基于ASPEN軟件的戊烷發泡劑生產實踐及增產措施

穆海濤，劉春柳

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266071)

發泡劑是常用的建筑材料,有橡膠發泡劑、玻璃發泡劑、混凝土發泡劑及聚氨酯發泡劑等多種產品,其主要作用是對使用對象物質進行成孔分解,經過發泡固化后起到黏接、密封及防漏的目的[1]。戊烷發泡劑作為硬質聚氨酯泡沫的新型環保發泡劑,用于替代對大氣臭氧層有破壞作用的氯氟烴(CFCS),具有生產工藝先進、產品指標穩定等特點,現已廣泛應用于無氟冰箱、冰柜生產行業以及冷庫、管線保溫等領域[2]。

在煉化企業中,戊烷發泡劑由利用價值較低的輕石腦油組分進行生產,以提高煉油廠輕石腦油組分的經濟效益。重整預加氫裝置拔出的輕石腦油中C5餾分含量較高且雜質含量較低,是生產戊烷發泡劑的優質原料[3],典型的預加氫裝置戊烷發泡劑生產流程如圖1所示。來自常減壓蒸餾裝置的石腦油先經過預加氫反應系統[4],脫除原料中的硫、氮、氧、重金屬等雜質,然后經過汽提塔脫除含硫輕烴以及酸性水,最后進入分餾塔及脫戊烷塔分離戊烷組分,在脫戊烷塔塔頂得到戊烷發泡劑產品。

圖1 重整預加氫裝置戊烷發泡劑生產流程

2021年10月起戊烷發泡劑產品執行GB/T 22053—2020標準,與老標準GB/T 22053—2008相比,新標準對戊烷發泡劑的質量要求更加嚴格,要求產品純度(質量分數)下限由98%升至99%,異戊烷、正戊烷組分含量范圍(二者質量分數差值)由±5%降至±2%,C4組分質量分數上限由1%降至0.5%,C5質量分數上限由1%降至0.5%,硫含量上限由質量濃度10 μg/mL降至質量分數5 μg/g。因此,發泡劑生產工藝需要進一步優化以生產合格產品。

本課題基于ASPEN PLUS軟件對戊烷發泡劑生產制定調整方案,并對產品異常情況進行分析及控制。為進一步提高輕石腦油產品附加值,通過采取各類優化調整措施,最大程度提高戊烷發泡劑產量,增加企業經濟效益。

1 戊烷發泡劑生產方案研究

1.1 模型構建及測算分析

利用ASPEN PLUS軟件[5-6]對預加氫裝置分餾系統建立測算模型,如圖2所示。物性計算方法選擇適用于烴類體系的BK10法,模型測算數據與實際情況一致,模型結果可信,二者對比情況見表1。

表1 脫戊烷塔的測算值與實際值對比

圖2 預加氫裝置分餾系統測算模型

戊烷發泡劑中水含量、硫含量及C4組分含量等指標主要通過汽提塔調節,異戊烷及正戊烷比例通過脫戊烷塔工藝調整實現,由于異戊烷及正戊烷沸點相近,將組分含量范圍調節至±2%以內較為困難。利用ASPEN PLUS軟件對脫戊烷塔的不同工況進行分析,根據測算結果制定合理的工藝控制措施,保證發泡劑組成等質量指標滿足GB/T 22053—2020要求。

(1)脫戊烷塔進料組成不同,塔頂組成相同。在保證塔頂產品異戊烷/正戊烷質量比為4∶6的條件下,保持塔頂壓力不變,當脫戊烷塔進料C5質量分數由60%上升至68%時,塔頂靈敏板溫度前后相差0.05 ℃左右;塔底溫度由107.8 ℃上升至111.3 ℃,塔底溫度提高4 ℃左右。測算結果表明,當脫戊烷塔進料組成不同時,在保證塔頂異戊烷及正戊烷比例相同的條件下,塔頂靈敏板溫度基本無變化。

(2)脫戊烷塔進料組成相同,塔頂溫度不同。當脫戊烷塔進料C5質量分數保持在68%時,改變塔頂溫度,分析塔頂組成變化。當塔頂溫度變化0.1 ℃時,塔頂異戊烷比例變化約0.8%,當塔頂異戊烷組分含量范圍變化2%時,塔頂溫度變化約0.3 ℃。測算結果表明,發泡劑組成與塔頂靈敏板溫度密切相關。

綜上所述,保證塔頂發泡劑中異戊烷、正戊烷組分范圍在±2%時,其塔頂溫度變化需控制在±0.3 ℃。

1.2 生產方案制定

對直餾輕石腦油異戊烷及正戊烷資源進行排查,發現生產F6牌號(異戊烷/正戊烷質量比為4∶6)的發泡劑產量最大,經濟效益最好,根據模型測算結果及脫戊烷塔工藝流程制定以下產品生產方案,脫戊烷塔工藝流程見圖3。

