常減壓蒸餾裝置流程模擬及優化研究

沈 鑫 俞 輝 趙英凱 李麗娟

(南京工業大學電氣與自動化學院，江蘇 南京 210009)

0 引言

流程模擬是過程系統工程中最基本的技術，能為工程設計和流程分析等提供強有力的工具。它既可以判斷一個裝置性能的優劣，也可以對開發新的工藝提供可靠的預測，有助于研究人員提高工作效率。

常壓塔各個側線產品的質量難以在線測定，且各個側線產品的抽出量與溫度之間耦合嚴重。為保證產品質量，實際生產中各側線產品的抽出量比較保守，這就導致收率較低。

基于以上問題，以某煉油廠原油蒸餾裝置為工程背景，研究了初餾塔和常壓塔的流程模擬問題，建立了符合實際的機理模型;并在此基礎上，優化了操作條件，實現了常頂石腦油和常一線產品之間的清晰切割。

1 工藝流程模擬

1.1 流程模擬實驗準備

加工原油為沙特輕質油(原油性質)，處理量取350萬t/a，脫后原油含水0.2%，初餾塔塔頂壓力為0.19 MPa，常壓塔塔頂出口溫度為110℃，塔頂壓力為0.12 MPa，常壓塔設置有常一線、常二線和常三線共3個側線抽出。

1.2 工藝分析

常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序。根據原油中各組分的沸點(揮發度)不同，采用加熱的方法從原油中分離出各種石油餾分的裝置稱為常減壓蒸餾裝置。常壓蒸餾法蒸餾出低沸點的汽油、煤油和柴油等組分，而沸點較高的蠟油和渣油等組分則被留在未被分出的液相中。將常壓渣油經過加熱后，送入減壓蒸餾系統，使常壓渣油在避免裂解的較低溫度下進行分餾，分離出潤滑油料和催化料等二次加工原料，剩下組分進行減壓渣油。

精餾系統中的各種原油精餾塔具有相同的工藝特點，其根本特點是原油精餾塔處理的是復雜混合物——原油，生產的也是復雜混合物——各種餾分產品。在常減壓裝置的常壓蒸餾系統中，原油被切割成常頂石腦油，常一、常二、常三線油以及常壓重油等5種產品。按照多元精餾原理，需要使用4個精餾塔才能夠把這些產品分離出來，所以常壓塔是由4個精餾塔逐級疊加而成的復合塔［1］。

初底油在常壓爐中加熱到進料溫度后進入常壓塔，進料溫度應根據煉制原油的性質(如原油實沸點曲線等)、各餾分產品的質量要求(如干點)、過汽化度要求及汽化段的油汽分壓來決定。進料溫度太高會浪費能量，且會增加塔的汽相負荷，降低塔的處理量;而進料溫度太低，則會造成輕油收率下降。在實際生產過程中，常壓爐出口溫度總是加熱到最高限度，以保證足夠的汽化率和穩定裝置操作，但這會導致塔的能耗增大、效率降低。

為了保證各餾分產品的質量，通常在常壓塔旁設置汽提塔，采用過熱水蒸氣汽提，以降低側線產品中輕質組分的含量;在常壓塔底注入過熱水蒸氣，從而降低油汽分壓，幫助塔底重油中輕質油的汽化，同時提高進料在汽化段中的汽化率和餾分油的收率。由于水的分子量較油品的分子量要小得多，少量的汽提蒸汽具有較大的體積，如果不控制汽提蒸汽量，它將在相當大程度上加大常壓塔的汽相負荷。

在實際生產過程中，汽提蒸汽的量由操作人員根據經驗進行調整。

由于常壓塔塔底無再沸器，進塔熱量主要由進料帶入，因此，回流比對常壓塔的精餾效果影響很大。如果塔頂的回流量過大，則過量的液相回流會使塔內各個部位的蒸汽過多冷凝，造成塔內各處的溫度普遍下降，產品組成普遍變輕，餾出油收率下降，常壓重油中所含輕質油的含量增高;反之，塔內各點溫度會全面上升，分餾精確度下降，產品的餾分組成變重，產品不合格。常壓塔有塔頂循環回流，中部有常一、常二中段循環回流，可克服常壓塔汽、液負荷分布的不均勻性［2］。

1.3 流程模擬方法

1.3.1 物性方法選擇

物性集是Aspen Plus用于計算熱力學性質和傳遞性質的方法和模型的集合［3］。選擇合適的物性集是模擬結果正確與否的關鍵。

在化工過程模擬中，常用的物性方法有以下4種:BK-10法、CHAO-SEA法、GRAYSON法和MXBONNEL法。BK-10法通常用于真空或低壓狀態，CHAO-SEA法和GRAYSON法通常用于高壓情形，GRAYSON法是在富氫體系中應用范圍最廣的方法，MXBONNEL法適用于乙烯過程等輕烴類的混合物體系。

