催化裂化分餾與換熱過程模擬及綜合優化

郭偉新，彭敏儀，管尤亮，陸航宇，張冰劍，陳清林

(中山大學 化學工程與技術學院 廣東省石化過程節能工程技術研究中心，廣東 廣州 510275)

催化裂化(FCC)是煉油工業中重要的二次加工工藝，是重油輕質化的重要手段[1-2]。石化工業過程是典型的能源密集型過程，其中用于物流分離部分的能耗占全過程總能耗的40%～70%；而精餾過程的能耗約占分離部分能耗的95%[3-5]。FCC裝置的主要熱量來自燒焦過程，其產生的熱量除提供裝置反應、分離過程所需能量外，大量的中低溫余熱被帶入后續系統或對外輸出[6-7]。

利用圖形法進行過程熱力學分析及用能優化已有廣泛的研究及應用，如：用夾點分析熱力學過程的冷-熱組合曲線、總組合曲線(GCC)及分餾塔的總組合曲線(CGCC)等[13-17]。其中，冷-熱組合曲線即為多股冷、熱物流的組合溫度-焓變(T-Q)曲線，用來表征物流的熱特性。夾點為冷-熱組合T-Q線上傳熱溫差最小的地方。夾點分析將冷-熱組合曲線表示在一張T-Q圖上，通過平移冷-熱組合曲線至設定的最小傳熱溫差，即可找到夾點，從而將換熱網絡分為夾點之上和夾點之下兩部分進行設計及優化。

1 FCC主分餾塔的模擬與分析

1.1 分餾工藝的特點

與一般分餾塔相比，FCC主分餾塔具有進料油氣餾程寬、溫位廣，全塔余熱量大等特點[24]。分餾系統主要根據產品餾程要求，將高溫反應油氣在分餾塔內分離成富氣、汽油、柴油、油漿等餾分。為了使得主分餾塔中的氣-液相負荷均勻分布，在保證分餾塔側線產品流率及質量要求前提下，分餾塔通常設置多個中段熱回流系統，并通過合理的換熱網絡匹配實現不同溫位余熱的高效利用。

1.2 分餾過程模擬分析

1.2.1 熱力學方法的選擇

主分餾塔內輕烴和水蒸氣含量較高，適用于此類體系的熱力學方法主要有GS法和SRK法。Aspen Plus推薦采用GS熱力學方法，因為GS法適用于分餾系統模擬[25-26]。因此，筆者選用GS法進行模擬計算，并結合適當修正以改進模擬結果，如：采用API法計算液體密度；采用Lee-Kesler (LK) 法計算分餾過程焓變；采用Redlich-Kwong (RK) 模型計算分餾過程熵變。

1.2.2 模擬模型的建立

針對FCC分餾過程，采用Aspen Plus/Column/PetroFrac模塊，建立模擬模型。由于分餾過程進料反應油氣組成較復雜，難以準確得到組成數據，因此，模擬過程依據質量守恒原理，通過分餾產品富氣、粗汽油、柴油及油漿等輸出物流的累計來反推反應油氣的組成[27]。裝置物料平衡見表1；分餾系統模擬流程如圖1所示。由圖1可知，主分餾塔上部精餾段實際塔板數為34塊，底部脫過熱段另設8層人字形擋板，采用雙閃蒸近似模擬主分餾塔的脫過熱段，使油氣呈“飽和狀態”進入精餾段分餾。分餾時，約500 ℃的高溫反應油氣自FCC反應-再生系統進入分餾系統。為平衡全塔熱量，共設有塔頂循環回流、一中循環回流、二中循環回流和塔底油漿循環等4個循環回流取熱。

圖1 FCC主分餾塔模擬流程簡圖Fig.1 Simulation flowsheet of FCC main fractionatorLPG—Liquefied petroleum gas

表1 FCC裝置物料平衡Table 1 Material balance of the FCC unit

2 結果與討論

2.1 FCC分餾流程模擬結果

FCC分餾塔主要液相產品餾程模擬值與標定值的對比見表2。由表2可知，與標定值相比，除汽油餾分的初餾點和10%點誤差較大外，各產品模擬所得恩氏蒸餾數據結果與實際數據吻合良好，誤差在合理范圍內，證明模擬所用的塔模型、熱力學方法等較合理，模擬數據可靠。汽油餾分的初餾點和10%點誤差較大主要是因為粗汽油中含有易揮發的輕組分，其露點較低，在常壓、較低溫度下就能被蒸餾出來，從而使得粗汽油分餾流程前10%的恩氏蒸餾數據較汽油標定值偏差較大。

2.2 反應油氣熱量交換過程分析

表2 主分餾各產品的餾程模擬值與標定值對比Table 2 Simulation and reference values of distillation ratio for the products from fractionation column

