吳祖乾，韓 軍，王光輝，雷 楊

(1.武漢科技大學化學與化工學院，煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點實驗室，武漢 430081； 2.武漢科技大學冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室)

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)是典型的工業(yè)物料和能量集成系統(tǒng)。改善系統(tǒng)吸收效果、降低系統(tǒng)能耗的研究主要有兩個方向：一是工藝流程優(yōu)化；二是操作參數(shù)優(yōu)化。眾多研究者從工藝流程創(chuàng)新角度改進。Liu等[1]提出了一種兩級冷凝的吸收穩(wěn)定節(jié)能流程，可有效提高能量利用效率，改善吸收效果。魏志強[2]提出一種設(shè)置解吸塔進料預熱器、二級中間冷凝器和中間再沸器的組合工藝，該流程具有強化傳質(zhì)、節(jié)能的特點。雷楊等[3-4]在吸收塔中部增設(shè)了側(cè)線液相抽出，極大改善了系統(tǒng)的吸收效果，減少了C3～C5組分在系統(tǒng)中的重復循環(huán)，有效降低了解吸塔的解吸熱負荷，降低了系統(tǒng)能耗。另一些研究則聚焦于優(yōu)化操作參數(shù)[5]，黃明富等[6]以富氣壓縮機出口壓力、吸收塔中段循環(huán)冷后溫度和補充吸收劑流量為關(guān)鍵參數(shù)，建立以系統(tǒng)收益為目標函數(shù)的數(shù)學模型，找出了關(guān)鍵操作參數(shù)的最佳組合。韓禎等[7]從單、雙因素角度研究了循環(huán)汽油溫度及平衡罐溫度對吸收穩(wěn)定系統(tǒng)物流及能耗的影響。閻龍等[8]通過流程模擬計算，對影響系統(tǒng)分離效果的主要因素進行了靈敏度分析，并提出了操作參數(shù)優(yōu)化方案。

工藝流程和參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化可顯著提高系統(tǒng)性能。針對作者已公開的吸收塔帶有側(cè)線抽出的節(jié)能工藝流程，借助ASPEN PLUS模擬，分析補充吸收劑流量、吸收塔側(cè)線抽出量及抽出位置、解吸塔壓力及熱進料比例、穩(wěn)定塔進料位置及進料溫度、凝縮油罐溫度等參數(shù)對吸收效果和系統(tǒng)能耗的協(xié)同影響?；诖耍ㄟ^簡捷的總費用方程定量識別關(guān)鍵參數(shù)。同時，考察烯烴及能源市場價格變化對關(guān)鍵操作參數(shù)辨識結(jié)果和優(yōu)化順序的影響。

1 強化吸收過程的節(jié)能流程模擬

1.1 基準流程及數(shù)據(jù)

強化吸收過程的基準流程如圖1所示，在吸收塔中下部側(cè)線抽出一股物流與吸收塔塔底油以及解吸塔塔頂解吸氣混合，溫度冷卻至40 ℃左右，進入凝縮油罐，氣相進入吸收塔；自凝縮油罐來的液相分冷熱兩股進入解吸塔。吸收塔底的富吸收油換熱到135 ℃左右進入穩(wěn)定塔，解吸塔的冷熱進料流量比為4∶6。解吸塔進料溫度在70 ℃左右，脫乙烷汽油進穩(wěn)定塔的溫度為110 ℃左右。吸收塔富吸收油進穩(wěn)定塔的溫度為90 ℃左右。本課題主要考察補充吸收劑流量、吸收塔側(cè)線抽出量、解吸塔熱進料比例、穩(wěn)定塔進料位置、穩(wěn)定塔進料溫度、吸收塔側(cè)線抽出位置、凝縮油罐溫度和解吸塔壓力等操作參數(shù)對系統(tǒng)吸收效果和能耗的影響。

圖1 強化吸收過程的基準流程示意T1—吸收塔； T2—再吸收塔； T3—解吸塔； T4—穩(wěn)定塔； D1—凝縮油罐； E1—凝縮油罐前冷卻器； E2、E3—吸收塔中間冷卻器； E4—解吸塔進料換熱器； E5—解吸塔再沸器； E6—脫乙烷汽油進料換熱器； E7—穩(wěn)定塔塔頂冷卻器； E8—穩(wěn)定塔再沸器； E9—穩(wěn)定汽油冷卻器； E10—吸收塔塔底油進料換熱器

進料數(shù)據(jù)及塔設(shè)備參數(shù)設(shè)置分別見表1和2。

表1 進料物流數(shù)據(jù)