本文針對常減壓裝置進行流程模擬，初餾塔和常壓塔是基于常壓工作，而減壓塔的壓力遠遠低于常壓，因此，對于各塔的計算均選擇BK-10法。

1.3.2 收斂方法選擇

Aspen Plus提供的收斂方法有WEGSTEIN法、DIRECT法、割線法、BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法和SQP法等。不同的模塊采用不同的收斂方法，本文流程模擬計算的收斂方法采用WEGSTEIN方法。這種方法可同時運用于任何數目的流股，而且具有快速可靠的特點，適用于常減壓裝置的計算。

1.4 初餾、常壓塔模擬

1.4.1 初餾塔模型

初餾塔過程流程如圖1所示。

圖1 初餾塔過程流程圖Fig.1 Flowchart of forerunning tower

圖1中:MIXOIL為脫鹽脫水后的進料流股;PDUSTM為初餾塔塔底蒸汽;SOW為含硫污水;NAPHTHA為初頂石腦油;SIDE-OUT為初餾塔側線抽出流股;CDU-FEED為常壓塔的進料流股。

由圖1可知，初餾塔選用帶有塔頂冷凝器的塔模型，沒有塔底再沸器，并設置有兩個中段循環。

1.4.2 常壓塔模擬

常壓塔過程流程如圖2所示。

圖2 常壓塔過程流程圖Fig.2 Flowchart of atmospheric tower

圖2中:CU-STM1、CU-STM2、CU-STM3分別為常一線、常二線、常三線汽提蒸汽;CHANG-1、CHANG-2、CHANG-3分別為常一線、常二線、常三線產出;REDCRD為常底油;CU-TOPVA為自常壓塔頂回流缸出來的氣體;CTOP-TDW為常頂油至脫于烷塔進料緩沖罐;CU-WATER為塔頂污水;HNAPHTHTHA為常頂石腦油;CPU-STM為塔底蒸汽。

常壓塔選用帶有常壓爐、塔頂冷凝器和汽提蒸汽塔的塔模型，沒有設置塔底再沸器，但設置有3個中段循環。常壓塔在設計時采用二級冷凝，其中，第一級冷凝可以由塔頂冷凝器來模擬計算，對于第二級冷凝器則由閃蒸模塊(V2104)進行計算。閃蒸模型代表單級分離器，如排空罐。這些模型根據設定進行相平衡閃蒸計算，可以進行絕熱、等溫、恒溫恒壓、露點或泡點閃蒸計算。由于很難找到比常減壓裝置中塔底油溫高的介質，而過熱蒸汽卻很容易獲得，所以在常減壓裝置中一般都采用經過加熱爐對流段加熱的0.3～0.6 MPa、400～450℃的過熱蒸汽作為汽提介質。但采用蒸汽汽提會使塔內汽相負荷增加，影響塔的處理能力。

側線汽提塔可以看作是只有提餾段的蒸餾塔。側線產品自汽提塔頂部進料，汽提塔底部通入過熱蒸汽，將產品中的輕組分蒸發出去，通過氣相回到主塔里，以提高側線產品的初餾點和閃點。在常減壓裝置中，提餾的方法大多采用蒸汽汽提。當向汽提塔塔底通入過熱蒸汽時，自下往上的蒸汽和從上往下流的液相重組分逆流接觸，降低了氣相的油氣分壓，使得被提餾油品中的輕組分汽化上升并返回主塔，從而達到了提餾的目的。

1.5 模擬計算結果

本文對實際工況進行了流程模擬計算。實際工況流程模擬模型是根據所煉原油和各種操作條件的不同來調節塔模型的參數，得到能夠良好描述實際生產過程的流程模擬模型。由于實際生產過程是一個動態過程，因此在工況的選取上盡可能選用操作穩定的工況，并采用一段時間內的平均值作為模型的輸入，以提高模型的準確性［4］。

根據工廠的工藝指標，產品質量主要體現在產品的閃點、初餾點和終餾點等，一般而言，產品質量指標衡量的標準主要是產品的終餾點。在已建立的流程模擬模型中輸入相關現場數據，終餾點模擬結果比較，溫度、壓力及質量流量數據比較分別如表1、表2所示。

