丙烯精餾塔節能及擴能優化方案研究

戴薇薇，謝恪謙，張 星，王英龍，呂豐財，劉曉燕

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

丙烯精餾塔是煉油廠氣體分餾裝置的核心設備。主要作用是通過精餾得到高純度的聚合級丙烯，以供應下游丙烯深加工裝置使用[1]。由于所分離的丙烯與丙烷沸點差小，相對揮發度小，且產品純度要求高，故該塔的塔板較多，回流比大，投資大，能耗高[2]。其塔釜再沸器的熱負荷很大[3]，在整個裝置能耗中占比很高。因此，降低丙烯精餾塔，尤其是丙烯精餾塔塔釜再沸器的負荷，成為裝置節能的關鍵[4]。

隨著催化裂化裝置工藝技術的進步、原料多樣化和多產液化氣等新工藝的不斷推廣應用，液化氣產量不斷增加，特別是作為氣體分餾裝置經濟效益核心的丙烯產量更是呈現出大幅上升的趨勢[5]，導致氣體分餾裝置丙烯精餾塔加工規模大幅度增加。另外隨著公用工程價格的變化，以及設備制造水平不斷提高所造成的設備成本下降，對于老廠改造和新建大規模丙烯精餾塔來說，若仍采用原來的設計參數，就不太適合[2]。因此，本研究利用Pro Ⅱ 9.4軟件對丙烯精餾塔進行模擬計算，利用Origin 8.6軟件對模擬數據擬合，考察進料位置和塔板數與能耗之間的關系，并探究塔板數對全塔氣液兩相負荷的水力學影響。通過與目前公用工程價格和設備投資概算的結合，以期對老廠擴能改造以及新建丙烯精餾塔提供優化設計的理論依據與方法步驟。

1 基本參數

1.1 丙烯精餾塔常規流程

丙烯精餾塔的常規流程如圖1所示，目前丙烯精餾塔一般采用雙塔流程，兩塔串聯，并分別在1號丙烯精餾塔塔底設塔底重沸器，2號丙烯精餾塔塔頂設冷凝器進行塔頂回流。

圖1 丙烯精餾塔的常規雙塔流程

1.2 流程模擬參數設置

利用Pro Ⅱ 9.4.2軟件對丙烯精餾塔進行流程模擬，氣液相計算均選用Soave-Redlich-Kwong方法[6]。進料物流參數為：流量10 t/h，溫度70 ℃，壓力2.8 MPa；丙烯精餾塔參數為：塔頂壓力2.0 MPa，全塔壓降0.1 MPa，塔頂冷凝器壓力1.95 MPa，冷凝溫度40 ℃；產品精度要求為：塔頂產品中φ(C3H6)不小于99.6%，塔底產物中φ(C3H6)不大于0.5%。

為考察進料組成不同時塔板數量對能耗的影響趨勢是否一致，分別設定了高丙烯含量[φ(C2)=0.04%，φ(C3H8)=27.56%，φ(C3H6)=72%]進料和低丙烯含量[φ(C2)=0.04 %，φ(C3H8)=72%，φ(C3H6)=27.56%]進料2種工況進行模擬。

盡管實際生產中為了滿足生產或擴能改造的要求，塔板開孔采用了不同的閥型，但對丙烯-丙烷分離來說，塔板效率均可達100%或略高于100%[5]。因此，流程模擬時塔板效率以100%計，塔板間距以450 mm計，在塔板數為180，190，200，210，220，230，240時，選取最佳進料位置進料[7]，考察不同塔板數時對應的塔頂冷凝器負荷、塔底重沸器負荷與回流比。

1.3 公用工程價格與設備投資

丙烯精餾塔塔頂冷凝器目前普遍采用空氣冷卻器，塔底重沸器能耗以1.0 MPa蒸汽用量作為考核指標，1.0 MPa低壓蒸汽價格按130 元/t計算。

丙烯精餾塔筒體材質為Q345R(板材100%UT檢測，Ⅱ級合格)，殼體進行100% RT檢測，Ⅱ級合格，并進行焊后整體熱處理(價格為12 100元/t)。內件材質為Q235B(價格為11 500元/t)，保溫材質為硅酸鋁制品(價格為1 200 元/m3)。

2 結果與討論

2.1 進料位置的優化

選取高丙烯含量組成的進料，對200層塔板的丙烯精餾塔進行Pro Ⅱ模擬。分別選取第135，136，137層作為進料塔板，考察該塔板上方的氣相組成及相應的塔頂冷凝器、塔底重沸器熱負荷，結果如表1所示。以組分差值衡量塔板上方氣相組成與進料物流組成的差別，組分差值指塔板上方氣相組成與進料物流組成中C3H8含量之差絕對值與C3H6含量之差絕對值的和。由表1可以看出，當進料塔板為第136層時，該層塔板上方的氣相組成與進料物流的組成最接近時，塔頂冷凝器負荷和塔底重沸器負荷均達到最低值。

由此可見，在新設計丙烯精餾塔時，進料位置的選取對于控制全塔熱負荷有著非常重要的作用。在對老裝置進行改造時，根據進料組成現狀對進料位置進行優化，能夠起到顯著的節能降耗作用，是最簡潔有效的優化改造手段。

表1 不同塔板進料時的Pro Ⅱ模擬結果

2.2 不同塔板數對能耗及回流比的影響

對不同塔板數進行考察時，均通過2.1節中的方法選取最優進料位置，確保模擬出的塔底重沸器負荷均為最低值。分別模擬塔板數為180，190，200，210，220，230，240的丙烯精餾塔，進料組成選取高丙烯含量工況。模擬所得回流比和塔頂塔底負荷如表2所示。由表2可以看出，隨著塔板數的增加，精餾塔的分離效果逐漸提升，丙烯精餾塔的回流比、塔頂冷凝器負荷和塔底重沸器負荷都逐漸降低且降低的幅度隨著塔板數的增加而逐漸減小。

