柴油加氫改質分餾塔的模擬與優化分析

倪家俊，馬文禮

（中國石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依834003）

150×104t/a柴油加氫改質裝置由中國石化工程建設公司北京設計院設計，中油七建承建，裝置于2012年4月一次性開車成功。此裝置主要以催化、焦化、蒸餾柴油和部分抽出油為原料，通過中壓加氫改質—中間餾分油加氫補充精制組合工藝生產優質國Ⅴ柴油及輕、重石腦油。

該裝置投產后，由于原料性質變化及產品質量控制原因，產品分餾塔部分操作參數與設計值相比發生了較大變化，導致原始設計參數已不能實現目前分餾塔的最優化操作。文中利用Aspen Plus軟件建立目前工況下產品分餾塔的流程模擬模型，重點考察了塔底吹汽、進料溫度和中段回流量對產品分餾塔操作及產品性質的具體影響，并根據產品指標要求對上述參數進行了優化分析，力求為以后的操作調整提供一定的理論支持。

1 改質分餾塔C-3202模擬模型的建立

1.1 C-3202的基礎數據

由于150×104t/a改質裝置加工的原料經常進行調整，考慮到模擬計算的結果能適用于目前現有的操作，文中以2016年采集的C-3202的各項參數以及產品質量分析作為模擬的基礎數據，主要數據見表1、2。

表1 分餾塔C-3202各項參數

表2 分餾塔C-3202產品餾程數據（ASTMD86/℃）

1.2 建立操作流程圖

應用Aspen Plus餾程模擬軟件，可以繪制出150×104t/a改質分餾塔流程圖，見圖1。

1.3 熱力學方法的選用

通過參閱大量文獻以及試驗性計算，發現對于操作壓力為近似常壓的分餾塔C-3202，采用GRAYSON物性方法計算的結果與現場數據符合較好。油品閃點計算方法選用如下公式［1］：

式中TVV—閉口閃點，K；TN，10—恩式蒸餾10%（體積）點溫度，K。

圖1 150×104 t/a改質分餾塔模擬流程

1.4 塔板效率的選擇

采用Aspen Plus流程模擬軟件進行分餾塔的模擬時要將實際的塔板數折算為理論塔板數，因此需要選擇合理的塔板效率。文中參考相關文獻及試驗計算，最終確定塔C-3202實際塔板效率見表3。側線汽提塔C-3203、C-3204由于汽液負荷小，塔板效率低，因此側線塔只計入2塊理論板。

表3 C-3202實際塔板折算結果

1.5 模型驗證

根據進料數據以及分餾塔參數建立改質分餾塔C-3202模型，將模擬結果與實測值進行對比，結果分別見表4、5。由表4、5可以看出塔參數及產品餾程模擬值與實際值基本一致，模擬精度較高、可以進行進一步的綜合分析。

表4 塔模擬結果與實際值對比

表5 產品質量數據對比（ASTMD86/℃）

2 模擬與優化分析

2.1 塔底吹汽對塔操作及產品質量的影響

保持分餾塔進料溫度、塔壓、中段及塔底產品量等參數不變，塔底通入不同流量、溫度、壓力的蒸汽，模擬不同工況下分餾塔相關參數及產品性質的變化。

（1）吹汽量及吹汽溫度對柴油及改質煤油閃點的影響

塔底吹汽對柴油及改質煤油閃點的影響分別圖2、3。可以看出，吹汽溫度對產品柴油及改質煤油的閃點影響不大，當吹汽量為2 000 kg/h、吹汽溫度從185℃增至285℃時，產品柴油及改質煤油的閃點變化均小于0.5℃，因此為避免吹汽帶水，塔底吹氣溫度只需過熱即可。吹汽量對產品柴油閃點影響較大，對改質煤油的閃點影響不大，當吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，產品柴油的閃點平均增加1.05℃，改質煤油的閃點只減小了約0.13℃。目前柴油閃點平均在100℃以上，遠高于指標57℃，因此分餾塔底吹汽量存在進一步降低的可能。

