催化裂化吸收穩定系統模擬優化研究

陳建娟 ，楊祖杰 ，李斌 ，叢山 2，

(1.中國石化工程建設有限公司，北京100101；2.天津大學化工學院/精餾技術國家工程研究中心，天津300350；3.北洋國家精餾技術工程發展有限公司，天津300072)

催化裂化吸收穩定系統由四個功能塔器組成，包括吸收塔、解吸塔、穩定塔和再吸收塔及其它輔助設備組成，主要任務為精制來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定汽油[1]。圖1為吸收穩定系統的典型流程，壓縮富氣、富吸收汽油和解吸氣三者混合換熱后進行平衡閃蒸，平衡罐氣相產品進入吸收塔，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；吸收塔塔頂貧氣進入再吸收塔塔釜與來自主分餾塔的輕柴油進行逆流吸收分離，進而從塔頂產出干氣，而塔釜的富吸收油則送至主分餾塔進行循環分離；來自平衡罐的液相被分成兩股，一股與穩定汽油換熱后作進入解吸塔中上部，另一股直接由塔頂進入解吸塔，解吸塔的塔頂得到解吸氣，塔釜則得到脫乙烷汽油而被送至穩定塔中部進行進一步分離；穩定塔的作用為將脫乙烷汽油分離精制為液化石油氣和穩定汽油兩股產品，穩定汽油產品中的一部分需要送回至吸收塔作為補充吸收劑循環使用[2]。

在傳統工藝中，解吸塔的兩股進料組成相同但進料位置不同，擾亂了塔內汽液組成，在冷、熱進料位置的解吸塔內存在軸向返混，降低氣液相之間傳質推動力，使塔內分離效率降低。另外，一級平衡罐使冷凝汽油的溫度達到一個較低的水平，而冷凝汽油的一部分又需要穩定汽油加熱才能夠作為熱進料進入解吸塔，這種“先冷卻后加熱”的過程是對能量的一種極大浪費，降低了整個系統的熱力學效率。因此，秦婭等[3]提出了相應策略以改進工藝流程。

如圖1所示，與常規流程相比，新流程具有以下兩個特點：

圖1 原有與改進催化裂化穩定吸收系統

1）壓縮富氣、富吸收油和解吸氣混合后，經過二級平衡閃蒸過程，凝縮油分兩股進入解吸塔。一級平衡罐保持在60℃進行平衡閃蒸，液相凝縮油從平衡罐底抽出作為熱進料進入解吸塔的中上部，而一級閃蒸罐氣相進入溫度相對較低的二級平衡罐形成新的氣液平衡，二級凝縮油則作為冷進料進入了解吸塔項部，二級平衡罐產生的富氣進入吸收塔塔釜與粗汽油進行逆流接觸。這種逐級冷凝的設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荷。同時，流程的改變提高了壓縮富氣進入平衡罐的溫度，進一步降低了不必要的冷量能耗。二級冷凝的另外一個優點增加了混合物料的平衡次數，在一定程度上實現了富氣和凝結油之間更加清晰的分割，凝縮油中C2含量明顯減少，降低了解吸塔內的分離負荷，解吸效果增加。此外，不同于傳統的工藝，新工藝的冷熱兩股進料在組成上亦存在區別，有效地避免了解吸塔塔內的返混問題。

2）解吸塔中部增設中間再沸器，原有工藝中用于加熱凝結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荷。此外，中間再沸器的設置可以適當降低二級冷凝的溫度，從而減少富氣流量，吸收塔的分離負荷亦隨之降低。

本文在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進的催化裂化吸收穩定系統模擬流程模型，利用傳統催化裂化吸收穩定系統流程的工藝參數作為初值，通過規定主要產品標準，確立了現有工藝模擬流程的模擬方案，并得到初步操作參數。使用單因素變量法對現有流程工藝參數進行調整，研究流程內主要設備的操作條件，如補充吸收劑流量、穩定塔回流比、穩定塔理論板數、穩定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對于工藝流程綜合性能的影響。

1 原料氣與產品指標

研究所用原料為某煉廠催化裂化主分餾塔塔頂氣相產品[4]，具體組成如表1所示。在吸收穩定系統操作過程中，應當調整操作條件以保證最后產品的質量。吸收穩定系統的主要產品為穩定汽油，同時副產液化石油氣和干氣。其中，穩定汽油和柴油的產品占比約70%～80%，液化石油氣的產品占比約10%～20%，干氣占比約5%～8%。以上數據可作為模擬結果的參考值，以保證流程模擬的準確性。表2列出了本研究中的所有產品指標。

