基于Aspen Plus的加氫C5精餾模擬優化

丁建亞,耿九云,李寒羿,嚴 炳,鄒聞迪

(鎮海石化工程股份有限公司,浙江 寧波 315000)

加氫裂化裝置輕石腦油分餾塔可分離回收正戊烷、異戊烷等C5產品。此類產品用途廣泛,可作為發泡劑、溶劑、化工原料等,具有良好的經濟價值[1]。C5資源的高效利用,可以有效提高煉油單位的整體效益[2]。

某石化公司210萬t/a原料加氫處理裝置(以下簡稱蠟油加氫)輕石腦油分餾塔(0203-T-209)塔頂可生產純度98%(正戊烷含量20%、異戊烷含量78%)的C5產品。根據GB/T22053—2020《戊烷發泡劑》規范中描述,合格發泡劑的最低標準為正戊烷含量30%以上。為了生產滿足戊烷發泡劑質量要求的C5餾分油,本案例新增1臺C5精餾塔(0203-T-210),利用Aspen Plus軟件中的Rad Frca精餾塔嚴格計算模塊對其模擬,并通過靈敏度分析對其各項參數進行優化。

1 工業裝置

1.1 工藝流程

C5精餾塔工藝流程見圖1。

圖1 C5精餾塔工藝流程注:T-209—輕石腦油分餾塔;T-210—C5精餾塔

1.2 物料組成

C5精餾塔(0203-T-210)進料為輕石腦油分餾塔(0203-T-209)塔頂C5產品,其中微量的環戊烷、1-戊烯在模擬計算中可忽略不計,化簡后的組分組成見表1。

表1 C5精餾塔進料組分組成

1.3 物性方法的選擇

PENG-ROB模型計算體系的氣液平衡以及烴類體系的液體密度非常理想。對于石油煉制過程,PENG-ROB狀態方程是通常推薦的物性方法[3],本案例即選擇此物性方法。

1.4 工藝模型的建立

使用精餾塔嚴格計算模塊(Rad Frac)對C5精餾塔進行初步建模,可先按簡捷塔的模擬結果輸入總理論板數、進料塔板、回流比等數據。簡捷塔模擬過程不再贅述,相關參數見表2。

表2 C5精餾塔預設建模參數

按預設參數建模成功運行后的模擬結果見表3、表4。

表3 C5精餾塔運行模擬結果

表4 C5精餾塔產品組成

根據表3、表4數據可以得出,按預設值進行的模擬能夠初步得到C5精餾塔的操作參數及產品組成,盡管塔底產品的正戊烷含量仍未合格,但此C5精餾塔的模型已經能夠對進料進行有效地分離,為后續靈敏度分析創造了條件。

2 靈敏度分析與優化

2.1 回流比

在實際生產中,通過控制回流比,可控制精餾塔塔頂、塔底產物的分離精度[4]。為了使塔底產品的正戊烷含量合格,在靈敏度分析模塊中將塔底產物的正戊烷質量分率、塔底熱負荷設為因變量,設置回流比為自變量,對2～6范圍內的回流比以0.5的步長進行靈敏度分析,分析結果見圖2。

圖2 回流比-塔底正戊烷質量分率/塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,塔底正戊烷質量分率隨著回流比的增大而增大,當回流比大于5.2時,塔底正戊烷質量分率大于30%。但是隨著回流比的增大,塔底熱負荷也進一步增大,造成能耗的持續增加。因此,單獨調整回流比并不是最優解,需要進一步優化進料塔板層數和總理論板數。

2.2 進料塔板層數與總理論塔板數

在實際生產中,進料塔板層數及總理論板數主要影響著全塔的能耗。在回流比修改為5.2的前提下,在靈敏度分析模塊中將塔底熱負荷設為因變量,設置進料塔板層數、總理論塔板數為自變量,對10～49范圍內的進料塔板層數及20～60范圍內的總理倫板數分別以1為步長進行靈敏度分析,分析結果見圖3。

