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      乙烯裝置脫乙烷塔的模擬分析與優(yōu)化探討

      2018-10-16 05:37:30
      石油煉制與化工 2018年10期
      關(guān)鍵詞:脫乙烷塔塔沸器

      趙 雄

      (西安澤灃網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,西安 710061)

      乙烯是石油化工基本有機(jī)原料之一,其生產(chǎn)水平代表著一個(gè)國(guó)家或地區(qū)石油化工行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r,其生產(chǎn)規(guī)模、成本、穩(wěn)定性、質(zhì)量等也會(huì)對(duì)整個(gè)石油化工聯(lián)合企業(yè)起到支配作用,因此乙烯裝置就成為關(guān)系全局的核心生產(chǎn)裝置[1-3]。脫乙烷塔是乙烯裝置分離系統(tǒng)的主要分離設(shè)備,其運(yùn)行狀況直接影響乙烯、丙烯產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。

      本文對(duì)某乙烯裝置由于多次擴(kuò)能改造及裂解爐多產(chǎn)烯烴等新技術(shù)的應(yīng)用,導(dǎo)致脫乙烷塔難以適應(yīng)目前的工藝條件,在生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在塔釜溫度偏低、脫丙烷塔壓力易偏高的問(wèn)題,運(yùn)用Aspen Plus軟件分析該問(wèn)題產(chǎn)生的原因,并探討相關(guān)優(yōu)化改進(jìn)措施。

      1 工藝流程簡(jiǎn)介及基本工藝條件

      乙烯裝置分離系統(tǒng)采用美國(guó)LUMMUS順序分離流程[4],脫乙烷塔設(shè)置在脫甲烷過(guò)程之后。裂解氣經(jīng)前冷系統(tǒng)和脫甲烷塔脫除氫氣、甲烷等輕組分后,由脫甲烷塔塔釜得到C2及以上餾分,作為脫乙烷塔的進(jìn)料。脫乙烷塔進(jìn)料組成(摩爾分?jǐn)?shù),x)見表1。

      表1 脫乙烷塔進(jìn)料組成 x,%

      脫乙烷塔共有58塊塔盤,進(jìn)料分2股,一股進(jìn)入第21塊塔盤,另一股進(jìn)入第25塊塔盤,根據(jù)進(jìn)料組分的輕重考慮進(jìn)料位置。進(jìn)料條件為:溫度6.3 ℃、壓力2.6 MPa、流量73 228 kg/h,塔回流位置在第1塊塔盤。脫乙烷塔的中沸器設(shè)置在第42塊塔盤采出,返回第41塊塔盤,與塔釜再沸器均采用急冷水(0.4 MPa、81 ℃)加熱,釜液送至脫丙烷塔;塔頂采出的氣相C2餾分送至C2加氫脫炔反應(yīng)器,并進(jìn)一步精制分離出乙烯產(chǎn)品。

      2 模擬結(jié)果與分析

      2.1 模擬結(jié)果

      運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)脫乙烷塔進(jìn)行模擬[5],模型的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在模型對(duì)脫乙烷塔工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,包括塔頂溫度、塔釜溫度、塔頂回流、塔釜熱負(fù)荷、塔頂和塔釜產(chǎn)品中關(guān)鍵組分濃度等[6-9]。模擬結(jié)果見表2。由表2可以看出:模型的計(jì)算結(jié)果和裝置實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合良好,說(shuō)明模型選用的物性計(jì)算方法和模型參數(shù)可靠,模型能夠反映脫乙烷塔的真實(shí)運(yùn)行狀況;導(dǎo)致脫乙烷塔塔釜溫度偏低、脫丙烷塔壓力偏高的主要原因是脫乙烷塔分離效率低,塔釜輕關(guān)鍵組分乙烷含量高,即再沸器提供的熱量偏少,不足以將塔釜過(guò)多的乙烷蒸餾至塔頂。

      表2 脫乙烷塔的模擬計(jì)算結(jié)果

      在實(shí)際生產(chǎn)中,操作人員對(duì)脫乙烷塔的中沸器和再沸器負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)急冷水量調(diào)節(jié)至最大值時(shí),塔釜溫度仍然不能滿足工藝指標(biāo)。

      2.2 水力學(xué)分析

      針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)脫乙烷塔進(jìn)行水力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)塔頂?shù)?至19層塔盤液泛因子在1左右,有輕微液泛現(xiàn)象,其原因是由于乙烯裝置多次擴(kuò)能改造,并且裂解爐應(yīng)用了多產(chǎn)烯烴的裂解技術(shù),脫乙烷塔進(jìn)料組成和負(fù)荷已較當(dāng)初設(shè)計(jì)值發(fā)生較大改變,進(jìn)料中烯烴含量增加,導(dǎo)致塔頂精餾段氣相負(fù)荷急劇增大,已經(jīng)達(dá)到其能力上限。第20層塔盤以下由于塔徑增大,液泛因子較小,尚能滿足生產(chǎn)要求,結(jié)果如圖1所示。

      圖1 脫乙烷塔的水力學(xué)分析結(jié)果◆—液泛因子; ▲—液相負(fù)荷; ■—?dú)庀嘭?fù)荷

      2.3 操作參數(shù)靈敏度分析

      根據(jù)目前脫乙烷塔的實(shí)際工藝條件,為保證其安全操作并減小對(duì)后系統(tǒng)的影響,壓力不作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù),其值保持恒定;而脫乙烷塔的進(jìn)料來(lái)自脫甲烷塔塔釜,中間沒有換熱器,因此進(jìn)料溫度也不作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。