表1 終餾點模擬結果比較Tab.1 Comparison of simulation results of final boiling point

表2 溫度、壓力及質量流量數據比較Tab.2 Comparison of temperature、pressure and mass flow

由表1、表2可知，模擬計算結果中主要產品干點基本上與實際工況運行的結果相吻合。這說明該模型可以很好地體現常減壓裝置實際運行的狀況，具有較高的精度和準確性，從而為操作人員提供了指導，為生產提供了科學準確的參考。

2 操作條件優化

2.1 靈敏度分析工具

Aspen Plus中的靈敏度分析工具是用來研究當某一流股或操作條件(如溫度、壓力、汽提蒸汽流量、循環回流取熱等)發生變化時，出口質量指標將如何進行變化的一種手段［6］。靈敏度工具可以方便地確定產品質量指標等對關鍵操作變量和設計變量的響應，即確定一個或多個流股變量變化對其他流股變量造成的影響。這是一種形式為“If…Then”的研究工具，可以使用靈敏度分析工具來驗證設計指標在操作變量的變化范圍內是否有解，也可以用來處理一些過程優化問題。

2.2 序貫二次規劃算法

在對常減壓裝置的流程模擬計算中，本文選擇了快速可靠的Wegstein方法;而對于操作優化，本文選擇采用序貫二次規劃(sequential quadratic program，SQP)算法。它是優化操作的默認算法，用于等式或不等式約束的流程優化問題。

在化工過程的優化問題中，SQP算法的應用越來越廣泛，給復雜大系統的模擬與優化設計帶來了突破性的進展。

2.3 產品分離技術結果

在實際生產過程中，一般使用脫空度和重疊度來衡量精餾塔的分離精度［7］。脫空是指上下兩個側線的餾程沒有交叉，通常采用上一側線95%點和下一側線的5%點之間的溫度差來表示。如果兩點交叉，則稱之為重疊。從蒸餾的目的來說，各產品之間最好都能脫空［8］。

為了得到分布相對狹窄的側線產品，實現降低各側線產品之間重疊度甚至脫空的優化目標，本文應用Aspen Plus靈敏度分析工具來研究常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量分別對常頂/常一線產品重疊度的影響，即選擇常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量為調節變量，常頂95%點和常一線5%點為輸出變量進行單變量靈敏度分析，分析結果如圖3所示。

圖3 分析結果Fig.3 Analyzing results

由圖3(a)可知，隨著常頂采出流量的增加，常頂95%點和常一線5%點溫度同時升高，但常一線5%點溫度比常頂95%點溫度升高得更快，因而其重疊度隨常頂產品流量增加而降低。隨著常一線采出流量的增加，常一線5%點溫度略有增加，而常頂95%點溫度基本不變;隨著常一線汽提蒸汽流量增加，常頂95%點溫度下降，而常一線5%點溫度則是迅速增加。

由圖3(b)可知，從增加常頂采出量對常頂95%點和常一線5%點的影響可知，兩者基本上隨常頂采出量增加呈線性升高關系，只是常一線5%點升高得更快。其原因在于常頂采出量增加，使得常頂產品中沸點高的組分增加，而一線產品中沸點低的組分減少;增加一線產品采出流量則會使其中重組分含量增加，一線產品5%點溫度也將相應增加，而常頂產品95%點則基本不受影響。因而增加常頂產品采出量和一線產品采出流量均對降低常頂產品/一線產品重疊度的作用有限。

由圖3(c)可知，汽提蒸汽流量從零逐漸增加到300 kg/h時，常一線5%點溫度顯著升高，常頂95%點溫度也有較大降低;但是當汽提蒸汽流量進一步增加時，常一線5%點仍有明顯升高，而常頂95%點卻已經沒有明顯變化。這是因為常一線汽提蒸汽流量增加會降低常一線汽提塔中油氣分壓，使得油氣中的輕組分更容易被汽提到常頂產品中，常頂產品的95%點也就自然會有所降低，因而增加汽提蒸汽流量可以優化分離效果。

研究結果表明，提高一線汽提蒸汽流量對降低常頂石腦油/常一線油重疊度效果顯著，甚至能達到脫空的效果。

3 結束語

本文按照實際生產工藝參數，對初餾塔和常壓塔進行了流程模擬，并按照工藝機理，選擇BK-10狀態方程和Wegstein收斂算法［9］對其進行分段模擬，最終模擬計算的結果與實際工藝質量指標大致符合。同時，研究了常頂石腦油采出流量、常一線采出流量和常一線汽提蒸汽流量分別對常頂/常一線產品重疊度的影響［10－11］。

利用該結果可以有效地指導生產，對提高產量以及側線產出優質的產品有著積極的指導意義。

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