圖3 進料塔板層數/總理論板數-塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,當回流比一定時,塔底熱負荷隨著進料塔板層數的增加而降低。當進料塔板層數大于28層時,其對塔底熱負荷的影響逐漸減弱。塔底熱負荷隨著總理論板數的增加而降低,當總理論板數大于46層時,其對塔底熱負荷的影響逐漸減弱[5]。因為隨著總理論板數的不斷增加,塔的建造成本與施工費用也會不斷地增加,所以優化目標是得到一個相對較低的塔底熱負荷即可。當進料塔板層數為28層、總理論板數為46時,足以達到此要求。

2.3 重復優化過程

將進料塔板層數修改為28,總理論板數修改為46,重復回流比的靈敏度分析,分析結果見圖4。

圖4 回流比-塔底正戊烷質量分率/塔底熱負荷分析

由圖中可以看出,在改變進料塔板層數和總理論板數、回流比為4時,塔底正戊烷質量分率即可達到30%,塔底熱負荷可進一步降低。同樣根據新得到的回流比,可進一步優化進料塔板層數和總理論板數,在此不再贅述。

可以看出,精餾塔的靈敏度分析與優化過程就是一個不斷分析迭代的過程,在滿足產品質量的情況下,通過不斷改變回流比、進料塔板層數和總理論塔板數來得到能耗相對較小、建造成本相對較低的精餾塔參數。

3 優化結果

通過不斷地迭代優化,按照表5優化后的參數對C5精餾塔重新建模,運行后得到的模擬結果見表6、表7。

表5 C5精餾塔優化后建模參數

表6 C5精餾塔優化后運行模擬結果

表7 C5精餾塔優化后產品組成

根據表6、表7數據可以得出,優化后塔底產品正戊烷質量分數大于30%,達到了合格發泡劑的最低標準,且能耗對比優化前也有顯著降低。

4 其他參數對優化的影響

4.1 塔壓

在上述靈敏度分析與優化的過程中,保持了一個重要變量的恒定,塔頂壓力維持在0.3 MPa(a)。塔的操作壓力決定了塔頂溫度,塔頂溫度受冷凝器公用工程最小傳熱溫差的限制,因此需要維持一定的塔壓,保證塔頂溫度在合理的范圍內。一般塔頂冷凝器采用的冷卻水(進口為30 ℃,出口為40 ℃),最小傳熱溫差建議為10～15 ℃。因此,在設計過程中通常要控制塔壓,使塔頂溫度不得低于40 ℃,通常建議塔頂溫度為50 ℃。本案例中繪制的塔頂物流泡點曲線見圖5。

圖5 塔頂泡點曲線

從圖中可以看出,溫度50 ℃時的塔頂壓力為0.25 MPa(a),考慮到塔頂產品后續冷卻器等設備的壓降,故本案例中塔頂壓力確定為0.3 MPa(a)。

4.2 產品收率

在實際生產中,塔的各項操作參數在影響產品純度的同時也影響著產品的收率。在設計過程中,通常也會以產品收率為目標對塔的各項操作參數進行靈敏度分析,以進一步優化。

由于本案例中產品的合格標準為塔底正戊烷的質量分率,當其升高時,塔底產品收率逐漸降低。因此,在塔底產品剛達到合格要求時,塔底產品收率最高,故不再單獨對產品收率進行靈敏度分析。

5 結語

精餾塔作為直接影響化工產品合格率的設備,其各項參數的嚴格模擬及靈敏度分析一直是工藝設計的重要組成部分。本文利用Aspen Plus軟件中Rad Frca精餾塔嚴格計算模塊和PENG-ROB狀態方程,對某石化加氫裝置C5精餾塔進行了模擬。在C5精餾塔回流比為4、塔頂壓力為0.3 MPa(a)、總理論板為41、第31塊塔板進料的優化結果下,以較低的塔底熱負荷、較少的建造成本,理論上增產9.23 t/h發泡劑用C5餾分油。C5精餾塔建成投用后,在相同操作條件下實際增產9.15 t/h發泡劑用C5餾分油。模擬結果與實際生產參數基本一致,此模型的模擬結果可以作為實際生產的參照。本文的精餾塔優化分析過程也可為類似案例的設計人員提供分析思路和方案參考。