淺冷油回收C4解吸塔控制系統動態模擬研究

鄒 弋，林 凡，張家鏢

（1. 中國石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 福建聯合石油化工有限公司，福建 泉州 362800；3. 中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

煉廠干氣含氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、 丙烯等大量輕質烴類的氣體，以前多是火炬直接放空或當燃料燒掉，造成了資源的嚴重浪費。中國石化北京化工研究院[1-6］開發的淺冷油吸收法回收煉廠干氣工藝是回收干氣中乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等高附加值氣體的有效方法。淺冷油吸收技術是以C4為吸收劑在15 ℃的操作溫度區間回收干氣中的C2及以上餾分，以汽油為再吸收劑吸收和回收尾氣中甲烷氫所夾帶的吸收劑，使用富C4的吸收劑輸送至解吸塔，將C2組分從富C4吸收劑中解吸得到C2提濃氣（C2s），再以解吸后的貧C4（C4+）為吸收劑循環使用[7-11］。工藝所得C2s可作為乙烯裝置的原料，進一步加工制得高附加值的聚合級乙烯和丙烯產品。干氣回收裝置平穩運行的同時，還需維持全廠燃料氣的供求平衡，所以干氣回收裝置的生產負荷常年均有波動，現階段的干氣回收技術往往集中于研究回收率、產品純度和雜質組成等方面，對于關鍵單元在擾動存在情況下的抗波動性研究較少。

本工作基于Aspen Hysys流程模擬軟件中Dynamic動態模擬模塊，建立了帶有二級冷凝器的C4解吸塔的動態模型，對于在系統外部一直處于波動狀態時，C4解吸塔是否可在一定波動范圍內穩定運行進行了研究，并探討了控制操作波動范圍的有效方法。

1 實驗部分

1.1 工藝流程

模擬數據來源于中國石化北京化工研究院自主研發的淺冷油吸收法應用于煉廠飽和干氣回收技術項目，目標是回收煉廠不飽和干氣中的C2，C3組分。模擬對象是該工藝流程中的C4解吸塔，C4解吸塔的主要作用是將回收的C2，C3組分從富C4吸收劑中解吸，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow drawing.

由圖1可知，FEED為含有的C2，C3組分的富C4吸收劑，經流量控制器FIC-101控制進入C4解吸塔（C-101）。為了節省冷媒水的消耗量，C-101塔頂采用2級冷卻器。塔頂氣相首先經過冷凝器（E-101），冷卻介質為33 ℃循環水，不設溫控，將塔頂氣相冷卻至40 ℃以下，凝液進入C-101塔回流罐（V-101）；剩余氣相進入過冷器（E-102），冷卻介質為7 ℃的冷媒水，經溫度控制器TIC-102調節冷媒水用量，將氣相過冷至15 ℃后，凝液進入C-101塔塔頂凝液罐（V-102），不凝氣為C2s排出界區。其中，V-102與V-101之前存在6 000 mm位差，位差提供的靜壓頭使V-102罐底液相可以順暢流入V-101中，另設置3 000 mm的靜液封是防止V-101和V-102中的氣相互竄。V-102中液相進入V-101混合后，通過回流泵（P-102）輸送至C-101塔頂，V-101內液位通過液位控制器LIC-102和FIC-102串級控制維持在50%。C-101塔壓通過壓力控制器PIC-101調節V-102罐頂管線閥實現，維持壓力為2.61 MPa（表壓，下同）。塔釜設有再沸器（E-103），通過溫度控制器TIC-101調節蒸汽流量維持E-103返回溫度為126.2 ℃，塔釜液位依靠液位控制器LIC-101調節，維持液位為50%。

