柴油加氢改质分馏塔的模拟与优化分析

倪家俊，马文礼

（中国石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依834003）

150×104t/a柴油加氢改质装置由中国石化工程建设公司北京设计院设计，中油七建承建，装置于2012年4月一次性开车成功。此装置主要以催化、焦化、蒸馏柴油和部分抽出油为原料，通过中压加氢改质—中间馏分油加氢补充精制组合工艺生产优质国Ⅴ柴油及轻、重石脑油。

该装置投产后，由于原料性质变化及产品质量控制原因，产品分馏塔部分操作参数与设计值相比发生了较大变化，导致原始设计参数已不能实现目前分馏塔的最优化操作。文中利用Aspen Plus软件建立目前工况下产品分馏塔的流程模拟模型，重点考察了塔底吹汽、进料温度和中段回流量对产品分馏塔操作及产品性质的具体影响，并根据产品指标要求对上述参数进行了优化分析，力求为以后的操作调整提供一定的理论支持。

1 改质分馏塔C-3202模拟模型的建立

1.1 C-3202的基础数据

由于150×104t/a改质装置加工的原料经常进行调整，考虑到模拟计算的结果能适用于目前现有的操作，文中以2016年采集的C-3202的各项参数以及产品质量分析作为模拟的基础数据，主要数据见表1、2。

表1 分馏塔C-3202各项参数

表2 分馏塔C-3202产品馏程数据（ASTMD86/℃）

1.2 建立操作流程图

应用Aspen Plus馏程模拟软件，可以绘制出150×104t/a改质分馏塔流程图，见图1。

1.3 热力学方法的选用

通过参阅大量文献以及试验性计算，发现对于操作压力为近似常压的分馏塔C-3202，采用GRAYSON物性方法计算的结果与现场数据符合较好。油品闪点计算方法选用如下公式［1］：

式中TVV—闭口闪点，K；TN，10—恩式蒸馏10%（体积）点温度，K。

图1 150×104 t/a改质分馏塔模拟流程

1.4 塔板效率的选择

采用Aspen Plus流程模拟软件进行分馏塔的模拟时要将实际的塔板数折算为理论塔板数，因此需要选择合理的塔板效率。文中参考相关文献及试验计算，最终确定塔C-3202实际塔板效率见表3。侧线汽提塔C-3203、C-3204由于汽液负荷小，塔板效率低，因此侧线塔只计入2块理论板。

表3 C-3202实际塔板折算结果

1.5 模型验证

根据进料数据以及分馏塔参数建立改质分馏塔C-3202模型，将模拟结果与实测值进行对比，结果分别见表4、5。由表4、5可以看出塔参数及产品馏程模拟值与实际值基本一致，模拟精度较高、可以进行进一步的综合分析。

表4 塔模拟结果与实际值对比

表5 产品质量数据对比（ASTMD86/℃）

2 模拟与优化分析

2.1 塔底吹汽对塔操作及产品质量的影响

保持分馏塔进料温度、塔压、中段及塔底产品量等参数不变，塔底通入不同流量、温度、压力的蒸汽，模拟不同工况下分馏塔相关参数及产品性质的变化。

（1）吹汽量及吹汽温度对柴油及改质煤油闪点的影响

塔底吹汽对柴油及改质煤油闪点的影响分别图2、3。可以看出，吹汽温度对产品柴油及改质煤油的闪点影响不大，当吹汽量为2 000 kg/h、吹汽温度从185℃增至285℃时，产品柴油及改质煤油的闪点变化均小于0.5℃，因此为避免吹汽带水，塔底吹气温度只需过热即可。吹汽量对产品柴油闪点影响较大，对改质煤油的闪点影响不大，当吹汽温度为260℃时，吹汽量每增加500 kg/h，产品柴油的闪点平均增加1.05℃，改质煤油的闪点只减小了约0.13℃。目前柴油闪点平均在100℃以上，远高于指标57℃，因此分馏塔底吹汽量存在进一步降低的可能。

