陳建娟 ，楊祖杰 ，李斌 ，叢山 2，

(1.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101；2.天津大學(xué)化工學(xué)院/精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津300350；3.北洋國(guó)家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津300072)

催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)由四個(gè)功能塔器組成，包括吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔和再吸收塔及其它輔助設(shè)備組成，主要任務(wù)為精制來(lái)自催化裂化主分餾塔塔頂粗汽油和富氣，將其分離成干氣、液化石油氣和合格的穩(wěn)定汽油[1]。圖1為吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的典型流程，壓縮富氣、富吸收汽油和解吸氣三者混合換熱后進(jìn)行平衡閃蒸，平衡罐氣相產(chǎn)品進(jìn)入吸收塔，使用粗汽油作為吸收劑回收富氣中的C3及C3以上輕烴組分；吸收塔塔頂貧氣進(jìn)入再吸收塔塔釜與來(lái)自主分餾塔的輕柴油進(jìn)行逆流吸收分離，進(jìn)而從塔頂產(chǎn)出干氣，而塔釜的富吸收油則送至主分餾塔進(jìn)行循環(huán)分離；來(lái)自平衡罐的液相被分成兩股，一股與穩(wěn)定汽油換熱后作進(jìn)入解吸塔中上部，另一股直接由塔頂進(jìn)入解吸塔，解吸塔的塔頂?shù)玫浇馕鼩?，塔釜?jiǎng)t得到脫乙烷汽油而被送至穩(wěn)定塔中部進(jìn)行進(jìn)一步分離；穩(wěn)定塔的作用為將脫乙烷汽油分離精制為液化石油氣和穩(wěn)定汽油兩股產(chǎn)品，穩(wěn)定汽油產(chǎn)品中的一部分需要送回至吸收塔作為補(bǔ)充吸收劑循環(huán)使用[2]。

在傳統(tǒng)工藝中，解吸塔的兩股進(jìn)料組成相同但進(jìn)料位置不同，擾亂了塔內(nèi)汽液組成，在冷、熱進(jìn)料位置的解吸塔內(nèi)存在軸向返混，降低氣液相之間傳質(zhì)推動(dòng)力，使塔內(nèi)分離效率降低。另外，一級(jí)平衡罐使冷凝汽油的溫度達(dá)到一個(gè)較低的水平，而冷凝汽油的一部分又需要穩(wěn)定汽油加熱才能夠作為熱進(jìn)料進(jìn)入解吸塔，這種“先冷卻后加熱”的過(guò)程是對(duì)能量的一種極大浪費(fèi)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的熱力學(xué)效率。因此，秦婭等[3]提出了相應(yīng)策略以改進(jìn)工藝流程。

如圖1所示，與常規(guī)流程相比，新流程具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

圖1 原有與改進(jìn)催化裂化穩(wěn)定吸收系統(tǒng)

1）壓縮富氣、富吸收油和解吸氣混合后，經(jīng)過(guò)二級(jí)平衡閃蒸過(guò)程，凝縮油分兩股進(jìn)入解吸塔。一級(jí)平衡罐保持在60℃進(jìn)行平衡閃蒸，液相凝縮油從平衡罐底抽出作為熱進(jìn)料進(jìn)入解吸塔的中上部，而一級(jí)閃蒸罐氣相進(jìn)入溫度相對(duì)較低的二級(jí)平衡罐形成新的氣液平衡，二級(jí)凝縮油則作為冷進(jìn)料進(jìn)入了解吸塔項(xiàng)部，二級(jí)平衡罐產(chǎn)生的富氣進(jìn)入吸收塔塔釜與粗汽油進(jìn)行逆流接觸。這種逐級(jí)冷凝的設(shè)置使工藝流程的熱分配更加合理，大幅度降低了平衡罐的冷量負(fù)荷。同時(shí)，流程的改變提高了壓縮富氣進(jìn)入平衡罐的溫度，進(jìn)一步降低了不必要的冷量能耗。二級(jí)冷凝的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)增加了混合物料的平衡次數(shù)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了富氣和凝結(jié)油之間更加清晰的分割，凝縮油中C2含量明顯減少，降低了解吸塔內(nèi)的分離負(fù)荷，解吸效果增加。此外，不同于傳統(tǒng)的工藝，新工藝的冷熱兩股進(jìn)料在組成上亦存在區(qū)別，有效地避免了解吸塔塔內(nèi)的返混問(wèn)題。

