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催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)低溫節(jié)能工藝開發(fā)初探

韓禎1, 3，李婧伊1, 3，隋紅1, 2, 4，李鑫鋼1, 2, 4

（1精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津大學(xué)，天津300072；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；3北洋國(guó)家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津300457；4天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津大學(xué)，天津300072）

摘要：以某煉油廠催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)作為模擬和計(jì)算的基礎(chǔ)，從單因素和雙因素角度研究了循環(huán)汽油溫度及平衡罐溫度對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)物流及能耗的影響，為后續(xù)低溫節(jié)能工藝開發(fā)提供了依據(jù)。研究結(jié)果表明，隨著循環(huán)汽油溫度由40℃逐步降至5℃，平衡罐氣液相及循環(huán)汽油質(zhì)量流率下降，系統(tǒng)能耗下降約16%。系列循環(huán)汽油溫度下，隨著平衡罐溫度的上升，系統(tǒng)能耗均呈現(xiàn)正U形曲線趨勢(shì)，在35～55℃范圍內(nèi)出現(xiàn)系列最低點(diǎn)，即該循環(huán)汽油溫度下系統(tǒng)能耗最優(yōu)點(diǎn)。隨著循環(huán)汽油溫度的降低系統(tǒng)能耗逐漸減小。因此，除了考察適用的最優(yōu)操作溫度外，還需綜合評(píng)估工藝匹配的節(jié)能設(shè)備投資及操作費(fèi)用，才能開發(fā)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的吸收穩(wěn)定系統(tǒng)低溫節(jié)能工藝。

關(guān)鍵詞：吸收穩(wěn)定系統(tǒng)；催化裂化；低溫節(jié)能；平衡罐溫度；循環(huán)汽油溫度

第一作者：韓禎（1987—），工程師，從事化工分離與節(jié)能技術(shù)研究。E-mail hanzhentju@163.com。聯(lián)系人：隋紅，副教授，從事非常規(guī)能源和化工節(jié)能技術(shù)研究。E-mail suihong@tju.edu.cn。

催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的作用是將分餾塔來的富氣、粗汽油分離成干氣（≤C2）、液化氣（C3、C4）和蒸氣壓合格的穩(wěn)定汽油。目前煉油廠大多采用四塔流程，即吸收塔、再吸收塔、解吸塔和穩(wěn)定塔[1]。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中存在大量的循環(huán)物料，吸收塔、解吸塔和穩(wěn)定塔之間相互影響、相互制約。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)吸收效率的影響因素研究表明，降低進(jìn)料溫度、提高系統(tǒng)壓力、增加補(bǔ)充吸收劑量、提高補(bǔ)充吸收劑質(zhì)量均有利于吸收塔和再吸收塔吸收相應(yīng)組分[2]。現(xiàn)階段對(duì)吸收解吸系統(tǒng)的研究和改造主要側(cè)重于用規(guī)整填料替代浮閥塔板、優(yōu)化換熱流程以及采用吸收塔預(yù)平衡[3]、解吸塔低溫進(jìn)料、解吸塔中間再沸器和解吸塔雙股進(jìn)料等方法提高處理效果。

由于公用工程循環(huán)水溫度的限制，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)現(xiàn)有節(jié)能工藝技術(shù)僅停留于35～40℃的吸收溫度，即使實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究吸收溫度也在25℃左右[2]，無法突破性地降低吸收塔吸收溫度、從而顯著減少系統(tǒng)中循環(huán)吸收劑用量，所能達(dá)到的系統(tǒng)節(jié)能效果有限。因此，未來與低溫余熱發(fā)電及低溫制冷技術(shù)結(jié)合，開發(fā)低溫吸收技術(shù)是一種具有較大節(jié)能潛力的創(chuàng)新技術(shù)。本文從全流程角度考察系統(tǒng)操作溫度對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)物流及能耗的影響，以獲得吸收效果影響因素和系統(tǒng)能耗的內(nèi)在規(guī)律，為開發(fā)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)低溫節(jié)能工藝奠定基礎(chǔ)。

