中段循環(huán)取熱對常壓蒸餾塔產(chǎn)品收率的影響及優(yōu)化原則分析

郝亞蘋，劉艷升，濮昕韻，姜 蔚

(中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200)

蒸餾工藝是煉油行業(yè)應(yīng)用數(shù)量最多、范圍最廣、投資比例最大的工藝流程，但它最主要的缺點(diǎn)就是耗能巨大。在煉油生產(chǎn)中，蒸餾單元的操作費(fèi)用可占據(jù)超過50%的工廠運(yùn)行成本，其能耗占據(jù)了世界能源總消耗的3%[1-2]。因此，如何提高蒸餾過程的分離效率并降低其能量消耗是至今為止仍在研究的熱點(diǎn)，而合理分配中段循環(huán)取熱便是實(shí)現(xiàn)常減壓蒸餾裝置節(jié)能降耗的有效措施之一。中段循環(huán)取熱不僅能調(diào)節(jié)塔內(nèi)氣液相負(fù)荷、提高回收熱量的溫位，還能調(diào)控產(chǎn)品方案。眾所周知，當(dāng)精餾塔的操作回流比(回流熱)增加時(shí)，在產(chǎn)品收率不變的情況下可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。而油品分餾塔操作的回流熱則由產(chǎn)品拔出率(產(chǎn)品方案)，即汽化段的汽化量或加熱爐出口溫度決定。換而言之，當(dāng)油品分餾塔塔頂和側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)，不能通過提高總回流熱來改善，只能增加塔板數(shù)。由于油品分餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量要求往往是一個(gè)餾程范圍，滿足此范圍就屬于合格生產(chǎn)，則各側(cè)線產(chǎn)品的收率可以通過塔頂和各中段循環(huán)取熱量進(jìn)行調(diào)控，所以中段循環(huán)取熱對于產(chǎn)品方案的調(diào)控是決定性的。因此，合理分配中段循環(huán)取熱量、優(yōu)化中段循環(huán)取熱比例對裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、生產(chǎn)方案調(diào)控及節(jié)能降耗都具有重大意義。

前人圍繞中段循環(huán)取熱問題做了一些研究。陳涌濤[3]利用模擬軟件，研究了中段循環(huán)取熱分布，并推薦了一種算法。該算法有一定理論基礎(chǔ)，但需要對各側(cè)線抽出塔板的溫度、氣液相負(fù)荷、各餾分實(shí)沸點(diǎn)差值進(jìn)行線性擬合，而且在優(yōu)化中引入遺傳算法，計(jì)算繁瑣。另外，該算法只適用于進(jìn)料量、產(chǎn)品量固定，且取熱量變化不大(不超過60%)的情況，又只把側(cè)線產(chǎn)品的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，未考慮其他指標(biāo)，略為簡單。賈超杰[4]以全塔總經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，將各側(cè)線產(chǎn)品的產(chǎn)量和中段循環(huán)取熱量折合成汽油的相對產(chǎn)量對常壓蒸餾塔(簡稱常壓塔)中段循環(huán)取熱分配進(jìn)行了優(yōu)化。該方法使問題得以簡化，但由于該目標(biāo)函數(shù)與各產(chǎn)品的價(jià)格緊密相關(guān)，而常壓塔各產(chǎn)品的價(jià)格是隨市場不斷變動的，這就意味著在不同的時(shí)期，中段循環(huán)取熱的最優(yōu)比例也是不同的。前人對中段循環(huán)取熱的研究有一定的可取性，但不是計(jì)算繁瑣就是考慮片面，且未明確指出中段循環(huán)取熱分配優(yōu)化的原則。以下對中段循環(huán)取熱理論進(jìn)行闡述并以實(shí)際生產(chǎn)為背景，研究中段循環(huán)取熱對常壓塔各側(cè)線收率的影響及原因，全面考慮并提出清晰的合理分配中段循環(huán)取熱的相關(guān)原則。

1 關(guān)于中段循環(huán)取熱的闡述

1.1 中段循環(huán)取熱相關(guān)基礎(chǔ)