2）解吸塔中部增設(shè)中間再沸器，原有工藝中用于加熱凝結(jié)油的余熱被用于提供解吸塔所需熱量，有效降低解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷。此外，中間再沸器的設(shè)置可以適當(dāng)降低二級(jí)冷凝的溫度，從而減少富氣流量，吸收塔的分離負(fù)荷亦隨之降低。

本文在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬流程模型，利用傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)作為初值，通過(guò)規(guī)定主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，確立了現(xiàn)有工藝模擬流程的模擬方案，并得到初步操作參數(shù)。使用單因素變量法對(duì)現(xiàn)有流程工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，研究流程內(nèi)主要設(shè)備的操作條件，如補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對(duì)于工藝流程綜合性能的影響。

1 原料氣與產(chǎn)品指標(biāo)

研究所用原料為某煉廠催化裂化主分餾塔塔頂氣相產(chǎn)品[4]，具體組成如表1所示。在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)操作過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)調(diào)整操作條件以保證最后產(chǎn)品的質(zhì)量。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的主要產(chǎn)品為穩(wěn)定汽油，同時(shí)副產(chǎn)液化石油氣和干氣。其中，穩(wěn)定汽油和柴油的產(chǎn)品占比約70%～80%，液化石油氣的產(chǎn)品占比約10%～20%，干氣占比約5%～8%。以上數(shù)據(jù)可作為模擬結(jié)果的參考值，以保證流程模擬的準(zhǔn)確性。表2列出了本研究中的所有產(chǎn)品指標(biāo)。

表1 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)料情況

表2 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)品指標(biāo)

2 過(guò)程模擬模型及模擬方案

2.1 過(guò)程模擬模型與物性方法

圖2為在Aspen Plus中建立的催化裂化穩(wěn)定吸收系統(tǒng)模擬流程，由于涉及到物料流股的循環(huán)過(guò)程，流程中亦將催化裂化主分餾塔考慮在內(nèi)。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔、再吸收塔均選用Radfrac模型，油氣分離器采用Flash2模型，換熱器采用Heater模型，分流器采用FSplit模型，此外還用到用于加壓的Compr模型。其中Radfrac模型是Aspen Plus開發(fā)的最成熟的一個(gè)模塊，其在進(jìn)行吸收、萃取和精餾的時(shí)候能夠得到較為精確的結(jié)果。Aspen Plus提供了多種可供選擇的物性方法和模型。對(duì)于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)，富氣中存在H2S等極性分子，模擬計(jì)算時(shí)要選用包含這類組分的交互作用的熱力學(xué)模型，RKS方程較適合應(yīng)用于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的模擬。有文獻(xiàn)報(bào)道利用Aspen Plus軟件使用不同熱力學(xué)方法對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，得出用RKS物性方法得到的模擬結(jié)果與工業(yè)標(biāo)定數(shù)據(jù)能較好的吻合[5]。所以本文吸收穩(wěn)定系統(tǒng)選用RKS物性方法。

圖2 催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程模擬模型

2.2 模擬方案與策略

吸收塔模型設(shè)置有四個(gè)中間冷凝以移出吸收過(guò)程中放出的熱量；解吸塔和穩(wěn)定塔內(nèi)的氣相需要塔釜再沸器產(chǎn)生，穩(wěn)定塔頂設(shè)立了冷凝回流；解吸塔塔釜產(chǎn)品純度通過(guò)調(diào)節(jié)解吸塔塔釜采出率與進(jìn)料流量之比進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)定；四種塔模型采用塔板Murphree效率以體現(xiàn)理論塔板與真實(shí)塔板數(shù)之間的差異。