图2 塔底吹汽对产品柴油闪点的影响

图3 塔底吹汽对改质煤油闪点的影响

（2）吹汽量及吹汽温度对塔底温度的影响

吹气量及吹汽温度对分馏塔底温的影响见图4。可以看出，提高塔底吹汽过热温度可以提高分馏塔底温度，当吹汽量为2 000 kg/h时，吹汽温度每增加50℃，塔底温度便上升0.76℃。吹汽量对塔底温度的影响显著，吹汽量越大，塔底温度越低，越不利于柴油出装置流程能量的利用及换热。吹汽温度为260℃时，吹汽量每增加500 kg/h，塔底温度平均下降4.23℃，因此在高温天气柴油外送温度过高，出装置流程换热调节无效果时，可以考虑适当增加吹气量来降低塔底柴油温度，但这同时会增加塔顶负荷，需综合考虑。

图4 吹汽量及吹汽温度对分馏塔底温的影响

（3）吹汽量对塔顶冷却器负荷的影响

吹汽量对分馏塔顶冷却器负荷的影响见图5。可以看出塔底吹气量对塔顶冷却器负荷影响显著，整体呈现线性关系。当吹汽温度为260℃时，吹汽量每增加500 kg/h，塔顶冷却器负荷平均增加约647.9 kW，因此塔底吹汽量不宜过大。

图5 吹汽量对塔顶冷却器负荷的影响

（4）吹汽量对柴油初馏点的影响

对于产品组成已知的分馏塔体系，其塔顶、侧线以及塔底物料的流量已经确定。仅改变塔底通入的蒸汽流量，可得出塔底柴油初馏点变化曲线，见图6。由图6可知，随着塔底蒸汽流量的增加，塔底产品初馏点整体呈上升趋势，特别是在蒸汽量较小时，塔底产品初馏点上升非常明显。进一步增加蒸汽量，塔底产品初馏点上升速度变缓，最终趋于定值，由于对特定分馏塔体系，塔底产品的量及组成已知，加大蒸汽量只能达到预定的分离效果，不可能无限制地将轻组分拔出。

分馏塔塔底吹汽流量应选择在使塔底产品初馏点快速变化的区域内，既满足分馏塔分离精度的要求，又可减少塔底吹扫蒸汽量，有助于降低能耗和投资［2～4］。结合图6可以看出，当改质产品分馏塔底吹汽处于500～1 500 kg/h范围时，柴油初馏点变化速度较快。目前塔底吹汽量为2 000 kg/h，稍高于这一区间，此外目前工况下航煤充当柴油调和组分，塔底柴油初馏点未明确指定指标范围，因此塔底吹汽量还可进一步降低。

图6 吹汽量对柴油初馏点的影响

2.2 中段回流对塔操作及产品质量的影响

保持分馏塔进料温度、塔压、吹汽量及塔底产品量等参数不变，通过改变中段回流量，模拟分析不同工况下分馏塔相关参数及产品性质的变化。

（1）中段回流对塔顶冷却器负荷的影响

中段回流对塔顶冷却器负荷的影响见图7。可以看出，随着中段回流量的增加，分馏塔顶冷却器负荷显著减小，整体呈现线性递减关系，中段回流量每增加10 000 kg/h，塔顶冷却器负荷平均减小约538.3 kW。目前改质分馏塔顶空冷器有效功率为105.6 kW［5］，以此数据来计算，平均中段回流每增加1 961 kg/h，就相当于塔顶可停用一台空冷，可见节能潜力巨大。但是，中段回流也不能无限增加，一方面会造成中段回流泵超负荷运行，影响设备运行安全，另一方面也会导致循环回流上部塔段内回流减少，影响产品质量及分馏塔正常操作。