圖2 現有反應油氣熱量回收過程ε-Q圖Fig.2 ε-Q diagram of reaction vapor heat recovery process before retrofitA—Slurry pumparound； B—Main fractionator middle pumparound-Ⅱ；C—Main fractionator middle pumparound-Ⅰ； D—Diesel；E—Main fractionator top pumparound；F—Main fractionator overhead vapors1—Topped crude oil； 2—Feedstock oil； 3—3.5 MPa steam；4—Desalted water； 5—Stabilizer reboiler；6—Recycling medium water； 7—Rich absorption oil

表3為FCC工藝中各種冷、熱物流的流量、換熱器的入口和出口溫度及單位時間的換熱量數據。

根據表3的冷、熱物流數據，利用Aspen Energy Analyzer軟件對整個FCC裝置進行換熱網絡夾點分析，設定最小換熱溫差為15 ℃，換熱網絡的T-Q圖如圖3所示。由圖3可知，該換熱網絡最小熱公用工程為 0 MW，最小冷公用工程為47.85 MW。該換熱網絡只需冷公用工程，不需熱公用工程，故是熱端閾值問題換熱網絡。在夾點分析中，熱端閾值問題換熱網絡可視為無夾點之上部分，只存在夾點之下部分[28-29]，因此FCC裝置換熱網絡的優化設計應去除換熱網絡中的熱公用工程，并從換熱網絡的高溫側開始設計，以保證較高溫度下的冷物流能從熱物流獲取熱量，有效實現以過程物流換熱取代冷卻過程。在實際催化裂化分餾換熱過程中，解吸塔底再沸器耗用了11 t/h的壓力為1.0 MPa的蒸汽，熱公用工程為7.63 MW，冷公用工程為47.85 MW，存在較大的熱公用工程消耗。因此，通過優化換熱網絡設計，可以節省熱公用工程7.63 MW。

2.3 主分餾塔中段取熱優化

表3 FCC裝置冷、熱物流參數Table 3 Hot and cold stream data for FCC unit

圖3 換熱網絡T-Q圖Fig.3 T-Q diagram of the heat exchanger network

主分餾塔取熱優化前、后各產品餾分的恩氏蒸餾曲線如圖5所示。由圖5可知，主分餾塔取熱優化前、后餾分的恩氏蒸餾曲線基本吻合，表明中段取熱優化調整后能夠保證產品產量和質量要求。

2.4 換熱網絡優化

(1)增加產品油漿-原料油換熱和一中循環油-原料油換熱，節省部分用于加熱原料油的循環油漿熱量，多產壓力為3.5 MPa蒸汽，有效實現循環油漿和一中循環熱量的高效利用；

圖4 優化前后分餾系統能量平衡Fig.4 Energy balance of the fractionation system before and after optimization(a) Energy balance before optimization;(b) Energy balance after optimization;(c) Energy proportion before and after optimizationPE—Energy distribution proportion

(2)增加輕柴油作解吸塔底再沸器熱源以及輕柴油與除鹽水換熱，減少熱公用工程消耗，提高輕柴油熱量的回收利用效率。

圖5 優化前后分餾產品餾程數據對比Fig.5 Comparison of distillation ratio of fractionation products before and after optimization(a) Gasoline; (b) Diesel; (c) Slurry oil

裝置優化前、后的換熱網絡分別如圖6和圖7所示。

圖6 現有換熱流程簡圖Fig.6 Heat exchanger network before retrofit(a) Slurry; (b) Mid-pumparound-Ⅱ; (c) Mid-pumparound-Ⅰ and other streamsHRSG— Heat recovery steam generator

3 結 論

針對設計規模為240×104t/a催化裂化(FCC)裝置，綜合考慮FCC裝置能量演變與利用特點，建立FCC分餾過程模擬模型，分析裝置用能瓶頸及節能潛力，通過分餾系統與換熱網絡綜合優化，顯著提高了裝置總體用能效率。

圖7 優化后換熱流程簡圖Fig.7 Heat exchanger network after retrofit(a) Slurry; (b) Mid-pumparound-Ⅱ; (c) Mid-pumparound-Ⅰ and other streamsHRSG—Heat recovery steam generator

圖8 優化后反應油氣熱量回收過程ε-Q圖Fig.8 ε-Q diagram of reaction vapor heat recovery process after retrofitA—Slurry pumparound； B—Main fractionator middle pumparound-Ⅱ； C—Main fractionator middle pumparound-Ⅰ；D—Diesel； E—Main fractionator top pumparound； F—Main fractionator overhead vapors1—Topped crude oil； 2—Feedstock oil； 3—3.5 MPa steam； 4—Desalted water； 5—Stabilizer reboiler；6—Recycling medium water； 7—Rich absorption oil； 8—Desorber reboiler