油品分餾塔中，中段循環(huán)取熱有兩方面優(yōu)點(diǎn)[5]：①回收塔內(nèi)的高溫位熱量，有利于降低能耗和操作成本；②平衡塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷，降低蒸餾塔的直徑，避免“頂粗底細(xì)”不穩(wěn)定的塔機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備投資。

常壓塔一般設(shè)置2～3個(gè)中段循環(huán)回流和1個(gè)塔頂循環(huán)回流，一般來說，常壓塔的中段循環(huán)回流取熱量可占全塔總回流熱的40%～60%[6-8]。典型的原油常壓塔構(gòu)型見圖1。其中，圖中的數(shù)字代表塔板編號。為敘述簡便，圖中將塔頂循環(huán)回流簡稱為頂循環(huán)，兩個(gè)中段循環(huán)回流簡稱為常一中和常二中，下文討論時(shí)也將使用上述簡稱。

圖1 典型的原油常壓塔構(gòu)型

1.2 中段循環(huán)取熱相關(guān)理論

1.2.1 中段循環(huán)取熱圖解圖1中的常壓塔可以分解為圖2所示的3個(gè)精餾段串聯(lián)的方式。改變各精餾段取熱負(fù)荷，相當(dāng)于回流比增加，可以調(diào)控各精餾段側(cè)線產(chǎn)品的產(chǎn)量，且各精餾段氣液負(fù)荷交互，3個(gè)塔段的操作效果相互影響。

油品分餾塔的總?cè)嶝?fù)荷為所有回流取熱量的總和，即全塔總?cè)崃?QT)為塔頂冷回流取熱量(Q0)、塔頂循環(huán)取熱量(Q1)、常一中循環(huán)取熱量(Q2)及常二中循環(huán)取熱量(Q3)之和。當(dāng)原油性質(zhì)確定以后，分餾塔拔出率或產(chǎn)品方案確定后，其總?cè)嶝?fù)荷是確定的。在總拔出率確定后，產(chǎn)品收率發(fā)生變化，總?cè)嶝?fù)荷會有所變化，但變化不大。

圖2 原油常壓塔的分解示意

嚴(yán)格意義上講，塔段3的頂循環(huán)與冷回流取熱是一體的，是由塔頂產(chǎn)品量和離開塔頂精餾段的產(chǎn)品量以及回流量決定的，其中內(nèi)回流量大小與塔段2和塔段1的中段取熱負(fù)荷大小相關(guān)。塔頂冷回流與頂循環(huán)的取熱分配比例不同，對常一線油和塔頂產(chǎn)品的分離效果略有影響。當(dāng)塔段3全部熱負(fù)荷由塔頂冷凝器提供時(shí)，則可獲得塔頂和常一線油最佳的分離效果，但需要消耗電能和冷卻水資源而增加額外的操作投資。反之若全部由頂循環(huán)取熱，可獲得低溫?zé)崂玫男Ч档湍芰肯模蛛x效果差(其原因是中段循環(huán)屬于全混塔段)。所以，國內(nèi)絕大多數(shù)常減壓蒸餾裝置都是采用兩者混用的狀態(tài)。

1.2.2 中段循環(huán)段的返混油品分餾塔中段循環(huán)塔板數(shù)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)一般為3層實(shí)際塔板，其示意見圖3。中段循環(huán)是把最下層塔板的液相(流量為L3)部分抽出(流量為RL)，經(jīng)冷凝取熱后，回注到第一層塔板，是一個(gè)全混過程。返混對塔板效率的影響取決于從下層塔板進(jìn)入中段循環(huán)的氣相的流量V4及其餾程、中段循環(huán)流量RL、取熱負(fù)荷QP以及從上層塔板進(jìn)入中段循環(huán)的液相的流量L0及其餾程，影響極為復(fù)雜。

