基于Aspen Plus的加氢C5精馏模拟优化

丁建亚,耿九云,李寒羿,严 炳,邹闻迪

(镇海石化工程股份有限公司,浙江 宁波 315000)

加氢裂化装置轻石脑油分馏塔可分离回收正戊烷、异戊烷等C5产品。此类产品用途广泛,可作为发泡剂、溶剂、化工原料等,具有良好的经济价值[1]。C5资源的高效利用,可以有效提高炼油单位的整体效益[2]。

某石化公司210万t/a原料加氢处理装置(以下简称蜡油加氢)轻石脑油分馏塔(0203-T-209)塔顶可生产纯度98%(正戊烷含量20%、异戊烷含量78%)的C5产品。根据GB/T22053—2020《戊烷发泡剂》规范中描述,合格发泡剂的最低标准为正戊烷含量30%以上。为了生产满足戊烷发泡剂质量要求的C5馏分油,本案例新增1台C5精馏塔(0203-T-210),利用Aspen Plus软件中的Rad Frca精馏塔严格计算模块对其模拟,并通过灵敏度分析对其各项参数进行优化。

1 工业装置

1.1 工艺流程

C5精馏塔工艺流程见图1。

图1 C5精馏塔工艺流程注:T-209—轻石脑油分馏塔;T-210—C5精馏塔

1.2 物料组成

C5精馏塔(0203-T-210)进料为轻石脑油分馏塔(0203-T-209)塔顶C5产品,其中微量的环戊烷、1-戊烯在模拟计算中可忽略不计,化简后的组分组成见表1。

表1 C5精馏塔进料组分组成

1.3 物性方法的选择

PENG-ROB模型计算体系的气液平衡以及烃类体系的液体密度非常理想。对于石油炼制过程,PENG-ROB状态方程是通常推荐的物性方法[3],本案例即选择此物性方法。

1.4 工艺模型的建立

使用精馏塔严格计算模块(Rad Frac)对C5精馏塔进行初步建模,可先按简捷塔的模拟结果输入总理论板数、进料塔板、回流比等数据。简捷塔模拟过程不再赘述,相关参数见表2。

表2 C5精馏塔预设建模参数

按预设参数建模成功运行后的模拟结果见表3、表4。

表3 C5精馏塔运行模拟结果

表4 C5精馏塔产品组成

根据表3、表4数据可以得出,按预设值进行的模拟能够初步得到C5精馏塔的操作参数及产品组成,尽管塔底产品的正戊烷含量仍未合格,但此C5精馏塔的模型已经能够对进料进行有效地分离,为后续灵敏度分析创造了条件。

2 灵敏度分析与优化

2.1 回流比

在实际生产中,通过控制回流比,可控制精馏塔塔顶、塔底产物的分离精度[4]。为了使塔底产品的正戊烷含量合格,在灵敏度分析模块中将塔底产物的正戊烷质量分率、塔底热负荷设为因变量,设置回流比为自变量,对2～6范围内的回流比以0.5的步长进行灵敏度分析,分析结果见图2。

图2 回流比-塔底正戊烷质量分率/塔底热负荷分析

由图中可以看出,塔底正戊烷质量分率随着回流比的增大而增大,当回流比大于5.2时,塔底正戊烷质量分率大于30%。但是随着回流比的增大,塔底热负荷也进一步增大,造成能耗的持续增加。因此,单独调整回流比并不是最优解,需要进一步优化进料塔板层数和总理论板数。

2.2 进料塔板层数与总理论塔板数

在实际生产中,进料塔板层数及总理论板数主要影响着全塔的能耗。在回流比修改为5.2的前提下,在灵敏度分析模块中将塔底热负荷设为因变量,设置进料塔板层数、总理论塔板数为自变量,对10～49范围内的进料塔板层数及20～60范围内的总理伦板数分别以1为步长进行灵敏度分析,分析结果见图3。