      2.3.1回流比的影響回流比對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響如圖2所示。由圖2可知:增大回流比可以降低塔釜乙烷含量,但塔頂冷凝器熱負(fù)荷隨之急劇增大;當(dāng)回流比由表2模擬值的1.35增大到1.40,增大幅度為3.70%時(shí),塔釜乙烷摩爾分?jǐn)?shù)由3.82%降低到3.80%,降低幅度為0.52%;冷凝器熱負(fù)荷由-5 152.1 kW增大到-5 342.2 kW,增大幅度為3.69%??梢?,通過(guò)增大回流比降低脫乙烷塔塔釜乙烷含量的效果并不顯著;而隨著回流比的增大,C3冷劑制冷系統(tǒng)負(fù)荷隨之增大;但目前乙烯裝置制冷系統(tǒng)已處于大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),因此不建議采用增大回流比的方法來(lái)降低塔釜乙烷含量。

      圖2 回流比對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響◆—塔釜乙烷摩爾分?jǐn)?shù); ■—冷凝器熱負(fù)荷。圖3~圖4同

      圖3 塔頂采出量對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響

      2.3.2塔頂采出量的影響塔頂采出量對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響見圖3。由圖3可以看出:增大脫乙烷塔塔頂C2采出量可以降低塔釜乙烷含量,但塔頂冷凝器熱負(fù)荷隨之增大;當(dāng)塔頂采出量由表2模擬值的48 054 kg/h增大到48 754 kg/h,增幅為1.46%時(shí),塔釜乙烷摩爾分?jǐn)?shù)由3.82%降低到0.35%,降幅為90.84%;冷凝器熱負(fù)荷由-5 152.1 kW增大到-5 234.1 kW,增幅為1.59%??梢姡捎迷龃笏敳沙隽拷档兔撘彝樗彝楹康男Ч^顯著。

      2.3.3進(jìn)料位置的影響進(jìn)料位置對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響見圖4。由圖4可以看出:降低進(jìn)料位置可以降低脫乙烷塔塔釜乙烷含量,塔頂冷凝器熱負(fù)荷隨之減小;當(dāng)進(jìn)料位置由表2模擬值的第21層塔盤降低至第25層塔盤時(shí),塔釜乙烷摩爾分?jǐn)?shù)由3.82%降低到3.72%,降低幅度為2.62%;冷凝器熱負(fù)荷由-5 152.1 kW降低到-5 150.5 kW,降低幅度為0.03%??梢?,表2的模擬工況進(jìn)料相對(duì)較重,在第25塊塔盤進(jìn)料可以減少物料返混,更有利于塔釜乙烷的分離。

      圖4 進(jìn)料位置對(duì)塔釜乙烷含量及冷凝器熱負(fù)荷的影響

      3 優(yōu)化模擬研究

      根據(jù)上述分析,脫乙烷塔目前主要處于制冷系統(tǒng)高負(fù)荷工況運(yùn)行,冷凝器熱負(fù)荷已處于調(diào)整上限;在再沸器現(xiàn)有換熱面積不變的條件下,急冷水熱源已不能滿足現(xiàn)有裝置負(fù)荷的熱量需求。

      針對(duì)上述問(wèn)題,采用將再沸器加熱介質(zhì)改為0.35 MPa低壓蒸汽、增大塔頂C2采出量、調(diào)整為第25塊塔盤進(jìn)料的優(yōu)化方法,提高脫乙烷塔塔釜溫度,降低乙烯損失。優(yōu)化工況的模擬結(jié)果見表3。表3可知:采用優(yōu)化后的操作參數(shù),可使脫乙烷塔在不增大冷凝器熱負(fù)荷的條件下,將塔釜乙烷摩爾分?jǐn)?shù)由表2模擬值的3.82%降低到0.30%,降幅為92.15%,塔釜溫度由69.6 ℃升高至73.1 ℃,滿足塔釜輕關(guān)鍵組分分離指標(biāo)的熱負(fù)荷需求。但對(duì)優(yōu)化后各塔盤的水力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)塔頂?shù)?至19層塔盤液泛因子仍在1左右,液泛現(xiàn)象并沒有改善;可見目前脫乙烷塔塔頂精餾段處理能力已達(dá)上限。

      表3 脫乙烷塔的優(yōu)化模擬結(jié)果

      4 結(jié) 論

      (1)應(yīng)用Aspen Plus軟件建立的脫乙烷塔模型,模擬結(jié)果與裝置實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好,模型可以真實(shí)反映裝置的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

      (2)在現(xiàn)有設(shè)備條件及工況下,造成脫乙烷塔塔釜溫度偏低、脫丙烷塔壓力易偏高的主要原因是脫乙烷塔塔釜乙烷含量偏高,再沸器加熱介質(zhì)(急冷水)已不能滿足脫乙烷塔正常生產(chǎn)所需的熱量;或在現(xiàn)有加熱介質(zhì)條件下,再沸器換熱面積已不能滿足生產(chǎn)需求。

      (3)在現(xiàn)有進(jìn)料組成條件下,將脫乙烷塔進(jìn)料口向下移動(dòng)、增大塔頂C2采出量,有利于降低塔釜乙烷含量。

      (4)采用0.35 MPa低壓蒸汽作為脫乙烷塔再沸器熱源,能夠有效改善塔釜溫度偏低、脫丙烷塔壓力易偏高的問(wèn)題。

      (5)采用將再沸器加熱介質(zhì)改為0.35 MPa低壓蒸汽、增大塔頂C2采出量、調(diào)整為第25塊塔盤進(jìn)料的優(yōu)化方法,并不能改善脫乙烷塔精餾段的液泛?jiǎn)栴};建議增大精餾段塔徑或增加塔盤的開孔率,以降低塔盤的氣相阻力,從而緩解液泛現(xiàn)象;但在現(xiàn)有塔盤和塔徑條件下,脫乙烷塔精餾段的處理能力已達(dá)上限。

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