基于強化傳質的節能型吸收穩定系統工藝流程分析

魏 志 強

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

基于強化傳質的節能型吸收穩定系統工藝流程分析

魏 志 強

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

提出了一種設置解吸塔進料預熱器、二級中間冷凝器、中間再沸器的強化傳質與節能型吸收穩定系統的工藝流程，通過建立基準流程和節能流程的模擬模型，對工藝流程進行分析與評價。結果表明：通過設置進料預熱器，可提高一級冷凝液相進入解吸塔的溫位；通過將解吸氣與一級冷凝氣直接混合，可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，降低一級冷凝器負荷；節能流程可強化解吸塔的傳質效率，合理降低吸收穩定系統的總公用工程負荷；相對于基準流程，節能流程的能耗可降低22.02%，解吸塔內的氣相和液相負荷均有所降低，具有強化傳質、優化節能、緩解塔內氣液相負荷的優點。

吸收穩定系統 強化傳質 節能

吸收穩定系統是催化裂化、延遲焦化及加氫裂化的后處理單元，主要是將分餾塔塔頂的粗汽油和富氣分離成液化氣和穩定汽油，同時副產干氣。該系統的產品質量和用能水平直接關系到相關裝置的經濟效益。目前，在保證吸收穩定系統產品精度的前提下降低能耗的技術廣受關注。

吸收穩定系統多采用“四塔”工藝流程，主要由吸收塔、再吸收塔、解吸塔與穩定塔組成。按照解吸塔進料流程可將吸收穩定系統分為3種流程：①冷進料工藝流程[1]，該流程吸收效果好，補充吸收劑用量少，但冷進料解吸塔內C2-含量較高，解吸塔塔底再沸器負荷偏大；②熱進料工藝流程[2-3]，該流程利用穩定汽油余熱，將凝縮油罐液相溫位提高后進入解吸塔中上部，可有效降低解吸塔再沸器負荷，但會增大解吸氣量，吸收效果也較差，吸收塔冷卻負荷較大；③雙股冷熱進料流程[4-5]，將凝縮油罐底部液相分成兩股，一股冷進料進入解吸塔頂部，另一股冷進料與穩定汽油換熱后進入塔中上部，該流程綜合了冷進料和熱進料工藝的優點，既可減少解吸氣量和補充吸收劑量，又可降低解吸塔塔底再沸器負荷，但由于兩股進料的組成相同，使解吸塔兩進料板之間形成返混，降低了解吸塔的傳質效率。此外，在解吸塔設置中間再沸器[1]、進料二級冷凝器[5-6]也是吸收穩定系統節能降耗研究的熱點問題，其中解吸塔設置中間再沸器可在不過度增加塔頂解吸氣量的同時，降低解吸塔再沸器負荷；對壓縮富氣進行二級冷凝的流程可有效降低系統的冷卻負荷，在一定程度上避免解吸塔返混。

盡管研究者對吸收穩定系統提出了眾多的改造方案，但在降低吸收穩定系統能耗、強化傳質等方面還存在一定的潛力。基于此，本課題提出一種設置解吸塔進料預熱器、二級冷凝器與中間再沸器的復合節能型吸收穩定工藝流程，通過流程模擬、工藝流程分析與評價，為吸收穩定系統的強化傳質、節能降耗提供技術支持。

1 節能型工藝流程

吸收穩定系統的解吸過程一般采用二級冷凝器與中間再沸器相結合的工藝流程，本文稱為基準流程[5S]，如圖1(a)所示。對基準流程進行分析可知：凝縮油罐的目的是為了分離出壓縮富氣、解吸氣、富吸收油混合物的輕組分(C2-)，提高吸收塔氣相進料中輕組分的含量，最終提高“干氣”中C2-的含量；解吸塔的目的也是為了解吸出凝縮油中輕組分，提高吸收塔氣相進料中C2-的含量，最終提高“干氣”品質。因此，凝縮油罐頂氣相與解吸氣的組成與露點相近，在分離過程中可將一級凝縮油罐頂氣相與解吸氣混合冷凝后再進行二次分離，以強化系統的吸收與解吸過程。此外，考慮到一級凝縮油罐底液相溫度較低，而穩定汽油余熱較為充足，因此可將穩定汽油產品用于預熱一級凝縮油罐底液相，以降低解吸塔再沸器與穩定汽油冷卻器負荷，減小系統的總能耗。基于此，提出一種強化傳質與節能型二級冷凝器與中間再沸器復合的吸收穩定工藝流程，簡稱為節能流程，如圖1(b)所示[7]，圖中紅色線條表示新增設的裝置與管線。