圖3 預加氫系統脫戊烷塔工藝流程示意

(1)脫戊烷塔塔頂控制壓力由0.270 MPa降低至0.265 MPa,提高塔頂產品正戊烷含量,及時調整塔頂空氣冷卻器A-104冷后溫度,保證塔頂壓力穩定;適當調整汽提塔及分餾塔操作,保證脫戊烷塔進料量相對穩定。

(2)將塔頂靈敏板溫度TIC-11303控制在(77.0±0.3)℃,塔頂回流量FV-11402優先利用APC控制,在脫戊烷塔進料量變化不大的前提下,根據進料量及塔頂靈敏板溫度對塔底蒸汽量進行微調,FIC-11303調整幅度為0.1 t/h。

(3)在調整階段增加塔頂發泡劑采樣頻次,一般每隔3 h采樣1次。根據分析結果調整靈敏板溫度TIC-11303,調整幅度為0.1 ℃,優先利用回流量進行調整。在生產出現較大波動時,塔頂回流量可能會低于最小值,不能滿足分離精度要求,因此需適當調整塔底0.45 MPa蒸汽量,但幅度不應過大,避免影響塔的正常操作。

1.3 產品數據分析

通過以上調整措施,生產的戊烷發泡劑產品符合GB/T 22053—2020標準的質量要求,產量維持在10～12 t/h。對脫戊烷塔塔頂發泡劑產品比例指標進行分析,在7 d分析時間內,塔頂樣品組分范圍在±2%的樣品占總數72%,組分含量范圍在±3%的樣品占總數88%,詳見圖4。塔頂產品質量控制相對穩定,合格率較高。

圖4 脫戊烷塔塔頂出口不同組成范圍產品占比

由于塔頂沒有在線分析儀器對產品組成進行實時監控,因此需要對戊烷成品罐進行半罐分析,以保證戊烷發泡劑成品符合質量標準。目前,塔底蒸汽僅有自動及手動兩種控制方式,在后續的控制系統優化中可以增加塔底蒸汽FIC-11303到靈敏板溫度TIC-11303的APC控制,使靈敏板溫度控制更加精準。

對戊烷發泡劑成品罐的異戊烷、正戊烷組分含量進行分析,結果見圖5。其中,正戊烷質量分數為58.02%～61.40%,異戊烷質量分數為38.36%～41.65%,戊烷發泡劑組分含量范圍均在±2%內,其余產品質量指標也均符合出廠產品質量要求。

圖5 戊烷發泡劑成品罐組成變化

1.4 異常質量調整

在戊烷發泡劑產品調整過程中,C4組分含量、異戊烷及正戊烷比例不合格現象經常發生,影響產品正常出廠銷售。

在常減壓蒸餾裝置加工不同原油時,輕質原油中的輕石腦油及輕烴組分含量較高,在加工沙特輕質原油等時,戊烷發泡劑中C4組分含量容易超過指標控制,對此利用模型對汽提塔操作進行分析,通過優化汽提塔工藝參數降低發泡劑中C4組分含量。當汽提塔進料中輕組分增多時,不同進料溫度影響汽提塔塔底C4組分含量,進而影響戊烷發泡劑中C4組分含量。測算結果表明,汽提塔進料中C4組分較多時,適當降低汽提塔進料溫度可提高全塔分離精度。同時提高塔頂含硫輕烴外送量,將C4組分盡量從汽提塔頂部拔出,通過這兩種方式可以降低戊烷發泡劑中C4組分含量。

當異戊烷與正戊烷比例不合格時,對脫戊烷塔及時進行工藝調整,例如成品罐異戊烷比例不夠時,通過降低靈敏板溫度提高塔頂產品異戊烷比例,保證成品罐組分比例合格。因此,在日常操作中需要加強對成品罐的監控,避免質量不合格影響產品正常銷售出廠。

2 發泡劑增產措施

目前戊烷發泡劑市場銷售情況良好,市場價格較高,為提高輕石腦油組分的經濟效益,采取各類優化措施提高戊烷發泡劑的產量,最大程度提高企業的經濟效益。

(1)重整后分餾脫丁烷塔塔底油改至預加氫系統。

重整裝置后分餾脫丁烷塔塔底油產量為4～6 t/h,塔底油中C5組分質量分數為90%,C5產量約4.5 t/h,可以作為生產戊烷發泡劑的原料。因此,將后分餾脫丁烷塔塔底油改至預加氫系統,最大程度回收發泡劑資源。