模擬策略：催化裂化的整個(gè)分餾系統(tǒng)存在分餾塔中部采出而進(jìn)入再吸收塔的柴油循環(huán)、再吸收塔底采出進(jìn)入主分餾塔的富吸收油循環(huán)、補(bǔ)充吸收劑循環(huán)、解吸塔塔頂解吸氣等多重循環(huán)。因?yàn)槲锪狭鞴啥嘀匮h(huán)的存在，流程模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)難以收斂。以不影響模擬結(jié)果為前提，減小模擬收斂難度，對(duì)流程進(jìn)行如下處理：

1）以采出的柴油作為再吸收塔的液相進(jìn)料，使模擬更接近實(shí)際情況。打斷再吸收塔出來(lái)的富吸收柴油與主分餾塔之間的循環(huán)，因?yàn)樵谛蜇災(zāi)K的計(jì)算過(guò)程中，富吸收柴油的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致解的不穩(wěn)定，引起產(chǎn)品產(chǎn)率偏離實(shí)際值，因此首先使用純柴油組分代替富吸收柴油作為主分餾塔的進(jìn)料，初步模擬之后將富吸收柴油的組成賦予進(jìn)料初值，而后調(diào)整二者的誤差在合理范圍之內(nèi)。

2）穩(wěn)定塔進(jìn)入再吸收塔的循環(huán)打斷，一方面穩(wěn)定汽油的組成與純汽油組成十分接近，使用純汽油代替穩(wěn)定汽油補(bǔ)充吸收有其合理性，另一方面將穩(wěn)定汽油進(jìn)入吸收塔循環(huán)不僅會(huì)徒增計(jì)算量，而且會(huì)異常地增加干氣中的汽油組分量，使模擬偏離實(shí)際值。

3）解吸氣和富吸收汽油循環(huán)，其在一定程度上也使收斂的難度增加，但在計(jì)算方法選擇合理的情況下，在模擬中發(fā)生的收斂的問(wèn)題可得到有效的解決。一般來(lái)講，在模擬的過(guò)程中，對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜的流程系統(tǒng)，原則上是應(yīng)該進(jìn)行逐塔模擬，即給每個(gè)塔賦準(zhǔn)確的物料組成性質(zhì)的初值，這樣將加速收斂。也可以建立完整的流程后再進(jìn)行模擬運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算方法和收斂方式也是可以收斂的，或者更改某些設(shè)計(jì)規(guī)定，也可以將其調(diào)至收斂，只是過(guò)程較為復(fù)雜。對(duì)一般較為復(fù)雜的系統(tǒng)，推薦用逐塔模擬的方法。催化裂化分餾系統(tǒng)存在多個(gè)物流循環(huán)，并非簡(jiǎn)單的順序分離流程，要完成如此復(fù)雜流程的模擬計(jì)算，除了上述的必要的流程處理外，還必須找出流程中需要迭代求解的再循環(huán)網(wǎng)，找出各單元群計(jì)算最優(yōu)順序，使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化，模擬得以進(jìn)行。

3 初步操作參數(shù)模擬結(jié)果

在建立吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬時(shí)，是按照如下順序進(jìn)行的：

1）先建立閃蒸、吸收塔和解吸塔模型，因?yàn)閮伤g有解吸氣循環(huán)，所以同時(shí)建立。以標(biāo)定數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，其中補(bǔ)充吸收劑用標(biāo)定的穩(wěn)定汽油代替，輸入好后運(yùn)行。

2）然后建立再吸收塔，將吸收塔底貧氣引入在吸收塔底，吸收劑為裂化柴油，輸入相關(guān)操作參數(shù)，運(yùn)行。

3）再將再吸收塔塔底的富吸收油送回至主分餾塔，取代開始假定的富吸收油，運(yùn)行至收斂。

4）最后以標(biāo)定的液化石油氣和穩(wěn)定汽油為設(shè)定條件建立穩(wěn)定塔。將穩(wěn)定塔底的部分穩(wěn)定汽油經(jīng)換熱后取代開始假定的吸收塔的補(bǔ)充吸收劑。運(yùn)行至整個(gè)流程收斂，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

