30 23 4 C3 58 4 C30 23 3 3 丙烯塔的优化结果 在保证主产品丙烯纯度为 99 6 不变的情况下 以一定步长减少脱丙烷 塔的塔顶压力 随之调节相对应的回流比 经比较后得到较优的塔顶压力和相 对应的回流比 表 4 3 丙烯塔优化前后结果比较 项目优化前优化后 压力 kg cm2 回流比 压力 kg cm2 回流比 15221219 塔顶热负荷 104kcal h 817 7723 1 塔底热负荷 104kcal h 801 6698 1 产量 kg h 45124512 塔顶馏 分产量 及组成 主组成 mol C3 99 6 C30 0 4 C3 99 6 C30 0 4 产量 kg h 14911494 塔底馏 分产量 及组成 主组成 mol C30 96 4C30 95 7 4 脱戊烷塔的优化结果 表 4 4 脱戊烷塔优化前后结果比较 优化前优化后 压力 kg cm2 回流比 压力 kg cm2 回流比项目 70 7970 79 塔顶热负荷 104kcal h 150150 塔底热负荷 104kcal h 110124 产量 k