圖1 吸收穩定系統的基準流程與節能流程示意D1—吸收塔； D2—再吸收塔； D3—解吸塔； D4—穩定塔； A—一級凝縮油罐； B—二級凝縮油罐； CX1—吸收塔一級中間冷凝器；CX2—吸收塔二級中間冷凝器； CX3—一級凝縮油罐前冷卻器； CX4—二級凝縮油罐前冷卻器； CX5—穩定塔塔頂冷凝器；CX6—穩定汽油產品冷卻器； HX1—解吸塔塔底再沸器； HX2—解吸塔中間再沸器； HX3—穩定塔進料預熱器；HX4—穩定塔塔底再沸器； HX5—解吸塔進料預熱器

與基準流程相比，節能流程僅增加了一級凝縮油罐底液與穩定汽油換熱器(HX5)，同時將解吸塔塔頂氣相物流與一級凝縮油罐頂氣相物流混合冷凝。節能流程具體可描述如下：壓縮富氣與吸收塔塔底液混合后經冷凝器(CX3)冷卻至一定溫度后進入一級凝縮油罐，該罐的頂部氣相與解吸塔塔頂氣相混合后經冷凝器(CX4)冷凝后進入二級凝縮油罐中，罐底液相與穩定汽油換熱后進入解吸塔中上部；二級凝縮油罐頂氣相直接進入吸收塔底部，液相進入解吸塔的第一塊塔板；粗汽油與補充吸收劑從吸收塔的塔頂進入塔內，吸收塔塔頂氣相直接進入再吸收塔底部，塔底液相作為富吸收油與壓縮富氣混合冷卻后進入一級凝縮油罐；輕柴油作為再吸收劑從再吸收塔塔頂進入塔內，與吸收塔塔頂氣相在再吸收塔內再次接觸吸收脫出C3+組分，再吸收塔塔頂獲得“干氣”，塔底的富吸收油返回主分餾塔；解吸塔塔頂氣相與一級凝縮油罐頂氣相混合冷凝后進入二級凝縮油罐，解吸塔塔底液相經穩定汽油預熱后進入穩定塔中部；穩定塔塔頂獲得液化氣產品，塔底獲得穩定汽油產品，經冷卻后輸出裝置。

2 流程模擬

2.1 基礎數據

表1 壓縮富氣的組成

2.2 參數規定及熱力學方法

在對基準流程進行模擬時，各分餾塔的塔板效率采用文獻[8]中的方法計算。工藝過程的流程模擬中，模擬參數規定及變量選擇對模擬結果的準確性至關重要，本吸收穩定系統的模擬中，各塔的塔板效率、模擬參數規定及變量選擇見表3，熱力學計算方法采用SRK方法[9]。

表2 粗汽油、壓縮富氣、輕柴油進料的性質

表3 吸收穩定系統中各塔的塔板效率及參數規定

注：NT，NC，η分別表示實際塔板數、理論塔板數、塔板效率。

2.3 模擬結果

采用Aspen Plus V 8.4建立基準流程與節能流程的模擬模型。兩種流程中物料流量和操作參數的模擬計算結果比較分別見表4和表5。由表4和表5可知，兩種流程的模擬結果均顯示各項指標滿足要求，表明所采用的模擬方法能較準確地反映分離過程。

節能流程中一級凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相的組成見表6。由表6可知：在節能流程中，一級凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相均主要由C1～C2，C3～C4，C5～C6以及H2，CO，CO2等組成，且各組分的摩爾分數相近，表明解吸氣與一級冷凝氣的組成、露點相近，若將解吸氣與一級冷凝氣相混合，則可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，顯著降低一級冷凝器負荷。

表4 物料流量模擬結果對比

表5 操作參數模擬結果對比

圖2為基準流程與節能流程的解吸塔內氣、液負荷對比。由圖2可知，節能流程的解吸塔內氣相和液相負荷均小于基準流程。在節能流程中，由于解吸氣與一級凝縮油罐頂部氣相混合后冷凝，使進入一級凝縮罐的進料流量降低，因此也降低了解吸塔的處理量，最終降低解吸塔內的氣、液相負荷；又由于二級冷凝工藝可有效降低解吸塔進料中的C2-組分量，所以在圖3中表現為液相負荷大于氣相負荷。此外，由于兩種流程均采用冷、熱雙股進料，解吸塔的熱進料均從第2塊塔板進料，因此第2塊理論板存在液相負荷的突變。