1　常規(guī)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝模型

某煉油廠催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程示意見圖1。在常規(guī)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程中，富氣由壓縮機(jī)二級(jí)壓縮后與富吸收油、解吸氣于平衡罐中形成氣液平衡，平衡罐氣相進(jìn)入吸收塔底部，液相凝縮油進(jìn)入解吸塔頂部。為提高吸收效率，吸收塔設(shè)3臺(tái)中間換熱器取熱，吸收塔塔頂出貧氣，經(jīng)再吸收塔吸收得到干氣，再吸收塔塔底的富柴油換熱后返回分餾塔。解吸塔塔底脫輕汽油預(yù)熱后進(jìn)入穩(wěn)定塔中部。穩(wěn)定塔將脫輕汽油中C4以下液化氣組分蒸出，塔頂?shù)玫揭夯瘹?，塔底產(chǎn)品為蒸氣壓合格的穩(wěn)定汽油，冷卻至40℃，一部分回吸收塔塔頂作循環(huán)吸收劑，另一部分作為汽油產(chǎn)品出裝置。

圖1　某煉油廠催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程圖

1.1工藝模型建立

以煉油廠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為流程分析和工藝模擬的依據(jù)，選用SRK方程熱力學(xué)方法，結(jié)合油氣的氣液兩相焓、泡露點(diǎn)溫度及氣液相平衡（VLE）等熱力學(xué)參數(shù)，PRO/Ⅱ流程模擬軟件包進(jìn)行模擬。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)物料平衡數(shù)據(jù)如表1所示。

（1）操作壓力（絕壓）兩級(jí)壓縮機(jī)出口富氣1.58MPa，吸收塔塔頂1.40MPa，塔壓降0.05MPa，再吸收塔塔頂1.35MPa，塔壓降0.05MPa，解吸塔塔頂1.60MPa，塔壓降0.05MPa，穩(wěn)定塔塔頂1.20MPa，塔壓降0.05MPa。

（2）操作溫度循環(huán)汽油補(bǔ)充吸收劑換熱至40℃進(jìn)入吸收塔，吸收塔3個(gè)中間換熱器回流返回溫度40℃，氣液平衡罐氣液相出料溫度40℃，脫輕汽油與穩(wěn)定汽油換熱至140℃進(jìn)入穩(wěn)定塔，穩(wěn)定汽油產(chǎn)品40℃出料。輕柴油經(jīng)兩級(jí)換熱降溫至40℃進(jìn)入再吸收塔，塔底富柴油與輕柴油換熱至210℃返回分離塔。

（3）理論板數(shù)吸收塔24塊理論板，3個(gè)中間換熱器抽出和返回理論板分別為7、8、14塊和15、22、23塊，再吸收塔21塊理論板，解吸塔21塊理論板，穩(wěn)定塔30塊理論板。

（4）質(zhì)量控制指標(biāo)各流程模擬計(jì)算中，保證干氣中C3～C4的摩爾分?jǐn)?shù)保持為0.8%，同時(shí)干氣質(zhì)量流率不大于4520kg/h；液化氣中C2?≤0.5%，同時(shí)C5+≤1.0%；穩(wěn)定汽油雷德蒸氣壓即RVP≤60 kPa。

1.2系統(tǒng)能耗研究

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中的能耗主要為解吸塔及穩(wěn)定塔的塔底再沸器能耗。解吸塔用于分離C2與（C3、 C4），其能耗取決于進(jìn)入解吸塔的平衡罐液相凝縮油中C2的含量，即平衡罐中的C2與（C3、C4）的氣液相平衡，平衡罐的溫度越低，進(jìn)入解吸塔的C2含量越高，反之，平衡罐的溫度越高，進(jìn)入解吸塔的C2含量越低。吸收塔是用于吸收富氣中的輕組分，影響吸收塔吸收效果的主要是吸收劑的量、富氣和吸收劑入塔溫度以及中間換熱器溫度[4]。吸收塔的溫度越低，輕組分越容易被吸收，相同干氣組成情況下需要的作為補(bǔ)充吸收劑的循環(huán)汽油量越少，從而穩(wěn)定塔再沸器能耗越低。但隨著C2等輕組分過多地被吸收，進(jìn)入解吸塔后造成解吸塔再沸器能耗增加。因此在控制產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，需進(jìn)行以下兩方面研究：①分別考察循環(huán)汽油溫度以及平衡罐溫度變化對(duì)系統(tǒng)能耗、物流組成、產(chǎn)品收率影響的單因素研究；②循環(huán)汽油與平衡罐溫度變化對(duì)系統(tǒng)能耗影響的雙因素研究，確定系統(tǒng)綜合能耗最低的最優(yōu)化方案。

