?分析在石油化工領(lǐng)域的研究進(jìn)展

孫歡歡，經(jīng)鐵，郝代軍

（中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽(yáng) 471003）

目前，普遍的用能分析法包括基于熱力學(xué)第一定律的焓分析法和基于熱力學(xué)第二定律的?分析法，傳統(tǒng)的焓分析法關(guān)注的是能量在數(shù)量上的平衡，主要是用熱效率的高低來估計(jì)節(jié)能潛力，而?分析法不再是簡(jiǎn)單地把能量節(jié)約和換熱優(yōu)化看成是一個(gè)只有量變的過程，而是加入了流股的另外一個(gè)重要物理量—“熵”，進(jìn)而將焓與熵結(jié)合成一個(gè)新的物理量—“”，并對(duì)其進(jìn)行研究，得到各物流的做功能力及其損失情況[1-2]。?分析并非是一個(gè)全新的概念，過去主要用于電廠的能量分析，近年來逐漸應(yīng)用于石油化工系統(tǒng)的分析與合成中[3]，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

1 概述

1.1 ?的概念及分類

?是針對(duì)熱提出的，即熱量中最大能轉(zhuǎn)化為功的部分，又稱“有效能”“可用能”，是指一定形式的能量或一定狀態(tài)的物質(zhì)，經(jīng)過完全可逆的變化過程后，達(dá)到與基準(zhǔn)環(huán)境完全平衡的狀態(tài)，在這個(gè)過程中該能量或物質(zhì)所能做的最大有用功[4]。與?相反，不能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量稱之為 。因此，任何能量（E）都是由?（Ex）和 （An）組成的，即：

20 世紀(jì)50 年代以后，熱力學(xué)第二定律的理論已開始在節(jié)能實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，當(dāng)任何一種形式的能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量時(shí)，其品位只可能降低或不變，絕不可能提高，這種量的守恒性和質(zhì)的差異性是能量在轉(zhuǎn)換時(shí)所具有的雙重屬性?；诖耍哔|(zhì)能量的能級(jí)系數(shù)為1，僵態(tài)能量的能級(jí)系數(shù)為0，而低質(zhì)能量的能級(jí)系數(shù)則介于0與1 之間，其中，能級(jí)系數(shù)通常定義為單位能量中所含?的比例。在一般的石油化工過程中，所涉及的常見的?分類及特點(diǎn)見表1。?代表了能量中量與質(zhì)統(tǒng)一的部分，反映了各種形態(tài)能量的轉(zhuǎn)換能力，能量中含有的?值越高，其動(dòng)力利用的價(jià)值越多，“質(zhì)”也越高。

1.2 ?分析法

對(duì)于一切不可逆過程，在能量的轉(zhuǎn)化過程中必然有質(zhì)的損失即?損，過程的不可逆程度越大，?損失越大。?分析就是根據(jù)能量中的?平衡關(guān)系揭示?的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況[5]。?平衡示意見圖1。

表1 ?的分類

圖1 ?平衡示意

使用?分析法分析優(yōu)化工藝流程或單元設(shè)備時(shí)，總的目標(biāo)是“按質(zhì)用能、按需供能”。進(jìn)行?計(jì)算之前，首先要確定被研究物系，設(shè)定環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)。環(huán)境狀態(tài)的規(guī)定在不同文獻(xiàn)中并不完全一致，比較著名的是波蘭學(xué)者Szargut 模型[6]和日本龜山——吉田模型[7]，雖然不同基準(zhǔn)下計(jì)算出的?值有所差別，但這并不影響熱力學(xué)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；其次確定流入、流出系統(tǒng)的各種物流量、熱流量和功流量，以及各物流的狀態(tài)參數(shù)；再通過?平衡方程確定過程系統(tǒng)及子系統(tǒng)或設(shè)備的?損失和?效率，評(píng)價(jià)用能完善程度，指出過程用能改進(jìn)的潛力和方向。

對(duì)于?值的計(jì)算，可直接利用流程模擬軟件如Aspen Plus、Hysys 等得到所需的焓、熵、溫度等熱力學(xué)數(shù)據(jù)，然后采用公式進(jìn)行?平衡、?損失及?效率的計(jì)算[8-9]。各單元操作?損失的計(jì)算公式見表2。

