順酐及其配套正丁烷裝置的熱聯合節能模擬優化

劉萬廣 楊佩雯

1 眾一伍德工程有限公司（ 201100）

2 杭州星傳新材料科技有限公司（浙江杭州 310012）

我國是能源消耗大國，國家發改委于2007年4月25 日頒布《節能減排綜合性工作方案》，2007年11 月23 日新的節能政策被批準，環保節能成為全國人民關注的焦點。化工元素與人們的衣食住行密不可分，并且化工生產裝置往往伴隨著較高的能耗。因此降低能耗不僅能夠加強企業的盈利能力，同時有助于推動我國經濟的整體發展。精餾塔是化工生產過程中使用最為廣泛的分離單元，也是石油煉制中能耗較大的操作裝置之一。本研究針對某輕烴制丙烷項目分離單元單塔的優化設計進行了總結。

1 項目概況

某新材料有限公司的新型化工高端材料項目為省重點項目，主要涵蓋25 萬t/a 輕烴制丙烷-異丁烷正構裝置（以下簡稱輕烴制丙烷裝置）、13 萬t/a順酐裝置及其配套的罐區和公輔設施。輕烴制丙烷裝置產品為99%（質量分數，下同）的正丁烷，產品正丁烷作為順酐裝置的氧化原料。25 萬t/a 輕烴制丙烷裝置包含輕烴制丙烷和異丁烷正構兩個裝置。該聯合裝置中輕烴制丙烷裝置依托金澳科技（湖北）石化有限公司現有的重整裝置，以重整裝置副產重整石腦油、重整戊烷油、重整抽余油作為原料，采用洛陽市科創石化科技開發有限公司開發的輕烴轉化生產丙烷的催化劑，在非臨氫條件下將鏈烷烴轉化為丙烷/丁烷[7]，產品正丁烷供應順酐裝置，作為其生產原料。

在設計過程中發現，輕烴制丙烷-異丁烷正構裝置中C4產品分離塔的能耗占比非常高（約53%），同時C4產品分離塔中再沸器E-510 的正丁烷產品側線操作溫度較低，并且順酐裝置副產400 t/h 的85℃熱水。因此，在設計上考慮利用順酐裝置的產品冷卻器E-202 所副產的85 ℃熱水作為C4分離塔的加熱熱源。優化兩個裝置的換熱網絡，確定變更及新增設備的選型，以優化設計的模擬計算結果驗證優化方案的可行性與有效性。

2 熱聯合方案的確定

2.1 初步設計方案

該項目的輕烴制丙烷裝置包含反應單元、吸收穩定單元及液化石油氣（LPG）分離單元。其中反應單元利用洛陽市科創石化科技開發有限公司的專利催化劑，加工C5/C6輕烴組分生產丙烷/丁烷。吸收穩定單元與傳統催化裂化裝置吸收穩定流程基本一致[1]，穩定塔塔頂分離得到的LPG 送往LPG 分離單元進行處理，穩定塔塔底重組分經脫輕分離后回收C5/C6去回煉。LPG 分離單元的主要產品為異丁烷、正丁烷，副產丙烷可作為丙烷脫氫（PDH）裝置原料。

裝置LPG 分離單元的設計進料來源為穩定塔塔頂產品LPG。LPG 進入脫丙烷塔后，首先經脫丙烷塔塔頂分離出高純度（99%）丙烷，脫丙烷塔塔底混合C4及C4+物料經深度預加氫脫硫精制處理后，再經過脫氫塔去除氫氣，脫氫塔塔底混合C4與其他裝置副產C4烷烴一起進入E-510 進行C4烷烴組分的精餾操作分離。由于該設計C4產品分離塔需要兼容異丁烷正構裝置的產品分離及烷基化裝置副產的烷基化正丁烷和異丁烷的分離，所以LPG 單元C4分離塔的進料加工負荷比反應單元大很多。