表1 吸收穩定系統進料情況

表2 吸收穩定系統產品指標

2 過程模擬模型及模擬方案

2.1 過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定吸收系統模擬流程，由于涉及到物料流股的循環過程，流程中亦將催化裂化主分餾塔考慮在內。吸收穩定系統的吸收塔、解吸塔、穩定塔、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開發的最成熟的一個模塊，其在進行吸收、萃取和精餾的時候能夠得到較為精確的結果。Aspen Plus提供了多種可供選擇的物性方法和模型。對于吸收穩定系統，富氣中存在H2S等極性分子，模擬計算時要選用包含這類組分的交互作用的熱力學模型，RKS方程較適合應用于吸收穩定系統的模擬。有文獻報道利用Aspen Plus軟件使用不同熱力學方法對吸收穩定系統進行了模擬，得出用RKS物性方法得到的模擬結果與工業標定數據能較好的吻合[5]。所以本文吸收穩定系統選用RKS物性方法。

圖2 催化裂化吸收穩定系統流程模擬模型

2.2 模擬方案與策略

吸收塔模型設置有四個中間冷凝以移出吸收過程中放出的熱量；解吸塔和穩定塔內的氣相需要塔釜再沸器產生，穩定塔頂設立了冷凝回流；解吸塔塔釜產品純度通過調節解吸塔塔釜采出率與進料流量之比進行設計規定；四種塔模型采用塔板Murphree效率以體現理論塔板與真實塔板數之間的差異。

模擬策略：催化裂化的整個分餾系統存在分餾塔中部采出而進入再吸收塔的柴油循環、再吸收塔底采出進入主分餾塔的富吸收油循環、補充吸收劑循環、解吸塔塔頂解吸氣等多重循環。因為物料流股多重循環的存在，流程模型進行模擬計算時難以收斂。以不影響模擬結果為前提，減小模擬收斂難度，對流程進行如下處理：

1）以采出的柴油作為再吸收塔的液相進料，使模擬更接近實際情況。打斷再吸收塔出來的富吸收柴油與主分餾塔之間的循環，因為在序貫模塊的計算過程中，富吸收柴油的循環會導致解的不穩定，引起產品產率偏離實際值，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料，初步模擬之后將富吸收柴油的組成賦予進料初值，而后調整二者的誤差在合理范圍之內。

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

3）解吸氣和富吸收汽油循環，其在一定程度上也使收斂的難度增加，但在計算方法選擇合理的情況下，在模擬中發生的收斂的問題可得到有效的解決。一般來講，在模擬的過程中，對于一個較復雜的流程系統，原則上是應該進行逐塔模擬，即給每個塔賦準確的物料組成性質的初值，這樣將加速收斂。也可以建立完整的流程后再進行模擬運行，通過調節計算方法和收斂方式也是可以收斂的，或者更改某些設計規定，也可以將其調至收斂，只是過程較為復雜。對一般較為復雜的系統，推薦用逐塔模擬的方法。催化裂化分餾系統存在多個物流循環，并非簡單的順序分離流程，要完成如此復雜流程的模擬計算，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網，找出各單元群計算最優順序，使計算過程簡化，模擬得以進行。

3 初步操作參數模擬結果

在建立吸收穩定系統模擬時，是按照如下順序進行的：

1）先建立閃蒸、吸收塔和解吸塔模型，因為兩塔間有解吸氣循環，所以同時建立。以標定數據作為輸入參數，其中補充吸收劑用標定的穩定汽油代替，輸入好后運行。

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，輸入相關操作參數，運行。

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，運行至收斂。

4）最后以標定的液化石油氣和穩定汽油為設定條件建立穩定塔。將穩定塔底的部分穩定汽油經換熱后取代開始假定的吸收塔的補充吸收劑。運行至整個流程收斂，并對結果進行分析。

最終，在借鑒傳統催化裂化吸收穩定系統流程的工藝參數和滿足基本產品要求的前提下，得到了改進催化裂化吸收穩定系統初步工藝參數見表3。

表3 改進吸收穩定系統初步工藝條件

吸收穩定系統操作條件模擬結果如表4和表5所示。通過模擬結果可知，產品占比以及產品品質基本與工業條件一致，證明模擬可信。通過干點可知穩定汽油滿足要求。通過成分分析，液化石油氣品質較高。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，且粗汽油和穩定汽油量也還有一定的差異。