2　常規(guī)吸收穩(wěn)定工藝的操作溫度研究

考慮循環(huán)汽油的流動(dòng)性及平衡罐中水相的凝固點(diǎn)，工藝操作溫度的考察均以5℃為最低溫度考察點(diǎn)，且平衡罐80℃以上系統(tǒng)能耗顯著增高，因此以80℃為最高溫度考察點(diǎn)。

單因素研究：

（1）考察循環(huán)汽油溫度變化對(duì)系統(tǒng)能耗、物流組成、產(chǎn)品收率的影響。通過循環(huán)汽油換熱器調(diào)整循環(huán)汽油溫度從40℃以5℃間隔降至5℃，吸收塔中間換熱器溫度隨循環(huán)汽油變化，以確保吸收塔內(nèi)吸收溫度合理，平衡罐溫度保持40℃不變。產(chǎn)品質(zhì)量控制指標(biāo)不變，觀察系統(tǒng)能耗，穩(wěn)定汽油、干氣、液化氣產(chǎn)品收率的變化，以及平衡罐氣液相、循環(huán)汽油質(zhì)量流率變化，平衡罐氣液相、解吸塔氣相組成變化。

表1吸收穩(wěn)定系統(tǒng)物料平衡表

（2）考察平衡罐溫度變化對(duì)系統(tǒng)能耗、物流組成、產(chǎn)品收率影響。通過平衡罐換熱器調(diào)整平衡罐氣液相出口溫度從40℃以5℃間隔上升至80℃，吸收塔中間換熱器和循環(huán)汽油溫度保持40℃不變。產(chǎn)品質(zhì)量控制指標(biāo)不變，觀察系統(tǒng)能耗，穩(wěn)定汽油、干氣、液化氣產(chǎn)品收率的變化，平衡罐氣液相、循環(huán)汽油質(zhì)量流率變化，平衡罐氣液相、解吸塔氣相組成變化。

雙因素研究：雙因素分析是研究循環(huán)汽油與平衡罐溫度同時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，以確定不同循環(huán)汽油工況條件下，相應(yīng)地平衡罐溫度變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，從而得出工藝系統(tǒng)能耗最優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量控制指標(biāo)不變，為保證吸收塔塔頂溫度低于塔底溫度，模擬計(jì)算循環(huán)汽油溫度為40～5℃變化，平衡罐溫度為5～80℃變化，并且循環(huán)汽油溫度≤平衡罐溫度≤80℃。

2.1單因素研究結(jié)果及討論

2.1.1循環(huán)汽油溫度的影響

如表2所示，在平衡罐溫度保持40℃不變的情況下，隨著循環(huán)汽油溫度由40℃逐步降至5℃，穩(wěn)定塔再沸器、解吸塔再沸器能耗均呈顯著下降趨勢(shì)，系統(tǒng)能耗下降約16%，在循環(huán)汽油溫度為5℃出現(xiàn)最低點(diǎn)，為單因素系統(tǒng)工藝最優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定汽油收率呈上升趨勢(shì)，干氣收率呈下降趨勢(shì)，即循環(huán)汽油溫度下降導(dǎo)致穩(wěn)定汽油收率的增加，最高增加到1.45%。干氣和液化氣收率略有下降，但由于模擬過程中控制產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品收率整體變化較小。

如圖2所示，隨著循環(huán)汽油溫度降低，吸收塔吸收溫度降低，所需循環(huán)汽油量下降，進(jìn)入系統(tǒng)中的汽油量及輕組分量相應(yīng)降低，平衡罐氣液相質(zhì)量流率均有所降低。圖3反映了平衡罐氣液相及解吸塔塔頂氣相中C3-C4含量隨循環(huán)汽油溫度的變化。隨著循環(huán)汽油溫度降低，平衡罐氣相H2-C2含量略有下降，平衡罐液相中C3-C4含量及解吸塔塔頂氣相C3-C4含量略有上升，這與吸收塔在低溫條件下吸收的C3-C4含量上升有關(guān)。