中段循環(huán)取熱采用氣、液直接傳熱的方式，雖增加了塔內(nèi)返混，降低了分離效果，但收獲了大量的高溫位熱源，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和平衡塔內(nèi)氣、液負(fù)荷的效果。采用間接取熱的方式雖可以降低塔內(nèi)返混，但增加了塔內(nèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、管線泄漏的可能性且傳熱效果差、生產(chǎn)的調(diào)控不靈活。

圖3 中段循環(huán)示意

2 中段循環(huán)取熱對側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量的影響

2.1 原油常壓塔的流程模擬

2.1.1 原油性質(zhì)及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)常壓塔加工的原料油為4種原油的混合原油，各種原油的配比見表1，主要產(chǎn)品及控制指標(biāo)見表2。其中，方案一為生產(chǎn)噴氣燃料方案，方案二為生產(chǎn)200號溶劑油方案。

表1 原料油的構(gòu)成 Mta

表1 原料油的構(gòu)成 Mta

項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)華北油0.8俄羅斯油1.5勝利油0.5阿曼油0.8合計(jì)3.6

表2 常壓塔的主要產(chǎn)品及控制指標(biāo)

2.1.2 物料平衡及取熱分配根據(jù)原油性質(zhì)及產(chǎn)品控制指標(biāo)，得到方案一下常壓塔的物料平衡數(shù)據(jù)及取熱分配比例，結(jié)果見表3和表4。

表3 常壓塔物料平衡數(shù)據(jù)

表4 中段循環(huán)取熱分配比例

由表3和表4可以看出，常減壓蒸餾裝置的常壓部分拔出率為38.55%，冷回流、頂循環(huán)、常一中、常二中的取熱比例分別為19.42%，17.89%，26.87%，35.82%，與生產(chǎn)實(shí)際較為吻合，這為研究中段循環(huán)取熱對側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量的影響奠定了基礎(chǔ)。

2.2 中段循環(huán)取熱分配對各側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量的影響

中段循環(huán)取熱對各側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量影響的因素主要有以下幾點(diǎn)：①取熱點(diǎn)下部溫度下降導(dǎo)致上行的氣相冷凝；②取熱點(diǎn)上部溫度上升導(dǎo)致下行的液相蒸發(fā)；③油品各個(gè)沸程區(qū)間的含量(油品性質(zhì))。研究了中段循環(huán)取熱分配對常壓塔各側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖4～圖9。

圖4 中段循環(huán)取熱分配對塔頂氣相產(chǎn)量的影響常二中取熱比例，%：■—0； ●—5； ▲—10； ◆—30； —35； —40； ★—45； ●—50。圖5～圖9同

圖5 中段循環(huán)取熱分配對汽油產(chǎn)量的影響

塔頂氣相產(chǎn)量是指初餾塔干氣和常壓塔干氣產(chǎn)量之和。由于初餾塔規(guī)定了汽油產(chǎn)品干點(diǎn)且初餾塔和常壓塔塔頂冷凝器的操作溫度都規(guī)定為40 ℃，初餾塔的干氣產(chǎn)量是恒定的，兩者之和反映了常壓部分的結(jié)果。由圖4可以看出，隨著常一中和常二中取熱負(fù)荷的增加，塔頂氣相產(chǎn)量增加。這是由于常一中和常二中的大量取熱造成塔頂溫度升高，更多的輕組分以氣體的形式從塔頂蒸出。

與塔頂氣相同，常頂汽油產(chǎn)量也是初餾塔塔頂汽油與常壓塔塔頂汽油產(chǎn)量之和。由圖5可知，常一中和常二中對常頂油產(chǎn)量的影響均是隨著取熱比例的增加而減少。這主要是因?yàn)槌核斞h(huán)和兩個(gè)中段循環(huán)位于常頂油線的下部，當(dāng)中段循環(huán)取熱量增大時(shí)，下部油氣冷凝無法上升，而且由于取熱，塔頂?shù)臏囟纫矔鄳?yīng)上升，更多的輕組分變?yōu)闅怏w從塔頂蒸出，對應(yīng)的液相產(chǎn)品減少。