表4 吸收系統模擬主要流股結果

另外發現該流程存在如下問題：

1）吸收劑對于輕組分的吸收效果較差，因此考慮對塔板進行優化；

2）工藝流股循環較多，在模擬過程中極易出現局部警告，導致模擬結果不準確，無法對操作條件進行微調，因此在優化過程中只能對單個單元分別進行工藝優化；

3）流股循環導致部分雜質積累，引起解的震蕩，導致干氣的量驟然增加，流股信息不準確；

表5 脫吸穩定系統主要流股結果

4）整個工藝耗能較多，因此考慮對系統內部進行熱交換網絡的集成。

因此需要根據流程的特點對流程進行進一步調整優化，以此模擬作為初值，切斷或重新連接部分流股，以對模擬進行調整。

4 分析與優化

由于吸收穩定系統流程比較復雜，吸收塔、解吸塔、穩定塔相互交聯，形成三個物料循環，各個塔相互影響，因此系統中影響吸收效果、穩定塔產品質量、系統能耗的因素較多。本文中吸收效果用干氣中C3及C3以上組分體積分數V%表示，穩定塔產品質量為穩定塔頂液化石油氣中C5、C2組分的體積分數V%和穩定汽油中C4的質量分數wt%表示，系統能耗主要為冷卻負荷和再沸器熱負荷。

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，不會太低，一般在40℃左右。吸收壓力受氣壓機及其它設備的限制，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源的限制。因此提高解吸塔的吸收效果的可調的因素為吸收塔液氣比。解吸塔在操作過程中的控制指標主要為脫乙烷汽油中的C2含量，與吸收相反，高溫低壓對解吸有利。增加解吸塔的理論板數會減少干氣中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料溫度和解吸塔再沸器負荷。解吸塔的解吸效果好，可以保證穩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。穩定塔最關鍵的就是需要深度穩定。穩定汽油深度穩定不僅可以回收穩定汽油中的液化石油氣，還可以提高補充吸收劑質量，進而提高吸收效果。綜上，影響吸收穩定系統可優化的因素有：補充吸收劑流量、穩定塔回流比、穩定塔理論板數、穩定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素。在接下來的模擬中，取幾個對產品品質影響較大的因素進行舉例分析。

4.1 補充吸收劑流量

應用靈敏度分析，在規定吸收塔中間取熱量和穩定塔回流比均不變的情況下，得到了補充吸收劑流量的改變對吸收效果的影響，結果如圖3所示。可以看出，隨著補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。因為進入吸收塔中補充吸收劑量的增大，就是增加吸收塔中的液氣比，有利于吸收過程，所以干氣中C3及C3以上組分量減少。

圖3 補充吸收劑流量對干氣中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，解吸塔應當盡量將輕組分（C2及其以上）從體系中蒸出，因此解吸塔應當保證一定的汽化率，但是汽化率過高會導致產品產率下降，因此對解吸塔汽化率進行靈敏度分析。由圖4所示，當汽化率大于0.075時，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LPG產品品質的影響

4.3 穩定塔操作條件

穩定塔頂獲得液化石油氣，塔底獲得穩定汽油，因此穩定塔操作條件對最終產品條件有著決定性的意義。穩定塔可控操作條件在于汽化率和回流比，對二者進行靈敏度分析。由圖5可知，穩定塔汽化率在0.278以上，穩定汽油品質達到要求，因此將穩定塔汽化率定在0.278。回流比是精餾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品品質，但是氣液循環量的增大也會引起能耗的升高。因此在保證產品品質的基礎上應當盡量降低回流比。由圖5可知，當穩定塔回流比大于1.25，回流比對于油品品質影響不大，因此為降低能耗，將穩定塔的回流比定在1.25。

圖5 穩定塔汽化率與回流比對穩定汽油品質的影響

5 總結

通過在流程模擬軟件Aspen Plus中建立改進的催化裂化吸收穩定系統模擬流程模型，利用傳統催化裂化吸收穩定系統流程的工藝參數作為初值，確立了現有工藝流程的初步操作參數。使用單因素變量法對現有流程工藝參數進行調整優化，研究流程內補充吸收劑流量、穩定塔回流比、穩定塔理論板數、穩定塔頂液化石油氣抽出量、解吸塔進料溫度及再吸收塔貧吸收油溫度等因素對于工藝流程綜合性能的影響。研究表明改進的催化裂化吸收穩定系統具有可行性，工藝流程內可適當增加以提高吸收效果，解吸塔的最優氣化率為0.075，穩定塔的最優氣化率為0.278，回流比為1.25。