大型常压塔的工艺模拟计算与设计优化探究

谢明霞(北京华福工程有限公司天津分公司 天津 300042)

本厂原油是一种含硫量低、含胶量低、含蜡量高，且凝固点较高的石蜡基原油。因此，如果要想从原油中提取多种润滑油、燃料等石油产品，那么这就需要原油炼油厂很好地解决原油的分割以及炼油过程中的各种成分的分离等方面的问题。在炼油过程中，原油的常减压蒸馏属于一种十分有效及合理的方法，同时它也属于一种经济效益好以及易于实现的分离途径。原油常减压蒸馏可将原油分割成为相应的柴油、汽油、煤油等石油类制品。本文主要基于ASPEN OLUS软件，对大型常压塔的工艺模拟计算与优化设计进行探讨，从而达到最优的操作条件，使得经济效益实现最大化。

一、原油的切割方案

笔者所在的炼油厂，所分割的原油均为硫含量较低的石蜡基原油，与其他原油相似，也具有蜡含量高、凝固点高，且沥青含量低及重金属含量低等方面的特征。基于上述特征，本设计产品属于燃料型加共方案。具体设计方案如下表1所示：

表1 我厂原油常压切割方案及产品性质分析

二、工艺参数设计与计算

主要对物料衡算、下塔段的热平衡以及浮阀塔板工艺设计进行计算。浮阀塔板工艺设计的主要计算结果为：塔径2.3m、板间距(H)为0.60m、塔板形式为双溢流弓形降液管、空塔气速(W)为0.779m/s、堰长(L)为1.60m、堰高(h)为0.04m、堰上液层高度(h0)为0.045m、弓形降液管高度(hb)为0.10m、浮阀数(n)为780个、阀孔动能因素(F0)为9.51m/s(kg·m-3)、单板压降△Pp为657.9kPa、液体在降液管内停留时间长短为7.70s、液相负荷最大值为0.06N、液相符合下限为0.03N。

具体而言，主要包括如下两个方面的工艺设计：(1)对于大型的常压塔而言，其中一个非常重要的环节就是对支撑梁的优化设计。在实际的设计过程中，应满足如下几个方面的要求：首先需要满足机械性能如强度、刚度、水平度等，还应满足压降小、无液体汇聚、抗堵塞性能强以及无气体涡流等方面的要求。当前，在实际工艺设计过程中，经常使用的一种支撑形式为桁架支撑，或者在工字梁的腹板以及横翅上开一个大型的方孔。对于上述工字梁支撑而言，在实际使用过程中存在着如下几个方面的缺陷，包括：极易出现涡流现象，且容易造成气体初始部分出现极端反应等，这些缺陷就会对支撑之中存在的介质的流动性存在非常大的不良影响，对设备的迅速操作极为不利。与工字梁不同的是，桁架支撑能够将每根桁架梁近似为二力杆件，经力学分析可知，其受力情况最为理想，结构十分灵活，且重量较轻，尤其是对介质的流动性也较小，这就大大方便了安装检修，因此，此种形式的支撑梁被广泛地应用于桥梁施工及建筑施工过程中。根据其特殊的结构原理，近年来，也开始被人们广泛地应用于大型减压塔的优化设计过程中。(2)进料分布器。除了上述支撑梁的设计之外，大型常压塔的另一个重要的优化设计环节就是对进料分布器的设计。注意在实际的设计过程中，需考虑便于气相均一分布、无液沫夹带以及压降小等方面的工艺特征。此外，还应该满足大液量冲击震动等机械性能的有关要求；进料分布器一般使用的类型很多，主要包括：环管布孔型、切向号角型、单切向环流型以及双切型等类型。根据笔者的实际工作经验可以得知，双切环流型与双列叶片型进料分布器的压降最小，气体分布最为均一，雾沫夹带量少，闪蒸空间高度较低，能够很好地满足设计的根本需要。然而考虑到双切环流型结构比较复杂，投资所需成本较高等方面的原因，所以在实际过程中一般选择双列叶片型进料分布器，因为该类型的进料分布器具有结构简单、投资相对较少，且安装便捷等方面的优势。

三、模拟设计计算

采用ASPEN PLUS软件对原油常压塔的实际操作进行模拟、计算。其中塔板数为25，,额，进料温度为350℃，计算的初始值为物料衡算的结果。

1.数据输入

本次设计过程中，将石油窄馏分作为虚拟正构烷烃进行处理，选择ASPEN PLUS软件模拟中经常使用的BK.10方法，分别将进料温度(350℃)、进料压力(0.17MPa)、质量流率(1.08×105kg/h)、塔板数(n=28)输入该模拟软件之中，选择局部冷凝作为冷凝器，塔顶流出速度为15190kg/h。侧线煤油选择第九块板采出，进料选择第27块板采出。

2.实验结果

由上述实验得出了如下图1所示的组分图：

图1 组分示意图

然后可以从上述组分示意图中观察到：各种产品在各塔板上面的气液组成情况。若对整体模拟过程的进料的组成情况，也就是对进料的组成情况进行微微调整之后，再使用ASPEN PLUS软件对其进行模拟、演算，这会对原油的分离效果产生一定程度的影响。根据如上4个方面的虚拟组分的计算，能够看出，我厂原油的组分极为复杂，且是一个混合物。本研究主要对十七个组分进行了虚拟模拟计算。

结论

综上所述可知，本文利用ASPENPLUS软件对大庆原油蒸馏装置中常压塔进行了工艺模拟计算，在满足塔处理能力、操作弹性、产品收率及产品质量的基础上，优化塔操作条件物料平衡及塔径等工艺参数。

[1]赵汝艾．大型塔器支撑装置的优化设计[J]．化学工程，2009，37(1)：75-78．