表2 各設(shè)備單元操作?損失的計(jì)算公式

表2中：

Ex,in入口?流率，kJ/s；Ex,out出口?流率，kJ/s；El?損失，kJ/s；T0環(huán)境溫度，K；Tc冷源溫度，K；Th熱源溫度，K；Qc冷負(fù)荷，kW；Qh熱負(fù)荷，kW；W功、電能、機(jī)械能，kJ/s；

2 ?分析法應(yīng)用

2.1 評(píng)價(jià)分離方案

對(duì)于多組分混合物的分離過程，從有效能的角度去尋求過程的最佳分離序列，評(píng)價(jià)熱泵精餾、雙效精餾、減壓操作、中間換熱節(jié)能、隔板精餾等節(jié)能技術(shù)成為近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[10-14]。

宋明焱等[15]采用Aspen Plus 軟件模擬了采用普通精餾的方式對(duì)溶劑脫水（工藝A）和采用共沸精餾的方式對(duì)溶劑進(jìn)行脫水（工藝B）兩種典型的對(duì)苯二甲酸工藝，并計(jì)算了空氣壓縮、反應(yīng)、溶劑脫水各子系統(tǒng)的有效能損失和有效能利用效率，得出工藝A的有效能利用效率為43.69%，高于工藝B的有效能利用效率32.84%。Sun J[16]等模擬對(duì)比了四塔精餾甲醇和五塔精餾甲醇熱集成方案，在四塔工藝的高壓塔后添加中壓塔，較好的實(shí)現(xiàn)了在高壓塔和中壓塔、常壓塔和中壓塔以及回收塔和加壓塔之間的高效熱集成，后者的有效能損失降低了21.5%；同時(shí)研究了有機(jī)硅粗單體的九塔分離流程[17]，將脫高塔與一甲塔加壓，其塔頂蒸汽與流程中脫低塔、輕分塔、共沸塔的塔釜液體進(jìn)行耦合，除高沸塔外其他塔的有效能損失均有所降低，這是由于高沸塔的進(jìn)料壓力有所增加造成閃蒸帶來的?損不可忽略。

2017年，天津大學(xué)精餾中心Cui C等[18]將?分析理論用于苯乙烯精餾流程，采用了先進(jìn)行苯、甲苯、乙苯/苯乙烯分離，再進(jìn)行苯、甲苯/乙苯分離和苯/甲苯分離，最后進(jìn)行苯乙烯精制與先進(jìn)行苯、甲苯/乙苯、苯乙烯分離，再進(jìn)行乙苯/苯乙烯分離和苯/甲苯分離，最后進(jìn)行苯乙烯精制兩種精餾分離序列，傳統(tǒng)精餾、粗苯乙烯塔拆分的雙效精餾、熱泵精餾三種精餾方案，對(duì)比了這6 個(gè)工藝流程的整體?損失情況以及同一分離序列中單塔的有效能損失分布，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明，采用熱泵精餾技術(shù)的第二種分離序列優(yōu)于其他方案。2018年，邵巖等[19]為直觀判斷將天然氣壓力能回收與氮?dú)馔庋h(huán)膨脹制冷空氣分離相集成的能量利用程度，利用?分析的方法對(duì)新舊空氣分離工藝進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明，集成工藝?效率與原流程相比提高了16.9%，說明新流程的熱力學(xué)完善程度較高?？梢钥闯?，有效能分析法對(duì)求取多種分離方案中的最優(yōu)解進(jìn)而確定工藝設(shè)計(jì)方案具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 指導(dǎo)節(jié)能工作