表2 不同塔板數的丙烯精餾塔模擬結果(高丙烯含量工況)

注：塔底重沸器的蒸汽用量由HTRI 7.0軟件計算。

選取塔底重沸器負荷為考察對象，利用Origin 8.6對其進行數據擬合，擬合結果如圖2所示。以x表示塔板數，y表示重沸器負荷，擬合出的曲線方程見式(1)，擬合度為0.999 78。

圖2 塔底重沸器負荷與塔板數的關系

y=8 134.1+161 594.4×0.978 78x

(1)

由式(1)可知，隨著x值的增加，y值不斷減小，且斜率的絕對值逐漸減小，且存在極限為yx=∞=8 134.1 kW。表明隨著塔板數的增加，塔底重沸器負荷不斷減小，但減小的幅度逐漸降低，且存在最小值。因此，對于一定的進料組成而言，分離效果的提升和塔底重沸器負荷的降低均存在極限。

當以低丙烯含量工況進料時，Pro Ⅱ模擬結果見表3。由表3可以看出，仍然是精餾塔負荷隨著塔板數的增加而減小，且減小幅度逐漸降低。因此，無論進料組成中關鍵組分是何比例，隨著塔板數增加，精餾塔負荷的變化趨勢相同。

表3 不同塔板數的丙烯精餾塔模擬結果(低丙烯含量工況)

注：塔底重沸器的蒸汽用量由HTRI 7.0軟件計算。

2.3 塔板數對精餾塔處理量的影響

在確定最佳進料位置的條件下，通過Pro Ⅱ軟件模擬低丙烯含量進料工況的精餾塔水力學，考察進料量不變時塔板數由200增加到240對塔徑的影響，以及塔徑不變時塔板數由200增加到240對精餾塔處理量(進料量)的影響，結果見表4。

表4 塔板數、處理量與塔徑的關系(低丙烯含量工況)

注：塔徑為通過Pro Ⅱ水力學計算后，增加20%面積余量并圓整后數據。

由表4可以看出：若塔板數為200，則進料量為10 000 t/h時所需的塔徑為3 400 mm；若塔板數由200增加為240，則同樣進料量下塔徑減小為3 200 mm；當進料量增加為11 500 t/h時，240層丙烯精餾塔的所需塔徑為3 400 mm。因此，當塔徑均為3 400 mm時，240層丙烯精餾塔的處理量比200層丙烯精餾塔的處理量增長15 %。

塔板數增加意味著全塔分離效率的提升，因此在處理量不變的情況下，全塔氣液相負荷降低，直觀的表現為塔徑減小。同理，若保持塔徑不變，增加塔板數，可在滿足分離精度的條件下處理更大量的進料。在擴能改造時，如筒體和基礎滿足荷載需求，可通過增加塔板數達到擴能增產的目的。

2.4 能耗與投資估算

選取200層塔板與240層塔板的高丙烯含量進料模擬數據進行能耗與投資的比較。由于塔頂冷凝器現在一般采用空氣冷卻器，因此能耗方面僅考察塔底重沸器蒸汽用量的變化。如表2所示，200層塔板時蒸汽用量為18.09 t/h，240層塔板時蒸汽用量為15.89 t/h。因此，以年運行時間8 400 h計，塔板增加40層，可節約低壓蒸汽18.48 kt/a，生產成本每年可降低240.5萬元。

根據塔頂物料流量和塔底重沸器負荷粗略估算可知，空氣冷卻器與重沸器的規格變化不大，因此設備投資估算時，忽略冷換設備、容器等設備，僅考慮丙烯精餾塔筒體和塔板的造價。丙烯精餾塔塔板間距為450 mm，塔板層數增加意味著塔高增加。200層與240層丙烯精餾塔的投資對比見表5，其內部收益率及投資回收期對比見表6。

表5 200層與240層丙烯精餾塔投資對比 萬元

表6 200層與240層丙烯精餾塔內部收益率及投資回收期對比

注：投資回收期僅針對設備總投資，不包括運行成本。

由上述內容可知，對于200層和240層丙烯精餾塔而言，二者的凈現值與投資回收期均表現良好，且后者增加的設備投資遠小于其節約的生產成本。但是塔體越高，地震和風的載荷就越大，壁厚的增加會使設備一次性投資增長。因此，塔板層數的選擇應參考具體情況。

3 結 論

(1)丙烯精餾塔的節能優化，可為全廠的節能降耗帶來顯著效果。進料位置的選取對于控制全塔負荷有著非常重要的作用，當進料塔板氣相組成與進料組成最接近時，塔頂冷凝器負荷和塔底重沸器負荷均達到最低值。在對老裝置進行改造時，根據進料組分現狀對進料位置進行優化，能夠起到顯著的節能降耗作用，是最簡潔有效的優化改造手段。

(3)丙烯精餾塔的熱負荷隨著塔板數的增加而降低，且降低的幅度逐漸減小并最終到達極值。因此，應根據具體的公用工程價格、設備投資以及當地的氣候條件和人工成本選擇最恰當的塔板層數。以確保設備的一次性投資、建設運行成本與公用工程費用達到最優化。

(4)塔板數增加意味著全塔分離效率的提升，因此塔徑一定時，增加塔板數，可在滿足分離精度的條件下處理更大的進料量。改造時，在設備和基礎設施滿足載荷需求的前提下，可通過增加塔板數達到擴能增產或節能降耗的目的。