表2循環(huán)汽油溫度對(duì)系統(tǒng)能耗及產(chǎn)品收率影響

圖2　各物流質(zhì)量流率隨循環(huán)汽油溫度的變化

圖3　各物流摩爾分?jǐn)?shù)隨循環(huán)汽油溫度的變化

表3平衡罐溫度對(duì)系統(tǒng)能耗及產(chǎn)品收率影響

2.1.2平衡罐溫度的影響

如表3所示，循環(huán)汽油和吸收塔中間換熱器溫度保持40℃不變的情況下，隨著平衡罐溫度上升，穩(wěn)定塔再沸器呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，解吸塔再沸器和系統(tǒng)能耗均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，并且解吸塔再沸器能耗在平衡罐溫度為55℃左右出現(xiàn)最低點(diǎn)。系統(tǒng)能耗在平衡罐為50℃出現(xiàn)最低點(diǎn)，為單因素系統(tǒng)工藝最優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定汽油收率呈下降趨勢(shì)，干氣收率呈上升趨勢(shì)，即平衡罐溫度上升導(dǎo)致干氣收率增加，最高增幅5.03%。受穩(wěn)定汽油和干氣量變化的影響，液化氣收率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，但穩(wěn)定汽油和液化氣產(chǎn)量整體變化不大。

如圖4所示，隨著平衡罐溫度上升，更多的輕組分進(jìn)入吸收塔，用于吸收塔吸收輕組分的循環(huán)汽油量逐漸上升，平衡罐氣相及液相流率也逐漸增加，其中受循環(huán)汽油流率增加的影響，平衡罐液相流率比氣相流率增加得更快，這是由于循環(huán)汽油流率的增加導(dǎo)致進(jìn)入平衡罐的富吸收油量上升。

圖5反映了平衡罐氣液相及解吸塔塔頂氣相中C3-C4含量隨平衡罐溫度升高的變化。隨著平衡罐溫度上升，平衡罐氣相H2-C2含量顯著下降，實(shí)際上氣相H2-C2總量略有降低，由于進(jìn)入氣相的C3-C4組分含量的升高，相應(yīng)H2-C2摩爾分?jǐn)?shù)呈顯著下降趨勢(shì)；平衡罐液相中C3-C4含量略有下降；隨著進(jìn)入解吸塔的輕組分總量的增加，解吸塔塔頂氣相C3-C4含量逐漸上升，當(dāng)平衡罐液相進(jìn)入解吸塔的C3-C4含量與解吸塔塔頂氣相C3-C4含量相等時(shí)，即圖中A點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)入解吸塔的C3-C4總量應(yīng)高于出解吸塔的C3-C4總量，平衡罐溫度為48℃左右。根據(jù)表3可知解吸塔再沸器能耗在平衡罐溫度為55℃左右最低，此時(shí)解吸塔塔頂氣相C3-C4含量高于平衡罐液相C3-C4含量，進(jìn)入解吸氣中的汽油組分摩爾含量降低。由此可知，平衡罐溫度的升高可減輕解吸塔解吸平衡罐液相中輕組分的負(fù)荷，但溫度高于55℃，吸收塔中循環(huán)汽油量增加，導(dǎo)致進(jìn)入解吸塔的平衡罐液相質(zhì)量流率增加，從而增大解吸塔熱負(fù)荷。

圖4　各物流質(zhì)量流率隨平衡罐溫度的變化

圖5　各物流摩爾分?jǐn)?shù)隨平衡罐溫度的變化

2.2雙因素研究結(jié)果及討論

循環(huán)汽油和平衡罐溫度的雙因素研究結(jié)果如圖6所示，在同一循環(huán)汽油溫度曲線上，隨平衡罐溫度增加，系統(tǒng)能耗呈現(xiàn)正U形曲線趨勢(shì)，在35～55℃范圍內(nèi)出現(xiàn)最低點(diǎn)，即該循環(huán)汽油溫度下系統(tǒng)能耗最優(yōu)點(diǎn)。隨著循環(huán)汽油溫度下降，能耗最低點(diǎn)逐漸向左偏移，即系統(tǒng)能耗最優(yōu)的平衡罐溫度逐漸降低。循環(huán)汽油溫度為40℃時(shí)平衡罐最優(yōu)溫度為50～55℃，循環(huán)汽油溫度達(dá)5℃時(shí)平衡罐最優(yōu)溫度為40～45℃，研究范圍內(nèi)的系統(tǒng)最低能耗工況為循環(huán)汽油5℃和平衡罐溫度40℃工況。U形曲線的疏密表示，循環(huán)汽油溫度從40℃降至35℃比從10℃降至5℃節(jié)能幅度更大。