表2 塔設(shè)備參數(shù)

1.2 模擬模型

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)屬于在低壓條件下涉及烴類、石油餾分和某些非烴類氣體形成的非極性體系，選用RKS物性方法。模擬規(guī)定及變量選擇見表3。采用Heater模塊對流股進行加熱或冷卻，而未使用HeatX模塊進行流股間的換熱。不考慮熱集成，僅采用公用工程加熱或冷卻。

表3 各塔的設(shè)計規(guī)定

2 關(guān)鍵操作參數(shù)的辨識

2.1 操作參數(shù)變化對吸收效果的影響

為定量評價改變操作參數(shù)對吸收效果的影響，以貧氣中C3H8和C3H6的含量作為評價標準，并以烯烴當前市場價格(C3H84 300 元t，C3H67 100 元t)計算系統(tǒng)因吸收效果變化而損失的經(jīng)濟價值，計算式為：

E1=CC3H8×FC3H8+CC3H6×FC3H6

(1)

式中：E1為損失的經(jīng)濟價值，元h；FC3H8、FC3H6分別為貧氣中C3H8、C3H6的質(zhì)量流率，th；CC3H8、CC3H6分別為C3H8、C3H6的市場價格，元t。

操作參數(shù)改變(相對變化)后，烯烴經(jīng)濟價值損失隨之變化，如圖2所示。由圖2可知：凝縮油罐溫度升高會導致吸收效果變差，造成貧氣中含有大量的C3組分，導致干氣不“干”；穩(wěn)定塔進料溫度及進料位置、解吸塔熱進料比例變化不會顯著影響吸收效果；補充吸收劑流量、解吸塔壓力、吸收塔側(cè)線抽出量及抽出位置增大則有利于提高吸收效果。因此，以改善吸收效果為目標的操作參數(shù)優(yōu)化順序應為：凝縮油罐溫度>補充吸收劑流量>解吸塔壓力>吸收塔側(cè)線抽出量>吸收塔側(cè)線抽出位置。

圖2 烯烴經(jīng)濟價值損失的相對變化■—補充吸收劑流量； ●—吸收塔側(cè)線抽出量； ▲—解吸塔熱進料比例； 穩(wěn)定塔進料位置； ◆—穩(wěn)定塔進料溫度； 吸收塔側(cè)線抽出位置； 凝縮油罐溫度； —解吸塔壓力。圖3～圖6同

2.2 操作參數(shù)變化對系統(tǒng)能耗的影響

為定量評價操作參數(shù)變化對系統(tǒng)能耗的影響，以市場能源價格(冷卻費用25.8 元MJ，低品質(zhì)熱源172 元MJ，較低品質(zhì)熱源258 元MJ，較高品質(zhì)熱源430 元MJ)計算系統(tǒng)能耗費用，計算式為：

E2=CC×(Q1+Q4+QC，T4)+CH，1×

(Q2+Q5+Q6)+CH，2×QR，T3+CH，3×(Q3+QR，T4)

(2)

式中：E2為系統(tǒng)能耗費用，元h；Q1，Q4，Q5，QC，T4分別為凝縮油罐前冷卻器熱負荷、貧氣冷卻器熱負荷、穩(wěn)定汽油冷卻器熱負荷、穩(wěn)定塔冷凝器熱負荷，MJh；Q2，Q3，Q6，QR，T3，QR，T4分別為解吸塔熱進料加熱器熱負荷、脫乙烷汽油加熱器熱負荷、吸收塔塔底抽出流股冷卻器熱負荷、解吸塔再沸器熱負荷、穩(wěn)定塔再沸器熱負荷，MJh；CC為冷卻負荷價格，元MJ；CH，1，CH，2，CH，3分別為低品質(zhì)熱源、較低品質(zhì)熱源、較高品質(zhì)熱源價格，元MJ。

操作參數(shù)改變后，系統(tǒng)能耗費用隨之變化，如圖3所示。從圖3可以看出：吸收塔側(cè)線抽出量增大會導致系統(tǒng)能耗增大，這主要是因為抽出量增大將導致系統(tǒng)循環(huán)量增大，解吸塔及穩(wěn)定塔熱負荷增大；在較大變化范圍內(nèi)，補充吸收劑流量、解吸塔熱進料比例、穩(wěn)定塔進料位置基本不影響系統(tǒng)能耗；解吸塔壓力、凝縮油罐溫度變化對系統(tǒng)能耗產(chǎn)生的影響較小；隨著穩(wěn)定塔進料溫度增高，系統(tǒng)能耗發(fā)生較大幅度的降低。因此，吸收塔側(cè)線抽出量、穩(wěn)定塔進料溫度是影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵參數(shù)，在進行以降低系統(tǒng)能耗為目標的操作參數(shù)優(yōu)化時，應優(yōu)先考慮。