其主要流程如圖1 所示。

圖1 中能新材料輕烴制丙烷裝置工藝流程

在初步的設計方案中，為節省設備投資，經綜合考慮，擬采用T-303 單塔設計，即使用單塔分離異丁烷、正丁烷及C4+烴3 種產品的工藝方案。T-303塔的設計參考煉化企業成熟的氣分裝置異丁烷塔的設計[4]。C4產品分離塔的設計采用120 層塔盤，單板效率按80%計[6]。塔頂產品為異丁烷，塔中側線（第95 層塔盤處）產品為正丁烷，塔底C4+重組分作為回煉原料。

進料組成中，C4+組分的占比非常低（約2%），且異丁烷與正丁烷飽和蒸汽壓非常接近、相對揮發度小，導致C4分離塔塔底汽化量和塔頂回流比（物質的量回流比為8）都很大。綜合以上因素，預計塔底再沸器E-510 的能耗較高。在初步設計的模擬計算結束后，依據流程模擬的計算結果預測，E-510 的能耗占整個裝置能耗的53%。因此，T-303 塔的換熱方案優化，降低其能耗對整個項目具有較大意義。

2.2 優化設計方案的確定

針對塔底再沸器E-510 的設計使用模擬軟件Aspen Plus 進行模擬計算分析，主要操作參數設置如下：塔頂操作壓力設定為0.6 MPa，篩板塔盤單層壓降為800 Pa，塔物質的量回流比設定為8，進料量為28 000 kg/h。在該條件下，模擬計算得到塔頂冷凝露點溫度為45 ℃（以循環水設計參數反推確定的目標露點溫度），塔中液相正丁烷產品采出溫度為62℃，塔底再沸器處C5組分采出溫度為121 ℃。具體模擬結果主要數據如圖2 所示。

圖2 優化前單再沸器方案物流數據

由以上模擬結果可知：T-303 塔中側線正丁烷采出位置（第95 層塔盤）的操作溫度為62 ℃，該操作溫度對加熱介質的溫度品位要求不高，可以利用普遍難以回收利用的低溫位的熱水、蒸汽凝結水或精餾塔頂蒸汽作為補充熱源。

5.2 加強植物檢疫，使用無病種苗：引進種子和秧苗，要經過檢疫檢驗，確保種苗不帶病菌。使用無病種苗或建立無病留種田，選用包衣種子，或用60℃溫水浸種15分鐘，或種子浸泡10～12小時后，再用1%硫酸銅溶液浸種5分鐘,水洗干凈，催芽播種。

項目順酐裝置的反應溫度為450 ℃，其反應過程的反應熱用熔鹽移除，反應產品氣降溫至130 ℃，然后用75 ℃熱水給反應產品氣繼續降溫[2]。該股降溫熱水在順酐裝置內經過給反應產品氣降溫后，其設計溫升為10 ℃，出順酐裝置時為85 ℃，熱水循環量為400 t/h。順酐裝置的原設計是用循環水將該股熱水從85 ℃降溫至75 ℃后循環使用。

綜合以上，考慮設計優化方案：利用順酐裝置副產的85 ℃熱水作為T-303 的補充加熱熱源。這樣既可以降低順酐裝置的循環水用量，又可以降低輕烴制丙烷-異丁烷正構聯合裝置的低壓蒸汽用量。在T-303 的側線液體產品正丁烷采出處（第95 層塔盤）[3]增加塔中再沸器E-510。E-510 的冷側入口正丁烷操作溫度為62 ℃，因該股物流組成純度很高，所以經再沸器加熱汽化部分物料后（汽化分率設計值為0.2），其出口溫度基本不變。熱側熱水入口的操作溫度為85 ℃，出口溫度為75 ℃，再沸器的冷物流出口與加熱介質出口溫差為13 ℃，可以滿足再沸器設計的工藝條件需求。依據以上操作條件，用Aspen EDR 計算選型，初步確定E-510 型號為BEM1000-1.6/1.6-370-6/19-1Ⅰ。