圖6 中段循環(huán)取熱分配對常一線油產(chǎn)量的影響

由圖6可知，在相同的常二中取熱比例下，常一線油產(chǎn)量隨常一中取熱比例的增加呈現(xiàn)先減少后逐漸增加、隨之再減少的趨勢。這是因?yàn)槌Ｒ痪€油產(chǎn)量的控制因素有兩個(gè)：①當(dāng)常一中取熱量較小時(shí)，增加取熱量會降低常一線油產(chǎn)量；②當(dāng)取熱量達(dá)到一定值后，常一中下部的塔板溫度會趨向穩(wěn)定，增加取熱會增加常一線油產(chǎn)量。而當(dāng)常一中取熱比例不變時(shí)，常一線油產(chǎn)量隨著常二中取熱比例的增加而減少。這是因?yàn)楫?dāng)常二中取熱比例不變時(shí)，常一中取熱會使得常一中下部塔板溫度下降，油氣冷凝無法上行，而常一中上部的塔板溫度上升，更多輕組分上行至常一線塔板處。常一中和常二中取熱對常一線油產(chǎn)量影響的不同，主要是因?yàn)檫@兩個(gè)中段循環(huán)與常一線的相對位置不同。

圖7 中段循環(huán)取熱分配對常二線油產(chǎn)量的影響

由圖7可知，固定常二中取熱比例時(shí)，常二線油產(chǎn)量隨常一中取熱而略有增加，常一中取熱比例不變時(shí)，隨常二中取熱量的增加，常二線油收率降低，但當(dāng)常一中取熱量較大時(shí)，增加常二中取熱比例會使常二線油產(chǎn)量略微增加。對于這些現(xiàn)象，分析如下：常二線在常一中和常二中取熱點(diǎn)之間，情況比較復(fù)雜，當(dāng)常二中取熱比例一定時(shí)，常一中取熱比例增加，常二線上油氣冷凝，常二線油產(chǎn)量增加。當(dāng)常一中取熱比例一定時(shí)，增加常二中取熱比例，會使常二中下部油氣冷凝，降低常二線油產(chǎn)量，但當(dāng)常一中取熱量較大時(shí)，常一中以下有大量油氣被冷凝下來，常二線附近塔板的負(fù)荷量上升，而常二中取熱可以增加常二線下部分塔板的溫度，讓更多的較輕組分揮發(fā)上去并在常二線處遇到冷凝下來的液體，成為產(chǎn)品被抽出，而這部分對常二線油產(chǎn)品量的影響要略大于常二中以下油氣冷凝的影響。在常二中取熱比例40%和45%時(shí)，常二線油的產(chǎn)量差距很大，有近1 000 kgh，這是因?yàn)樵诖巳崃繉?yīng)的塔板溫度下，沸點(diǎn)略高于此溫度的油品組分的較大，此時(shí)略微增加取熱比例會使大量油氣冷凝，所以會導(dǎo)致兩種狀況的產(chǎn)量差距很大。

圖8 中段循環(huán)取熱分配對常三線油產(chǎn)量的影響

由圖8可以看出，常三線油產(chǎn)量基本不受常一中取熱比例的影響，隨常二中取熱比例的增加，常三線油產(chǎn)量增加，原因就是常三線距離常一中取熱點(diǎn)太遠(yuǎn)，影響很小，常二中取熱導(dǎo)致常二中以下油氣冷凝無法上行，增加了常三線油的產(chǎn)量。

圖9 中段循環(huán)取熱分配對常四線油產(chǎn)量的影響

由圖9可以看出，常四線油產(chǎn)量基本不隨常一中取熱比例的變化而變化，隨常二中取熱比例的增加而降低，其原因同常三線油。

3 中段循環(huán)取熱比例的優(yōu)化原則

通過前文的闡述，可以發(fā)現(xiàn)，中段循環(huán)取熱比例優(yōu)化涉及的因素眾多(生產(chǎn)方案、市場需求、產(chǎn)品質(zhì)量要求、塔的正常操作等)，如何在各個(gè)因素之間進(jìn)行權(quán)衡，是裝置能否平穩(wěn)運(yùn)行及取得最大效益的關(guān)鍵。所以針對中段循環(huán)取熱分配的優(yōu)化，提出以下原則：