圖3 系統(tǒng)能耗費用的相對變化

2.3 操作參數(shù)變化對系統(tǒng)總費用的影響

為綜合考慮分離效果及能耗，需定量評價操作參數(shù)改變對系統(tǒng)總費用的影響，將烯烴損失經(jīng)濟價值與系統(tǒng)能耗費用結(jié)合起來，計算式為：

E=E1+E2

(3)

式中，E為簡捷計算的系統(tǒng)總費用，元h。

系統(tǒng)費用隨操作參數(shù)的相對變化如圖4所示。由圖4可以看出：綜合考慮吸收效果和系統(tǒng)能耗的經(jīng)濟效益時，凝縮油罐溫度增大仍然會導致系統(tǒng)總費用急劇增大；解吸塔熱進料比例、穩(wěn)定塔進料位置對系統(tǒng)總費用的影響較??；補充吸收劑流量、解吸塔壓力、吸收塔側(cè)線抽出位置、穩(wěn)定塔進料溫度、吸收塔側(cè)線抽出量則較大程度地影響著吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的消耗總費用。因此，權(quán)衡系統(tǒng)的經(jīng)濟收益時，根據(jù)圖4中各曲線的斜率差異，操作參數(shù)的優(yōu)化順序應為：凝縮油罐溫度>補充吸收劑流量>解吸塔壓力>吸收塔側(cè)線抽出位置>穩(wěn)定塔進料溫度>吸收塔側(cè)線抽出量。

圖4 系統(tǒng)總費用的相對變化

2.4 市場價格波動對系統(tǒng)總費用的影響

為了全面和動態(tài)地分析關(guān)鍵操作參數(shù)和參數(shù)優(yōu)化順序，考察了烯烴及能源市場價格發(fā)生波動時，系統(tǒng)關(guān)鍵操作參數(shù)及優(yōu)化順序的變化情況。

(1)在能源市場價格恒定時，以烯烴市場價格波動±5%為例，分別得到烯烴價格下降、上升時系統(tǒng)總費用的變化，如圖5和圖6所示。對比后發(fā)現(xiàn)，烯烴價格波動不會對吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和操作參數(shù)優(yōu)化順序產(chǎn)生影響。

圖5 烯烴價格下降后系統(tǒng)總費用的相對變化

圖6 烯烴價格上升后系統(tǒng)總費用的相對變化

(2)當烯烴市場價格恒定，能源市場波動時，穩(wěn)定塔進料溫度的變化對系統(tǒng)經(jīng)濟效益的影響在一定程度上更為顯著，成為比吸收塔側(cè)線抽出位置更關(guān)鍵的因素。

(3)當烯烴市場價格與能源市場價格同時發(fā)生波動時，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)總費用也會產(chǎn)生一定的波動，但關(guān)鍵參數(shù)和優(yōu)化順序未發(fā)生改變。

3 結(jié) 論

(1)凝縮油罐溫度、補充吸收劑流量、解吸塔壓力、吸收塔側(cè)線抽出量及抽出位置是影響吸收效果的關(guān)鍵操作參數(shù)，以改善吸收效果為目標的操作參數(shù)優(yōu)化順序應為：凝縮油罐溫度>補充吸收劑流量>解吸塔壓力>吸收塔側(cè)線抽出量>吸收塔側(cè)線抽出位置。

(2)吸收塔側(cè)線抽出量、穩(wěn)定塔進料溫度是影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵操作參數(shù)，在進行以降低系統(tǒng)能耗為目標的操作參數(shù)優(yōu)化時，應優(yōu)先考慮。

(3)協(xié)同考慮分離效果及能耗時，操作參數(shù)的優(yōu)化順序應為：凝縮油罐溫度>補充吸收劑流量>解吸塔壓力>吸收塔側(cè)線抽出位置>穩(wěn)定塔進料溫度>吸收塔側(cè)線抽出量。

(4)烯烴市場價格、能源市場價格發(fā)生較小的波動會影響吸收穩(wěn)定系統(tǒng)總費用，但不會改變上述關(guān)鍵操作參數(shù)和操作參數(shù)優(yōu)化順序。