無(wú)論是新工藝設(shè)計(jì)還是現(xiàn)有裝置、設(shè)備的改造，找出節(jié)能潛力或瓶頸所在，是快速提高能量效率的關(guān)鍵。2003年，吳立國(guó)等[20]已將?分析法應(yīng)用于原油提餾裝置，指出提餾塔的改造潛力不大，對(duì)換熱器及加熱爐分別進(jìn)行了降低換熱器的溫差傳熱?損及引進(jìn)高效節(jié)能燃燒器等措施，?效率均有所提高；龍鳳樂等[21]也建立了常減壓蒸餾裝置的?分析模型，指出常減壓加熱爐的?效率較低；董瓊等[22]將有效能分析理論應(yīng)用于常減壓裝置的電脫鹽前換熱網(wǎng)絡(luò)、電脫鹽后換熱網(wǎng)絡(luò)和閃蒸后換熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)整中，最大限度的利用低溫?zé)嵩?，使原油終溫提高8℃，平均熱力學(xué)效率提高了3.4百分點(diǎn)。楊云鵬等[23]對(duì)催化裂化余熱鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行了?效率分析，確定了排煙溫度過高造成的損失和溫差傳熱損失是系統(tǒng)?損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)性對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行改造，將排煙溫度降至150℃，余熱鍋爐系統(tǒng)?效率提高了10.4%。王培超[24]對(duì)洛陽(yáng)石化延遲焦化裝置的加熱爐、換熱器和空冷器等設(shè)備進(jìn)行了有效能分析，得到了設(shè)備有效能損失分布情況，找到了優(yōu)化的潛力和重點(diǎn)設(shè)備；同樣，李中華[25]在準(zhǔn)確模擬蠟油加氫裂化裝置的基礎(chǔ)上，以有效能分析為指導(dǎo)，對(duì)裝置中泵、加熱爐、反應(yīng)器、精餾塔、換熱器以及空冷器幾個(gè)主要單元設(shè)備進(jìn)行了?分析計(jì)算，根據(jù)?損率的分布情況，得到了?損失比較嚴(yán)重的單元設(shè)備。在合成氨系統(tǒng)中的低溫甲醇洗工段，雷云霞等[26]指出與內(nèi)部物流完全換熱的換熱器、氣液分離器、五塔所產(chǎn)生的內(nèi)部?損失占比最大，并針對(duì)性的提出去掉甲醇氨冷器、改善變換氣進(jìn)入洗滌塔時(shí)氣液分離器的分離效果等措施。

也有學(xué)者將?分析理論與夾點(diǎn)分析理論、能量利用三環(huán)節(jié)的模型理論（能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)、能量工藝?yán)铆h(huán)節(jié)和能量回收環(huán)節(jié)）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置全面的能量分析[27]。韓文超[28]采用?分析法去驗(yàn)證夾點(diǎn)分析法得到的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)，其非公用工程及公用工程換熱器的?效率均達(dá)到了99.99%以上，找到了該流程中的用能薄弱環(huán)節(jié)—HX6、HX18兩臺(tái)換熱器和甲醇再生塔、甲醇水分離塔，通過預(yù)熱提高兩塔進(jìn)料溫度及加熱側(cè)采回流溫度等措施，熱公用工程能耗降低了12 505.33 kW，年操作費(fèi)用節(jié)省1 千萬(wàn)元左右。吳俊強(qiáng)[29]則采用三環(huán)節(jié)模型，指出石化乙烯項(xiàng)目中能量利用環(huán)節(jié)的界區(qū)外蒸汽減壓?損、一萃塔、二萃塔、溶劑精制塔進(jìn)料溫度低引起的塔內(nèi)混合?損是?效率低的重要原因，提出了相應(yīng)的解決方案；同樣，魯維民[30]也進(jìn)行了采用MIP 技術(shù)改造后的重油催化裂化裝置有效能計(jì)算，表明進(jìn)一步提高能量回收環(huán)節(jié)的再生煙氣能量是該裝置的節(jié)能重點(diǎn)。