進一步優化：利用輕烴制丙烷裝置內的穩定塔塔底再沸器、脫重塔塔底再沸器的高品位蒸汽凝結水（約150℃）加熱順酐裝置送來的85 ℃熱水，新增蒸汽凝液/熱水換熱器E-511，來自順酐裝置的熱水經E-511 加熱后溫度升高至86.7 ℃，然后作為E-510 的加熱熱源。控制加熱熱水的出口溫度為75℃，該股熱水出裝置后返回到順酐裝置繼續用于反應氣降溫。

在以上優化設計條件的基礎上，針對T-303 精餾塔的工藝流程重新進行模擬計算。塔中第95 層塔盤處增加塔中再沸器E-510，塔底再沸器E-509 的熱消耗功率大幅度下降。塔頂、塔中產品流量及產品質量保持不變，具體模擬結果主要數據如圖3 所示。

圖3 優化后雙再沸器方案物流數據

綜合以上，順酐裝置E-202 與輕烴制丙烷裝置內新增E-510 和E-511 的換熱流程如圖4 所示。

圖4 優化后換熱網絡流程

由圖4 可以看出，順酐裝置的熱水及輕烴制丙烷裝置內的高溫位蒸汽凝結水可以為E-510 提供5 797 kW 熱量。本裝置內高溫位蒸汽凝結水部分余熱972 kW，順酐裝置產生的4 825 kW 降溫換熱熱源被有效利用，節能優化效果明顯。

3 設計優化效果及效益分析

3.1 優化效果

優化后順酐裝置的E-202 與輕烴聯合裝置的E-509 能耗明顯下降，順酐裝置85 ℃熱水降溫需用的循環水用量由約400 t/h 降至0，E-509 塔底再沸器的低壓蒸汽用量由19.1 t/h 降至9.2 t/h。按GB/T 50441—2016《石油化工設計能耗計算標準》計算，聯合裝置的能耗降低了39.07 kg 標準油/t 產品。E-202 和E-509 的綜合能耗變化詳見表1。

表1 優化前后能耗對比情況

該優化設計實現了聯合裝置內分項裝置用冷與取熱的熱聯合，達到了兩個分項裝置內的部分循環水與低壓蒸汽兩項公用工程消耗相抵消的效果，對于其他類似聯合裝置可以起到指導示范作用。在此類大中型項目的總體規劃設計階段，工廠專業可以依據工藝專業提供的公用工程規格及界區調節綜合考慮換熱網絡的優化方案。

3.2 經濟效益分析

優化后，新增了E-510，E-511 兩臺換熱器及部分管道、儀表等。采用HTRI 軟件對設計優化涉及的換熱器進行選型計算，得到E-509 優化設計后換熱面積降低56%。新增換熱器及E-509 在優化前后的換熱器設計選型詳見表2。

表2 優化前后換熱器選型

針對優化設計結果進行簡單的經濟效益估算，設備價格按2 萬元/t 計，蒸汽單價按有自備電廠利用余熱蒸汽考慮（外購蒸汽價格按供應商報價計，一般更高），結果如表3 所示。

表3 經濟效益核算結果

該項目優化設計后，可節省蒸汽費用275.80 萬元/a，節省循環水費用95.90 萬元/a，合計每年節省運行費用371.70 萬元。對比設計優化后新增的建設投資費用，運行1 個月節省的公用工程費用就可以將優化設計的建設投資費用收回?？梢?，該優化設計的經濟效益顯著，可操作性很強。

4 結論

（1）利用順酐裝置冷卻器E-202 副產的低溫位熱水給輕烴制丙烷裝置的C4分離塔中再沸器E-510 提供熱源，有效降低了E-509 的低壓蒸汽耗用量和順酐裝置的循環水用量。

（2）輕烴制丙烷裝置內高溫位蒸汽凝結水直接用于加熱順酐裝置送來的熱水，實現了裝置內蒸汽凝結水余熱的回收利用。

（3）通過裝置間的熱聯合優化設計，使該項目順酐及輕烴制丙烷裝置的能耗降低了37.09 kg 標準油/t 產品。