最終，在借鑒傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)和滿足基本產(chǎn)品要求的前提下，得到了改進(jìn)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)初步工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)初步工藝條件

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)操作條件模擬結(jié)果如表4和表5所示。通過(guò)模擬結(jié)果可知，產(chǎn)品占比以及產(chǎn)品品質(zhì)基本與工業(yè)條件一致，證明模擬可信。通過(guò)干點(diǎn)可知穩(wěn)定汽油滿足要求。通過(guò)成分分析，液化石油氣品質(zhì)較高。但是富氣中含有較多的C3及C3以上組分，粗汽油中也含有一些C2和C3等輕組分，且粗汽油和穩(wěn)定汽油量也還有一定的差異。

表4 吸收系統(tǒng)模擬主要流股結(jié)果

另外發(fā)現(xiàn)該流程存在如下問(wèn)題：

1）吸收劑對(duì)于輕組分的吸收效果較差，因此考慮對(duì)塔板進(jìn)行優(yōu)化；

2）工藝流股循環(huán)較多，在模擬過(guò)程中極易出現(xiàn)局部警告，導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，無(wú)法對(duì)操作條件進(jìn)行微調(diào)，因此在優(yōu)化過(guò)程中只能對(duì)單個(gè)單元分別進(jìn)行工藝優(yōu)化；

3）流股循環(huán)導(dǎo)致部分雜質(zhì)積累，引起解的震蕩，導(dǎo)致干氣的量驟然增加，流股信息不準(zhǔn)確；

表5 脫吸穩(wěn)定系統(tǒng)主要流股結(jié)果

4）整個(gè)工藝耗能較多，因此考慮對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行熱交換網(wǎng)絡(luò)的集成。

因此需要根據(jù)流程的特點(diǎn)對(duì)流程進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，以此模擬作為初值，切斷或重新連接部分流股，以對(duì)模擬進(jìn)行調(diào)整。

4 分析與優(yōu)化

由于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程比較復(fù)雜，吸收塔、解吸塔、穩(wěn)定塔相互交聯(lián)，形成三個(gè)物料循環(huán)，各個(gè)塔相互影響，因此系統(tǒng)中影響吸收效果、穩(wěn)定塔產(chǎn)品質(zhì)量、系統(tǒng)能耗的因素較多。本文中吸收效果用干氣中C3及C3以上組分體積分?jǐn)?shù)V%表示，穩(wěn)定塔產(chǎn)品質(zhì)量為穩(wěn)定塔頂液化石油氣中C5、C2組分的體積分?jǐn)?shù)V%和穩(wěn)定汽油中C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%表示，系統(tǒng)能耗主要為冷卻負(fù)荷和再沸器熱負(fù)荷。

吸收塔中吸收效果受吸收溫度，吸收壓力及液氣比影響。低溫高壓有利于吸收，但吸收塔溫度受到冷卻水的限制，不會(huì)太低，一般在40℃左右。吸收壓力受氣壓機(jī)及其它設(shè)備的限制，提高幅度有限。并且在增大吸收塔壓力后，解吸塔的壓力也會(huì)隨之增大。但高壓不利于解吸，為了保證解吸塔效果，必須提高解吸塔底溫度，但解吸塔底溫度受中壓蒸汽來(lái)源的限制。因此提高解吸塔的吸收效果的可調(diào)的因素為吸收塔液氣比。解吸塔在操作過(guò)程中的控制指標(biāo)主要為脫乙烷汽油中的C2含量，與吸收相反，高溫低壓對(duì)解吸有利。增加解吸塔的理論板數(shù)會(huì)減少干氣中C3及C3以上組分含量，但不是很明顯。解吸塔的壓力取決于吸收塔壓力或氣液平衡罐的壓力，不能降低。所以操作中，影響解吸效果的因素有解吸塔進(jìn)料溫度和解吸塔再沸器負(fù)荷。解吸塔的解吸效果好，可以保證穩(wěn)定塔頂不出或少出不凝氣，也可減少C3及C3以上組分的損失。穩(wěn)定塔最關(guān)鍵的就是需要深度穩(wěn)定。穩(wěn)定汽油深度穩(wěn)定不僅可以回收穩(wěn)定汽油中的液化石油氣，還可以提高補(bǔ)充吸收劑質(zhì)量，進(jìn)而提高吸收效果。綜上，影響吸收穩(wěn)定系統(tǒng)可優(yōu)化的因素有：補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素。在接下來(lái)的模擬中，取幾個(gè)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響較大的因素進(jìn)行舉例分析。