1.2 穩態模擬數據

穩態模擬的物料平衡數據見表1。經C-101分離后塔頂得到C2s，塔頂產品期望C4及以上組分不高于6.07 %（x）。塔釜產品期望丙烷含量不高于0.47%（x）。

表1 物料平衡數據Table 1 Material balance data

1.3 動態模型

動態模型涉及的邊界物料為原料、C2s和C4+吸收劑3股。在動態模擬過程中，常把設備分為流導設備和非流導設備。本工作涉及的非流導設備為罐，一般認為不產生壓降；流導設備主要包括塔、換熱器和閥門。閥門通過規定閥門系數（Cv或Cg）得到流量與壓降平方根的關系。塔一般規定氣相流過每塊塔板時都會產生相應的壓降，而壓降與氣相組成有關系。換熱器不僅需要流量與壓降的關系，還需要總傳熱系數與換熱面積的乘積，本工作換熱器實際換熱系數經HTRI軟件核算。控制系統的PID參數整定對于整個動態模型的真實性、可操作性和抗波動性至關重要，本工作涉及的控制儀表只采用比例控制和積分控制，屬于反饋式控制方式。

2 結果與討論

2.1 上游波動的影響

上游波動主要來源為：1）原料來源處短時間內發生較大變化，界區無法及時作出反應；2）界區閥組由于長時間沖蝕造成損壞，導致閥門動作時偏差較大。上游波動發生時，可造成進料量的周期性波動。為設置上游擾動，本工作在動態模擬過程中為進料物流設置一個閥位擾動，波動范圍是正常閥位的85%～115%，導致進料物流的流量波動范圍為正常進料的78.18%（x）～151.62%（x）。圖2為進料量波動工況下各組分隨時間的變化。由圖2可知，塔頂產品C2s流量（x）波動范圍為104.6%～120.9%；塔頂產品中C4含量（x）波動范圍為97.1%～106.4%；塔釜產品C4+流量（x）波動范圍為107.6%～123.3%；塔釜產品丙烷含量（x）波動范圍為98.3%～104.7%。綜上所述，塔頂和塔釜產品組成基本可以維持在預期值5%以內，由此可見，C4解吸塔的塔釜容積、再沸器和溫度控制可以降低上游原料波動的影響，在較小的波動范圍內穩定操作，對連續生產影響較小。

2.2 背壓波動的影響

造成背壓波動的原因為：1）由于受到更下游裝置壓控閥門損壞導致的周期性操作波動，即平穩型波動；2）因下游裝置含有兩相流的管道，因管道設計考慮不足或生產負荷降低導致管道內部形成活塞流，進而因下游不暢導致的壓力驟升驟降，即驟變型波動。本工作在動態模擬過程中為系統背壓設置一個擾動，波動范圍為正常背壓（2.15 MPa）的83.7%～116.3%，最小值為1.80 MPa，最大值為2.50 MPa。兩種背壓波動形式不同的是，平穩型波動在20 min的周期內平穩上升后再下降，近似于因操作波動導致的背壓波動；驟變型波動在20 min的周期內急升至最高壓力后，穩定約8 min后急劇下降至最低壓力，再穩定約8 min后急劇上升，近似于因下游管道產生活塞流時的背壓波動情況。在背壓變化明顯的情況下，兩種波動形式的塔壓均未出現明顯波動，說明通過壓力控制器PIC-101控制C-101塔壓的設置，可較平穩地維持塔壓穩定，但塔頂和塔釜產品組成卻產生了較大的變化。圖3為背壓波動工況下各組分隨時間的變化。

圖2 進料量波動工況下各組分隨時間的變化Fig.2 The composition changes with time in feed fluctuation.

圖3 背壓波動工況下各組分隨時間的變化Fig.3 The composition changes with time in back pressure fluctuation.

由圖3可知，在平穩型波動情況下，塔頂產品C2s中C4組分含量最小值為5.40%（x），最大值為7.56%（x）；在驟變型波動情況下，塔頂產品C4組分含量最小值為5.46%（x），最大值為8.25%（x）。在平穩型波動情況下，塔釜產品丙烷含量最小值為0.45%（x），最大值為0.50%（x）；在驟變型波動情況下，塔釜產品丙烷含量最小值為0.45%（x），最大值為0.51%（x）。可見，兩種背壓波動情況對塔釜操作參數影響明顯大于上游原料波動情況，但驟變型背壓波動對塔釜產品的影響更大。雖然現有控制方案仍能在背壓波動情況下使系統的波動維持在一定范圍，但是此時的產品質量已經受到了影響。