圖2 塔底吹汽對產品柴油閃點的影響

圖3 塔底吹汽對改質煤油閃點的影響

（2）吹汽量及吹汽溫度對塔底溫度的影響

吹氣量及吹汽溫度對分餾塔底溫的影響見圖4。可以看出，提高塔底吹汽過熱溫度可以提高分餾塔底溫度，當吹汽量為2 000 kg/h時，吹汽溫度每增加50℃，塔底溫度便上升0.76℃。吹汽量對塔底溫度的影響顯著，吹汽量越大，塔底溫度越低，越不利于柴油出裝置流程能量的利用及換熱。吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，塔底溫度平均下降4.23℃，因此在高溫天氣柴油外送溫度過高，出裝置流程換熱調節無效果時，可以考慮適當增加吹氣量來降低塔底柴油溫度，但這同時會增加塔頂負荷，需綜合考慮。

圖4 吹汽量及吹汽溫度對分餾塔底溫的影響

（3）吹汽量對塔頂冷卻器負荷的影響

吹汽量對分餾塔頂冷卻器負荷的影響見圖5。可以看出塔底吹氣量對塔頂冷卻器負荷影響顯著，整體呈現線性關系。當吹汽溫度為260℃時，吹汽量每增加500 kg/h，塔頂冷卻器負荷平均增加約647.9 kW，因此塔底吹汽量不宜過大。

圖5 吹汽量對塔頂冷卻器負荷的影響

（4）吹汽量對柴油初餾點的影響

對于產品組成已知的分餾塔體系，其塔頂、側線以及塔底物料的流量已經確定。僅改變塔底通入的蒸汽流量，可得出塔底柴油初餾點變化曲線，見圖6。由圖6可知，隨著塔底蒸汽流量的增加，塔底產品初餾點整體呈上升趨勢，特別是在蒸汽量較小時，塔底產品初餾點上升非常明顯。進一步增加蒸汽量，塔底產品初餾點上升速度變緩，最終趨于定值，由于對特定分餾塔體系，塔底產品的量及組成已知，加大蒸汽量只能達到預定的分離效果，不可能無限制地將輕組分拔出。

分餾塔塔底吹汽流量應選擇在使塔底產品初餾點快速變化的區域內，既滿足分餾塔分離精度的要求，又可減少塔底吹掃蒸汽量，有助于降低能耗和投資［2～4］。結合圖6可以看出，當改質產品分餾塔底吹汽處于500～1 500 kg/h范圍時，柴油初餾點變化速度較快。目前塔底吹汽量為2 000 kg/h，稍高于這一區間，此外目前工況下航煤充當柴油調和組分，塔底柴油初餾點未明確指定指標范圍，因此塔底吹汽量還可進一步降低。

圖6 吹汽量對柴油初餾點的影響

2.2 中段回流對塔操作及產品質量的影響

保持分餾塔進料溫度、塔壓、吹汽量及塔底產品量等參數不變，通過改變中段回流量，模擬分析不同工況下分餾塔相關參數及產品性質的變化。

（1）中段回流對塔頂冷卻器負荷的影響

中段回流對塔頂冷卻器負荷的影響見圖7。可以看出，隨著中段回流量的增加，分餾塔頂冷卻器負荷顯著減小，整體呈現線性遞減關系，中段回流量每增加10 000 kg/h，塔頂冷卻器負荷平均減小約538.3 kW。目前改質分餾塔頂空冷器有效功率為105.6 kW［5］，以此數據來計算，平均中段回流每增加1 961 kg/h，就相當于塔頂可停用一臺空冷，可見節能潛力巨大。但是，中段回流也不能無限增加，一方面會造成中段回流泵超負荷運行，影響設備運行安全，另一方面也會導致循環回流上部塔段內回流減少，影響產品質量及分餾塔正常操作。

（2）中段回流對柴油及改質煤油閃點的影響

中段回流對柴油及改質煤油閃點的影響規律見圖8。從圖8中可以看出，中段回流量對柴油及改質煤油閃點的影響不大，當中段回流量逐漸由50 000 kg/h增加至150 000 kg/h時，柴油及改質煤油閃點幾乎沒有發生改變。