(1)必須首先滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。生產(chǎn)的第一目標(biāo)是生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品，第二目標(biāo)是提高產(chǎn)品收率，第三目標(biāo)才是降低能耗。因此，中段循環(huán)取熱比例的優(yōu)化應(yīng)該在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，對各循環(huán)取熱比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)必須滿足生產(chǎn)方案的要求。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，會對側(cè)線產(chǎn)品的收率有一定要求，由于各產(chǎn)品的價(jià)格受市場影響較大，為取得更高的效益，往往會對生產(chǎn)方案進(jìn)行一定的調(diào)整，增大某種產(chǎn)品的收率，這時(shí)可以根據(jù)中段循環(huán)取熱比例對各側(cè)線產(chǎn)品收率的影響，選擇合理的分配比例。

(3)塔下部(常一中和常二中)多取熱，塔上部(頂循環(huán)和冷回流)少取熱。前文已經(jīng)指出，當(dāng)原油性質(zhì)和拔出率確定后，全塔的取熱量基本保持不變。塔下部多取熱就意味著塔上部少取熱，向換熱系統(tǒng)供出的高能級熱量就相對較多。

(4)針對塔上部(頂循環(huán)和冷回流)來說，頂循環(huán)宜多取熱，因?yàn)橐话闱闆r下，頂循環(huán)取熱量和塔頂冷卻系統(tǒng)的取熱量之和為常數(shù)，塔上部的多余熱量可以在頂循環(huán)和塔頂冷卻之間分配。頂循環(huán)多取熱，意味著冷回流量小，節(jié)約冷卻費(fèi)用。

(5)塔下部(常一中和常二中)常二中宜多取熱。因?yàn)橐话闱闆r下常一中和常二中的取熱量之和為常數(shù)，也表明塔下部的多余熱量可以在常一中和常二中之間傳遞，常二中取熱量越大，向換熱系統(tǒng)供出的高能級熱量就越多。

(6)在泵流量允許和塔板水力學(xué)性能正常的情況下，回流宜采用“大流量，小溫差”的形式。中段循環(huán)的流量和溫差會影響塔的效率、換熱器的操作水平以及動力輸送難度。中段循環(huán)的溫差越小，平均取熱溫位就越高，換熱的溫差就大，所需的換熱面積就越小。但是大流量輸送會降低塔板效率，易造成塔內(nèi)液泛和降液管液泛，需要注意調(diào)控。

4 結(jié) 論

(1)隨著常一中取熱負(fù)荷的增加，常壓部分氣體產(chǎn)量略有增加，汽油產(chǎn)量降低；常一線產(chǎn)量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，常二線產(chǎn)量總體呈現(xiàn)出上升的趨勢；常三線和常四線產(chǎn)量基本無變化。隨著常二中取熱比例的增加，初、常頂氣相產(chǎn)量略有增加，汽油產(chǎn)量降低；常一線產(chǎn)量降低，常二線產(chǎn)量降低，常三線產(chǎn)量增加，常四線產(chǎn)量降低。

(2)中段循環(huán)取熱對常壓塔各側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量的影響主要?dú)w結(jié)于3個(gè)因素：即取熱點(diǎn)下部溫度的下降導(dǎo)致上行的氣相冷凝；取熱點(diǎn)上部溫度上升導(dǎo)致下行的液相蒸發(fā)；油品各個(gè)沸程區(qū)間的含量(油品性質(zhì))。在不同階段，控制因素可能不同，且可以相互切換。

(3)中段循環(huán)取熱分配優(yōu)化必須以滿足產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品方案、塔板的水力學(xué)性能等因素為前提。在全塔層面上，宜塔下部多取熱，上部少取熱。在局部層面上，宜頂循環(huán)和常二中多取熱。在循環(huán)流量和溫差問題上，宜采用“大流量，小溫差”的形式。