圖6　系列循環(huán)汽油溫度及平衡罐溫度下系統(tǒng)熱負(fù)荷分布圖

3　結(jié)論

本文以某煉油廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為模擬基礎(chǔ)，探討常規(guī)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝中系統(tǒng)能耗隨操作溫度變化的影響，從而為開發(fā)低溫節(jié)能工藝提供理論依據(jù)。

（1）操作溫度對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)影響的單因素研究結(jié)果表明，隨循環(huán)汽油溫度的降低，平衡罐氣液相及循環(huán)汽油質(zhì)量流率下降，由平衡罐進(jìn)入吸收塔的H2-C2含量降低，由吸收塔進(jìn)入平衡罐的C3-C4組分含量上升，系統(tǒng)能耗呈顯著下降趨勢(shì)，在控制產(chǎn)品質(zhì)量前提下，各產(chǎn)品收率整體變化較小。隨著平衡罐溫度上升，由平衡罐進(jìn)入解吸塔的C3-C4含量逐漸下降，解吸塔進(jìn)入平衡罐的C3-C4含量逐漸上升，由于吸收塔中循環(huán)汽油量的增加，解吸塔和系統(tǒng)能耗呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，解吸塔能耗在平衡罐為55℃出現(xiàn)最低點(diǎn)，系統(tǒng)能耗在50℃出現(xiàn)最低點(diǎn)。

（2）操作溫度對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)影響的雙因素研究結(jié)果表明，循環(huán)汽油溫度一定時(shí)，隨平衡罐溫度增加，系統(tǒng)能耗呈現(xiàn)正U形曲線趨勢(shì)，在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)最低點(diǎn)，即該循環(huán)汽油溫度下系統(tǒng)能耗最優(yōu)點(diǎn)。隨循環(huán)汽油溫度的降低，系統(tǒng)能耗最優(yōu)的平衡罐溫度也相應(yīng)降低，并且循環(huán)汽油溫度降低對(duì)系統(tǒng)能耗影響的效應(yīng)會(huì)隨著循環(huán)汽油溫度的降低而逐漸減小。在本文研究范圍內(nèi)，系統(tǒng)熱負(fù)荷最低為循環(huán)汽油5℃，平衡罐40℃的操作溫度?；诒狙芯拷Y(jié)果，結(jié)合對(duì)工藝匹配的節(jié)能設(shè)備投資及操作費(fèi)用綜合評(píng)估，可為后續(xù)將開發(fā)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)低溫節(jié)能新工藝奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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研究開發(fā)

Preliminary study of low-temperature and energy conservation process for FCC absorption-stabilization system

HAN Zhen1, 3，LI Jingyi1, 3，SUI Hong1, 2, 4，LI Xingang1, 2, 4

（1National Engineering Research Center for Distillation Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3Pei-yang National Distillation Technology Corporation Limited，Tianjin 300457，China；4Synergistic Innovation Center of Chemistry and Chemical Engineering of Tianjin，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract:A FCC absorber-stripper-stabilizer system was simulated and calculated based on the process data collected from a refinery.Single factor study and two-factor study were conducted to investigate the effects of temperature of cycle gasoline and equilibrium tank on the streams and energy consumption of the absorption-stabilization system.Theoretical data for the low temperature and energy conservation process to be developed were obtained by this research.With the decrease of cycle gasoline temperature from 40℃to 5℃, vapor and liquid mass flow rates of equilibrium tank and cycle gasoline decreased, and also energy consumption decreased by about 16%.At a series of cycle gasoline temperature, energy consumption presented a U-shaped curve while equilmibrium tank temperature rose.Within 35—55℃, the lowest point represented optimum energy consumption at this cycle gasoline temperature.The effect of cycle gasoline temperature decrease on system energy consumption was gradually reduced.Therefore, besides optimal operating temperature, energy saving equipmentbook=8,ebook=35cost and operation cost for the process shall be evaluated to develop an economical low temperature and energy conservation process of absorption-stabilization system.

Key words:absorption-stabilization system;fluid catalytic cracking(FCC);low temperature and energy conservation;equilibrium tank temperature;cycle gasoline temperature

基金項(xiàng)目：中歐中小企業(yè)節(jié)能減排科研合作資金項(xiàng)目（SQ2013ZOA 100002）及國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015CB251403）。

收稿日期：2014-12-10；修改稿日期：2015-02-10。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.005

文章編號(hào)：1000–6613（2015）08–2940–06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TE 08