表6 一級凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相的組成 摩爾分數，%

圖2 解吸塔內氣、液相負荷對比●—節能流程的液相流量; ▲—基準流程的液相流量; ■—基準流程的氣相流量; ◆—節能流程的氣相流量

圖3 解吸塔內損、溫度分布示意 —基準流程; —節能流程

3 流程評價

吸收穩定系統的熱公用工程主要包括解吸塔塔底再沸器所消耗的蒸汽、穩定塔塔底再沸器所消耗的蒸汽；冷公用工程主要包括一級、二級凝縮油罐前冷凝器所消耗的循環冷卻水、吸收塔一級中間冷凝器和二級中間冷凝器所消耗的循環冷卻水、穩定塔塔頂冷凝器所消耗的循環冷卻水以及穩定汽油產品冷卻器所消耗的循環冷卻水。為了使基準流程與節能流程的對比更加合理，設定兩者的進料與產品完全相同，并設定兩者吸收塔塔頂的補充吸收劑流量相同，僅僅通過調節解吸塔進料預熱器負荷、解吸塔中間再沸器負荷以及吸收塔一級中間冷凝器和二級中間冷凝器負荷來保證兩種流程的進、出物料相同。在相同進料量和產品質量的條件下，基準流程與節能流程的主要冷、熱負荷比較如表7所示。

節能流程充分利用穩定汽油的余熱，可有效降低解吸塔塔底再沸器與穩定汽油冷卻器負荷；另外，考慮到解吸氣與一級冷凝氣的組成、露點相近，將解吸氣與一級冷凝氣相混合，可避免解吸氣與吸收塔塔底油及壓縮富氣的混合，降低一級冷凝器負荷。由表7可知，與基準流程相比，節能流程中解吸塔塔底再沸器負荷降低57.11%，凝縮油罐冷凝器的總冷凝負荷降低39.06%，穩定汽油冷卻器負荷下降46.01%，吸收塔一級中間冷凝器和二級中間冷凝器的總冷卻負荷上升41.72 %，系統的冷、熱公用工程負荷分別降低13.05%和18.63%。根據能耗折算標準計算得到的基準流程和節能流程能耗分別為757.42 MJt和590.63 MJt，與基準流程相比，節能流程的能耗降低22.02%。

表7 基準流程與節能流程的主要能耗對比

4 結 論

(1) 在滿足產品質量要求的前提下，通過流程改進，可充分利用穩定汽油產品余熱，減小穩定汽油產品的冷卻負荷，提高解吸塔的進料溫度，降低解吸塔塔底再沸器負荷，進而提高系統的能量利用效率。

(2) 基于分離設備的功能，考慮到一級凝縮油罐頂部氣相與解吸塔塔頂氣相具有近似相同的組成與露點，將兩者混合后再冷凝，可有效降低二級凝縮油罐前冷凝器負荷，提高吸收塔的吸收效率，最終降低系統能耗。

(3) 相對于基準流程，節能流程的能耗可降低22.02%，解吸塔內的氣相和液相負荷均有所降低，可實現傳質與節能的協同優化與強化。

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ANALYSISOFENERGYSAVINGABSORPTION-STABILIZATIONSYSTEMBASEDONINTENSIFIEDMASSTRANSFER

Wei Zhiqiang

(SINOPECEngineeringIncorporation，Beijing100101)

This paper introduced a simulated process consisting of mass transfer intensified and energy-saving absorption-stabilization system，which involves a feed preheater for desorption tower，two-stage condenser，and intermediate reboiler.The comparison of the simulated process with a basic process which only consists of a two stage-condenser and intermediate reboiler was conducted.It is found that the temperature of the first-stage condensed liquid phase entering the desorption tower is increased by feed preheater，and the duty of the first-stage condenser is decreased due to the direct mixing of desorbed gas with the gas from the first stage condenser instead of mixing of the desorbed gas with the bottom oil of the absorption tower and the compressed rich gas.Moreover，the mass transfer efficiency of desorption tower is improved and the overall utility consumption is reduced.Compared with the reference process，the energy consumption of the new process is reduced by 22.02%.Gas and liquid loads in the desorption tower are both reduced.The new process has advantages of mass transfer intensification，energy saving and low-loads of gas-liquid phase in the desorption tower.

absorption-stabilization system； mass transfer intensification； energy saving

2017-01-04；修改稿收到日期： 2017-03-13。

魏志強，工學博士，高級工程師，主要從事石化節能工作，公開發表論文15篇，申請專利8項。

魏志強，E-mail：weizhiqiang.sei@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司科技開發項目(316050，CLY16082)。