(2)提高預加氫系統進料量。

在保證重整裝置進料量不變的前提下,將干氣液化氣脫硫裝置的溶劑油改成預加氫精制油(5～8 t/h),重整裝置的加氫裂化重石腦油加工量由30 t/h降低至25 t/h,將預加氫進料量由226 t/h提升至243 t/h,最大程度增產戊烷發泡劑。通過采取以上措施,戊烷發泡劑產量均值由12.4 t/h上升至16.3 t/h,發泡劑日產量由330 t增至400 t。

(3)優化預加氫系統汽提塔操作。

預加氫系統汽提塔塔頂含硫輕烴中C5組分質量分數為50%,C5資源約有8～10 t/h,通過優化預加氫汽提塔操作最大程度回收這部分C5資源。根據ASPEN PLUS測算結果,通過適當降低汽提塔進料溫度、提高塔頂壓力等措施,將塔頂含硫輕烴外送量由22 t/h降低至17 t/h。

由于預加氫汽提塔分離精度有限,過多降低塔頂含硫輕烴外送量會導致發泡劑中C4組分質量分數超過0.5%,導致發泡劑質量不合格。因此,汽提塔塔頂含硫輕烴外送量可根據發泡劑質量進行動態調整。通過優化預加氫汽提塔操作條件,戊烷發泡劑產量由16.3 t/h上升至17.7 t/h,發泡劑日產量由400 t增至490 t。

(4)生產產品牌號分析。

戊烷發泡劑根據異戊烷與正戊烷比例分為F3至F8不同牌號產品,目前中國石化青島煉油化工有限責任公司生產F6牌號產品(異戊烷/正戊烷質量比4∶6),對預加氫脫戊烷塔進料組成(見表2)

表2 預加氫脫戊烷塔進料組成分析結果

進行分析,研究是否能生產F7牌號產品(異戊烷/正戊烷質量比3∶7),最大程度增產發泡劑。

從表2可以看出,預加氫裝置脫戊烷塔進料中異戊烷/正戊烷質量比為3∶6。重整脫丁烷塔塔底油中異戊烷/正戊烷質量比為3∶4,因此無法生產F7牌號產品,但可最大量生產F6牌號發泡劑產品。

(5) 加工原油C5資源分析。

對加工原油中石腦油C5資源進行分析,生產戊烷發泡劑較好的原料有沙輕、福蒂斯、巴士拉-輕、科威特等原油;而烏拉爾、沙重、布希奧斯、巴士拉-中等原油所產石腦油中C5資源相對較少,從增產戊烷發泡劑角度可多加工沙輕、巴士拉-輕、科威特等原油。不同原油所產石腦油中C5含量對比如表3所示。

表3 不同種類原油所產石腦油中C5含量對比

通過優化調整,戊烷發泡劑中C4質量分數由0.15%上升至0.38%(質量指標要求不大于0.5%),異戊烷+正戊烷的純度由99.6%下降至99.2%(質量指標要求不小于99%),質量指標已卡邊控制。

2022年2月下旬,戊烷發泡劑產量均值為12.4 t/h,經優化調整后,3月初產量均值提高至17.7 t/h,提高了5.3 t/h。戊烷發泡劑日產量由2月底的340 t上升至3月初的490 t,產量變化趨勢如圖6所示。

圖6 預加氫汽提塔頂發泡劑產量趨勢

3 結 論

(1)根據預加氫系統ASPEN PLUS測算結果,要保證脫戊烷塔塔頂發泡劑產品組成含量范圍在±2%,其塔頂溫度變化需控制在±0.3 ℃。塔頂回流控制器優先利用APC控制,在生產大幅波動時改為自動或者手動調節,塔底蒸汽量根據進料量及塔頂靈敏板溫度變化進行微調,調整幅度不應過大。

(2)在戊烷發泡劑產品調整過程中應及時調整C4組分含量、異戊烷及正戊烷比例,避免產品質量不合格影響出廠。當汽提塔進料中輕組分增多時,可通過適當降低汽提塔進料溫度來提高全塔分離精度,提高汽提塔塔頂含硫輕烴外送量,降低戊烷發泡劑中C4組分含量。當異戊烷及正戊烷比例不合格時,可通過降低靈敏板溫度改變塔頂產品異戊烷及正戊烷比例,保證成品罐組分比例合格。

(3)增產戊烷發泡劑可以從提高預加氫進料、優化汽提塔操作、回煉后分餾脫丁烷塔塔底油、優化生產產品牌號、優選加工原油種類等方面入手,在質量卡邊控制的前提下,最大程度生產戊烷發泡劑,提升輕石腦油組分的利用價值,提高企業經濟效益。