圖7 中段回流對塔頂冷卻器負荷的影響

圖8 中段回流對柴油及改質煤油閃點的影響

（3）中段回流對柴油及改質煤油餾程的影響

不同中段回流量下柴油及改質煤油餾程5%、95%點的變化特點見表6。

表6 中段回流對柴油及改質煤油餾程的影響

從表6可見，中段回流量增加對產品柴油餾程的5%、95%點、改質煤油餾程的95%點幾乎沒有影響，對改質煤油餾程的5%點影響也極為有限。

因此，結合圖7、圖8的分析，可以得出中段回流只對均衡分餾塔內汽液負荷及熱量分布有重要影響，適度增加中段回流量可以在不影響產品質量的同時有效降低塔頂冷卻器負荷［5，6］。

2.3 進料溫度對塔操作及產品餾程數據的影響

保持分餾塔塔壓、中段回流、塔底吹氣及塔底產品量等參數不變，通過改變分餾塔進料溫度，考察不同工況下分餾塔相關參數的變化特點。

（1）進料溫度對塔頂冷卻器負荷的影響

產品分餾塔進料溫度對塔頂冷卻器負荷的影響規律見圖9。可以看出，隨著進料溫度增加，塔頂負荷也呈線性增加，平均進料溫度每增加5℃，塔頂冷卻器負荷增加約705 kW左右，可見進料溫度對塔頂冷卻器負荷影響十分顯著。

目前分餾塔進料溫度為280℃，結合表7可以看出，此溫度下進料汽化分率達到0.915左右，與設計進塔物流汽化分率0.808相比，目前的的氣化率偏高，造成塔頂負荷相應也較高。因此，在滿足產品質量的基礎上還可適度降低進料溫度，以便進一步降低進料加熱爐燃料氣耗量和塔頂空冷器冷卻負荷。

表7 進料溫度對汽化分率及加熱爐負荷的影響

（2）進料溫度對產品餾程數據的影響

不同進料溫度下產品餾程數據特點見表8，9。

表8 不同進料溫度對產品餾程數據的影響

表9 不同進料溫度對產品餾程數據的影響

從表8，9可以看出，隨著進料溫度的增加，輕石腦油5%點及95%點均呈現了一定程度的下降。重石腦油及改質煤油餾程的5%點與95%點隨進料溫度的增加呈現相反的趨勢，平均進料溫度每增加10℃，重石5%點平均增加0.8℃，95%點平均下降2.3℃，改質煤油5%點平均增加0.6℃，95%點平均下降2℃。柴油5%點受進料溫度影響較大，進料溫度每增加5℃，柴油5%點平均增加約2℃，柴油95%點受進料溫度影響不大。

從模擬計算的數據來看，之所以進料溫度會導致產品餾程數據出現上述變化，主要是由于進料溫度增加，原則上會造成塔頂溫度上升，但是為了維持頂溫不變，回流量變大，塔分離精度變高導致。進料溫度對產品初、終餾點的影響見圖10。

結合圖10的數據來看，隨著進料溫度的增加，一方面會使得重石與改質煤油的餾程脫空程度增加，另一方面也會使得改質煤油與柴油的餾程重疊程度降低。目前改煤充當柴油調和組分，對煤柴油分離精度要求不高，因此可適度降低進料溫度，減少瓦斯耗量。

圖10 進料溫度對產品初、終餾點的影響

3 結束語

（1）使用Aspen Plus軟件模擬了150×104柴油加氫改質產品分餾過程，模擬結果與實際數據較為一致，模型基本反映了實際的分餾過程。

（2）分餾塔底氣提蒸汽的溫度對產品柴油閃點影響不大，氣提蒸汽的流量應選擇在使塔底產品初餾點快速變化的區域內。

（3）中段回流只對均衡分餾塔內的汽液負荷及熱量分布有著重要影響。適度增加中段回流量可以在不影響產品質量的同時有效降低塔頂冷卻器負荷［7］。

（4）當塔頂溫度不變時，分餾塔進料溫度增加，會導致重石與改質煤油的餾程脫空程度增加，改質煤油與柴油的餾程重疊程度降低。

（5）目前改質分餾塔進料溫度及塔底氣提蒸汽量較高，后期優化空間較大，適度降低后可有效降低裝置能耗。