?分析法不僅在指出系統(tǒng)用能需要重點(diǎn)改進(jìn)的環(huán)節(jié)上受到研究人員的青睞，隨著研究的深入，許多學(xué)者也將靈敏度分析工具即深度優(yōu)化過程操作參數(shù)應(yīng)用于節(jié)能優(yōu)化領(lǐng)域，其模型分析的采集變量是有效能[31-33]。在催化精餾合成乙二醇正丁醚（EGMBE）工藝中，孟霞[34]通過建立有效能分析模型，得出了EGMBE 催化精餾塔塔內(nèi)有效能損失主要集中在環(huán)氧乙烷進(jìn)料板上，優(yōu)化了環(huán)氧乙烷的進(jìn)料位置及正丁醇的進(jìn)料量。司云航[35]分析了天然氣液化流程的關(guān)鍵參數(shù)（混合制冷系統(tǒng)的高低段壓力、溫度以及混合制冷劑的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)）對(duì)流程中各設(shè)備有效能損失的影響以提高流程運(yùn)行效率。Sun J等[17]研究了塔壓從180 kPa到140 kPa，塔板數(shù)從166 塊到206 塊對(duì)有機(jī)硅粗單體流程中脫低塔有效能損失的影響，并進(jìn)一步得到該塔的精餾段占整塔有效能損失的93.35%，因此提出將塔頂?shù)娜鞲臑榉帜?，降低回流溫度與塔頂溫度的溫差至25℃，?損失從486.6 kW 降到了436.4 kW。同樣，Cui C 等[18]也考察了不同操作壓力對(duì)苯乙烯精餾塔內(nèi)不同塔板處的有效能分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的降低，塔內(nèi)?損失增加，在進(jìn)料板位置處?損失最大。在含氮天然氣膨脹制冷液化工藝中，冉田詩(shī)璐等[36]利用Hysys 軟件考察了冷劑中N2摩爾分?jǐn)?shù)、低壓制冷劑溫度、壓力、高壓制冷劑流量對(duì)膨脹機(jī)及壓縮機(jī)有效能損失的影響，進(jìn)而選擇合適的操作參數(shù)。

近日，Wu L 等[37]將?分析理論應(yīng)用于丁二烯工藝，不僅得到了原料回收工段為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并且研究了?損失占比較大的乙醇塔及醛醇分離塔，優(yōu)化了理論板數(shù)及傳熱溫差，總體?損失降低了26.82%，能耗降低了39.36%，節(jié)能效果顯著。顯而易見，?分析法通過在節(jié)能評(píng)價(jià)中指出重點(diǎn)節(jié)能對(duì)象及位置，能夠?yàn)樾卵b置的節(jié)能設(shè)計(jì)和現(xiàn)有裝置的節(jié)能改造提供技術(shù)支持，也能深入挖掘需要調(diào)整的關(guān)鍵操作參數(shù)，減少節(jié)能工作前期探索的時(shí)間，提高工作效率。

圖2 重整裝置分離系統(tǒng)工藝流程模擬

圖3 換熱器?損失分布

3 案例分析

重整裝置是煉油化工重要的加工過程，主要以石腦油為原料，生產(chǎn)富含芳烴的重整生成油，作為芳烴原料和汽油調(diào)合組分，同時(shí)富產(chǎn)氫氣和少量的液化氣。某煉廠重整裝置的重整部分原采用法國(guó)IFP 第一代連續(xù)重整專利技術(shù)，后經(jīng)改造變“三爐三反”為“四爐四反”，預(yù)處理部分來的精制油與重整循環(huán)氫經(jīng)重整反應(yīng)后，與原料換熱，經(jīng)重整產(chǎn)物空冷器A201和重整產(chǎn)物水冷器E202冷凝冷卻后，進(jìn)入重整氣液分離罐D(zhuǎn)201。罐頂氣體大部分進(jìn)入重整循環(huán)氫壓縮機(jī)K201 循環(huán)使用，小部分富氫氣體經(jīng)二段升壓后與D201 底來的重整油混合，經(jīng)高壓吸收罐冷卻器E204，進(jìn)入高壓吸收罐D(zhuǎn)204 進(jìn)行再接觸，實(shí)現(xiàn)氫氣與粗汽油的分離，其中E203為級(jí)間冷卻器。氫氣進(jìn)入氫氣提純系統(tǒng)，D204底的粗汽油經(jīng)重整生成油穩(wěn)定塔進(jìn)料換熱器E205 與穩(wěn)定汽油換熱后，進(jìn)入重整生成油穩(wěn)定塔C201 得到合格的穩(wěn)定汽油出裝置，塔頂氣相經(jīng)空冷器A202、水冷器E206 冷卻后進(jìn)入塔頂回流罐D(zhuǎn)205。具體工藝流程見圖2。