图3 进料塔板层数/总理论板数-塔底热负荷分析

由图中可以看出,当回流比一定时,塔底热负荷随着进料塔板层数的增加而降低。当进料塔板层数大于28层时,其对塔底热负荷的影响逐渐减弱。塔底热负荷随着总理论板数的增加而降低,当总理论板数大于46层时,其对塔底热负荷的影响逐渐减弱[5]。因为随着总理论板数的不断增加,塔的建造成本与施工费用也会不断地增加,所以优化目标是得到一个相对较低的塔底热负荷即可。当进料塔板层数为28层、总理论板数为46时,足以达到此要求。

2.3 重复优化过程

将进料塔板层数修改为28,总理论板数修改为46,重复回流比的灵敏度分析,分析结果见图4。

图4 回流比-塔底正戊烷质量分率/塔底热负荷分析

由图中可以看出,在改变进料塔板层数和总理论板数、回流比为4时,塔底正戊烷质量分率即可达到30%,塔底热负荷可进一步降低。同样根据新得到的回流比,可进一步优化进料塔板层数和总理论板数,在此不再赘述。

可以看出,精馏塔的灵敏度分析与优化过程就是一个不断分析迭代的过程,在满足产品质量的情况下,通过不断改变回流比、进料塔板层数和总理论塔板数来得到能耗相对较小、建造成本相对较低的精馏塔参数。

3 优化结果

通过不断地迭代优化,按照表5优化后的参数对C5精馏塔重新建模,运行后得到的模拟结果见表6、表7。

表5 C5精馏塔优化后建模参数

表6 C5精馏塔优化后运行模拟结果

表7 C5精馏塔优化后产品组成

根据表6、表7数据可以得出,优化后塔底产品正戊烷质量分数大于30%,达到了合格发泡剂的最低标准,且能耗对比优化前也有显著降低。

4 其他参数对优化的影响

4.1 塔压

在上述灵敏度分析与优化的过程中,保持了一个重要变量的恒定,塔顶压力维持在0.3 MPa(a)。塔的操作压力决定了塔顶温度,塔顶温度受冷凝器公用工程最小传热温差的限制,因此需要维持一定的塔压,保证塔顶温度在合理的范围内。一般塔顶冷凝器采用的冷却水(进口为30 ℃,出口为40 ℃),最小传热温差建议为10～15 ℃。因此,在设计过程中通常要控制塔压,使塔顶温度不得低于40 ℃,通常建议塔顶温度为50 ℃。本案例中绘制的塔顶物流泡点曲线见图5。

图5 塔顶泡点曲线

从图中可以看出,温度50 ℃时的塔顶压力为0.25 MPa(a),考虑到塔顶产品后续冷却器等设备的压降,故本案例中塔顶压力确定为0.3 MPa(a)。

4.2 产品收率

在实际生产中,塔的各项操作参数在影响产品纯度的同时也影响着产品的收率。在设计过程中,通常也会以产品收率为目标对塔的各项操作参数进行灵敏度分析,以进一步优化。

由于本案例中产品的合格标准为塔底正戊烷的质量分率,当其升高时,塔底产品收率逐渐降低。因此,在塔底产品刚达到合格要求时,塔底产品收率最高,故不再单独对产品收率进行灵敏度分析。

5 结语

精馏塔作为直接影响化工产品合格率的设备,其各项参数的严格模拟及灵敏度分析一直是工艺设计的重要组成部分。本文利用Aspen Plus软件中Rad Frca精馏塔严格计算模块和PENG-ROB状态方程,对某石化加氢装置C5精馏塔进行了模拟。在C5精馏塔回流比为4、塔顶压力为0.3 MPa(a)、总理论板为41、第31块塔板进料的优化结果下,以较低的塔底热负荷、较少的建造成本,理论上增产9.23 t/h发泡剂用C5馏分油。C5精馏塔建成投用后,在相同操作条件下实际增产9.15 t/h发泡剂用C5馏分油。模拟结果与实际生产参数基本一致,此模型的模拟结果可以作为实际生产的参照。本文的精馏塔优化分析过程也可为类似案例的设计人员提供分析思路和方案参考。