4.1 補(bǔ)充吸收劑流量

應(yīng)用靈敏度分析，在規(guī)定吸收塔中間取熱量和穩(wěn)定塔回流比均不變的情況下，得到了補(bǔ)充吸收劑流量的改變對(duì)吸收效果的影響，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著補(bǔ)充吸收劑的流量的增加，干氣的C3及C3以上組分含量逐漸下降。因?yàn)檫M(jìn)入吸收塔中補(bǔ)充吸收劑量的增大，就是增加吸收塔中的液氣比，有利于吸收過(guò)程，所以干氣中C3及C3以上組分量減少。

圖3 補(bǔ)充吸收劑流量對(duì)干氣中C3及C3以上組分的含量影響

4.2 解吸塔氣化率

為保證液化石油氣的品質(zhì)，解吸塔應(yīng)當(dāng)盡量將輕組分（C2及其以上）從體系中蒸出，因此解吸塔應(yīng)當(dāng)保證一定的汽化率，但是汽化率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)率下降，因此對(duì)解吸塔汽化率進(jìn)行靈敏度分析。由圖4所示，當(dāng)汽化率大于0.075時(shí)，體系中基本不存在C2以上的輕組分，因此將解吸塔汽化率定在0.075。

圖4 解吸塔汽化率對(duì)LPG產(chǎn)品品質(zhì)的影響

4.3 穩(wěn)定塔操作條件

穩(wěn)定塔頂獲得液化石油氣，塔底獲得穩(wěn)定汽油，因此穩(wěn)定塔操作條件對(duì)最終產(chǎn)品條件有著決定性的意義。穩(wěn)定塔可控操作條件在于汽化率和回流比，對(duì)二者進(jìn)行靈敏度分析。由圖5可知，穩(wěn)定塔汽化率在0.278以上，穩(wěn)定汽油品質(zhì)達(dá)到要求，因此將穩(wěn)定塔汽化率定在0.278?；亓鞅仁蔷s塔分離效率的最重要影響因素之一，回流比越大越有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)，但是氣液循環(huán)量的增大也會(huì)引起能耗的升高。因此在保證產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)盡量降低回流比。由圖5可知，當(dāng)穩(wěn)定塔回流比大于1.25，回流比對(duì)于油品品質(zhì)影響不大，因此為降低能耗，將穩(wěn)定塔的回流比定在1.25。

圖5 穩(wěn)定塔汽化率與回流比對(duì)穩(wěn)定汽油品質(zhì)的影響

5 總結(jié)

通過(guò)在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬流程模型，利用傳統(tǒng)催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程的工藝參數(shù)作為初值，確立了現(xiàn)有工藝流程的初步操作參數(shù)。使用單因素變量法對(duì)現(xiàn)有流程工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，研究流程內(nèi)補(bǔ)充吸收劑流量、穩(wěn)定塔回流比、穩(wěn)定塔理論板數(shù)、穩(wěn)定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進(jìn)料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對(duì)于工藝流程綜合性能的影響。研究表明改進(jìn)的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)具有可行性，工藝流程內(nèi)可適當(dāng)增加以提高吸收效果，解吸塔的最優(yōu)氣化率為0.075，穩(wěn)定塔的最優(yōu)氣化率為0.278，回流比為1.25。