根據(jù)該煉廠規(guī)模70萬(wàn)t/a的重整裝置，在Aspen Plus軟件實(shí)現(xiàn)重整反應(yīng)產(chǎn)物分離系統(tǒng)工藝流程的準(zhǔn)確模擬基礎(chǔ)上，通過分析有效能損失分布，見圖3，得到重整產(chǎn)物空冷器A201和重整生成油穩(wěn)定塔進(jìn)料換熱器E205 為重點(diǎn)節(jié)能對(duì)象，提出充分利用重整反應(yīng)產(chǎn)物的低溫余熱加熱重整生成油穩(wěn)定塔進(jìn)料流股，不僅可以減小進(jìn)入空冷器A201 的流股溫度，降低傳熱溫差，還可提高穩(wěn)定汽油進(jìn)入芳烴裝置的進(jìn)料溫度，降低下游裝置的能耗，相比原流程有效能損失降低了14.74%。為進(jìn)一步降低能耗，分析了重整生成油穩(wěn)定塔C201 的塔內(nèi)有效能損失分布，得出其進(jìn)料板第18塊塔板處有效能損失占比不大，如圖4所示，分別對(duì)C201的進(jìn)料溫度、進(jìn)料位置、回流比以有效能作為因變量進(jìn)行分析。進(jìn)料溫度升高，有效能損失下降，汽油產(chǎn)品中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，可適當(dāng)將進(jìn)料溫度165℃提高至175℃，此時(shí)有效能損失從1 999.92 kW降至1 754.63 kW，降低了12.26%，塔釜熱負(fù)荷從4 821.63 kW降至4 168.34 kW，降低了13.55%；進(jìn)料位置下移，有效能損失下降，但影響不明顯，進(jìn)料位置可不進(jìn)行改動(dòng)；回流比減小，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，有效能損失下降，要滿足穩(wěn)定汽油產(chǎn)品中芳烴含量控制指標(biāo)的要求，回流比需在0.09以上。因此，可適當(dāng)提高重整生成油穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度10℃，保證回流比在0.09（對(duì)進(jìn)料）以上，此時(shí)，穩(wěn)定塔加熱爐瓦斯氣用量降低了80 m3/h，可節(jié)約瓦斯費(fèi)用140萬(wàn)/年，節(jié)能效果明顯。

圖4 重整生成油穩(wěn)定塔C201優(yōu)化

4 存在問題及研究方向

?標(biāo)志著能量的質(zhì)量，節(jié)能的關(guān)鍵是最大限度地利用有效能，提高能量利用效率。?參數(shù)的提出為能量的量與質(zhì)的評(píng)價(jià)提供了統(tǒng)一的尺度，通過結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律建立了熱系統(tǒng)平衡分析法，但這在一定程度上增加了計(jì)算過程的復(fù)雜性。如何將流程模擬、數(shù)據(jù)采集和?分析三大模塊，通過流程模擬軟件Aspen Plus和MS EXCEL的接口完善成熟的集成起來，進(jìn)行準(zhǔn)確的?或?損失計(jì)算是能量過程集成的基礎(chǔ)。?分析法的研究方向可集中在以下幾個(gè)方面：

1）基于現(xiàn)有?分析理論對(duì)新工藝或現(xiàn)有裝置的有效能利用情況及節(jié)能潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高熱力學(xué)完善程度。當(dāng)過程的內(nèi)部?損失導(dǎo)致節(jié)能潛力較小時(shí)，研究采用高效節(jié)能的設(shè)備降低系統(tǒng)與外界的?損失是重點(diǎn)研究對(duì)象。

2）將?分析法中的?流率替代夾點(diǎn)分析技術(shù)中的熱容流率，建立一套適當(dāng)簡(jiǎn)化又科學(xué)合理的分析模型，開發(fā)新的軟件與技術(shù)。

3）加強(qiáng)?分析技術(shù)與經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境學(xué)等的結(jié)合，使投資費(fèi)與?耗費(fèi)有機(jī)地統(tǒng)一起來，綜合考慮熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與環(huán)境三方面的目標(biāo)，擴(kuò)展?分析法的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)論

通過研究?分析在評(píng)價(jià)分離方案、指導(dǎo)節(jié)能工作中的進(jìn)展情況，分析了?分析法在重整裝置上的應(yīng)用可行性，指出了裝置的節(jié)能潛力和需要重點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化的對(duì)象，并提出了?分析存在的問題及今后的研究方向。目前，?分析理論和?計(jì)算技術(shù)已經(jīng)較為成熟并在不斷發(fā)展，相比于熱效率，?效率能從質(zhì)的角度更能全面的體現(xiàn)裝置用能情況，通過計(jì)算分析便能快速揭示能量損失的對(duì)象及損失數(shù)量，指出造成損失的原因，指導(dǎo)節(jié)能工作的深層次開展。