2.3 數據與分析

2.3.1 擾動分析

精餾塔系統穩定性的影響因素眾多，主要包括塔頂冷卻回流系統和塔釜加熱系統。圖4a為2種背壓波動情況下再沸器E-103入口流量、熱負荷和塔釜溫度隨時間變化情況。由圖4a可知，3組操作參數在兩種背壓波動情況下的波動范圍較為平穩。圖4b為回流量和塔釜的操作波動情況。由圖4b可知，兩種背壓波動情況較為相似，但驟變型背壓波動范圍更大，塔頂回流量波動范圍為期望值（48 103 kg/h）的30.0%～157.4%，波動明顯過大。圖4c為塔頂氣相溫度、E-101出口溫度和E-102出口溫度隨時間變化情況。由圖4c可知，兩種背壓波動情況下，3個溫度點的溫度變化趨勢基本相當，但驟變型背壓波動更為明顯。由此可見，塔頂回流量的波動是導致塔釜液位波動的原因，因此解決塔頂回流波動問題是解決C-101操作穩定性的關鍵。在無法消除背壓波動影響的情況下，只能通過控制回流波動來降低C-101精餾系統的波動，但無法從根本上消除波動。

圖4 背壓波動工況下各組分隨時間變化Fig.4 The composition changes with time in back pressure fluctuation.

2.3.2 改進方案

背壓變化直接影響塔頂產品C2s的流量。由于塔壓控制器PIC-101為反饋控制器，存在一定滯后性，且背壓持續波動為壓力控制增加難度。設計時，所選閥門的Cv會一定程度上降低塔頂C2s的流量。為了保證回流穩定，將流量控制器FIC-102投用并與回流罐液位控制器LIC-102形成串級控制。模擬了改善后的控制方案在驟變型塔壓波動存在時的控制效果，并與未改善前的主要參數進行比較，結果見圖5。

圖5 改進的背壓波動工況下各組分隨時間變化Fig.5 The composition changes with time in back pressure fluctuation condition.

由圖5可知，改善后的控制方案較之前有了 明顯的改善，塔頂回流量波動范圍比改善前縮小49.0%，塔釜最低液位波動范圍比改善前縮小57.0 %，塔釜C2，C3輕組分波動范圍縮小53.8%。改善后的塔頂出口溫度波動范圍縮小74.7%；塔頂冷凝器E-101出口的溫度波動范圍縮小54.2%；塔頂過冷器E-102出口的溫度波動范圍比改善前縮小41.7%。在驟變型波動情況下，改善后的塔頂產品C2s流量波動范圍縮小19.4 %。塔頂產品C4組分含量波動范圍縮小53.7%。改善后塔釜產品波動范圍縮小50.2%。塔釜產品丙烷含量波動范圍縮小50.9%。

3 結論

1）分析了上游原料波動、下游平穩型背壓波動和下游驟變型背壓波動3種上下游擾動形式對精餾塔的操作波動的影響。在下游驟變型背壓波動存在下，塔的操作波動最為明顯，塔頂和塔釜產品質量波動范圍過大。淺冷油吸收工藝的C4解吸塔在3種擾動下均可以在一定波動范圍維持運行，具有一定的抗擾動能力。

2）動態模擬可以有效反應擾動存在下塔操作參數隨時間變化的規律，包括塔頂回流量、塔釜液位、塔釜液相組成、再沸器操作參數、回流罐液位、塔頂溫度分布、塔頂和塔釜產品流量和組分。

3）基于動態模擬結果，提出塔頂壓力控制閥PV-101依靠波動最低背壓選型和在塔頂回流罐液位控制投用流量串級控制2條有效的改進措施。在驟變型背壓波動情況下，改進后的塔頂產品流量的波動范圍縮小19.4%，塔頂產品組分含量波動范圍縮小53.7%；塔釜產品波動范圍較改善前縮小50.2%，塔釜產品組分波動范圍縮小50.9%。

4）上下游擾動對精餾塔的操作穩定性、產品質量和設備壽命都有不良影響。實際生產中應該首先盡量消除裝置上下游的擾動，合理布置兩相流管道，避免出現活塞流影響系統平穩運行。