（2）中段回流对柴油及改质煤油闪点的影响

中段回流对柴油及改质煤油闪点的影响规律见图8。从图8中可以看出，中段回流量对柴油及改质煤油闪点的影响不大，当中段回流量逐渐由50 000 kg/h增加至150 000 kg/h时，柴油及改质煤油闪点几乎没有发生改变。

图7 中段回流对塔顶冷却器负荷的影响

图8 中段回流对柴油及改质煤油闪点的影响

（3）中段回流对柴油及改质煤油馏程的影响

不同中段回流量下柴油及改质煤油馏程5%、95%点的变化特点见表6。

表6 中段回流对柴油及改质煤油馏程的影响

从表6可见，中段回流量增加对产品柴油馏程的5%、95%点、改质煤油馏程的95%点几乎没有影响，对改质煤油馏程的5%点影响也极为有限。

因此，结合图7、图8的分析，可以得出中段回流只对均衡分馏塔内汽液负荷及热量分布有重要影响，适度增加中段回流量可以在不影响产品质量的同时有效降低塔顶冷却器负荷［5，6］。

2.3 进料温度对塔操作及产品馏程数据的影响

保持分馏塔塔压、中段回流、塔底吹气及塔底产品量等参数不变，通过改变分馏塔进料温度，考察不同工况下分馏塔相关参数的变化特点。

（1）进料温度对塔顶冷却器负荷的影响

产品分馏塔进料温度对塔顶冷却器负荷的影响规律见图9。可以看出，随着进料温度增加，塔顶负荷也呈线性增加，平均进料温度每增加5℃，塔顶冷却器负荷增加约705 kW左右，可见进料温度对塔顶冷却器负荷影响十分显著。

目前分馏塔进料温度为280℃，结合表7可以看出，此温度下进料汽化分率达到0.915左右，与设计进塔物流汽化分率0.808相比，目前的的气化率偏高，造成塔顶负荷相应也较高。因此，在满足产品质量的基础上还可适度降低进料温度，以便进一步降低进料加热炉燃料气耗量和塔顶空冷器冷却负荷。

表7 进料温度对汽化分率及加热炉负荷的影响

（2）进料温度对产品馏程数据的影响

不同进料温度下产品馏程数据特点见表8，9。

表8 不同进料温度对产品馏程数据的影响

表9 不同进料温度对产品馏程数据的影响

从表8，9可以看出，随着进料温度的增加，轻石脑油5%点及95%点均呈现了一定程度的下降。重石脑油及改质煤油馏程的5%点与95%点随进料温度的增加呈现相反的趋势，平均进料温度每增加10℃，重石5%点平均增加0.8℃，95%点平均下降2.3℃，改质煤油5%点平均增加0.6℃，95%点平均下降2℃。柴油5%点受进料温度影响较大，进料温度每增加5℃，柴油5%点平均增加约2℃，柴油95%点受进料温度影响不大。

从模拟计算的数据来看，之所以进料温度会导致产品馏程数据出现上述变化，主要是由于进料温度增加，原则上会造成塔顶温度上升，但是为了维持顶温不变，回流量变大，塔分离精度变高导致。进料温度对产品初、终馏点的影响见图10。

结合图10的数据来看，随着进料温度的增加，一方面会使得重石与改质煤油的馏程脱空程度增加，另一方面也会使得改质煤油与柴油的馏程重叠程度降低。目前改煤充当柴油调和组分，对煤柴油分离精度要求不高，因此可适度降低进料温度，减少瓦斯耗量。

图10 进料温度对产品初、终馏点的影响

3 结束语

（1）使用Aspen Plus软件模拟了150×104柴油加氢改质产品分馏过程，模拟结果与实际数据较为一致，模型基本反映了实际的分馏过程。

（2）分馏塔底气提蒸汽的温度对产品柴油闪点影响不大，气提蒸汽的流量应选择在使塔底产品初馏点快速变化的区域内。

（3）中段回流只对均衡分馏塔内的汽液负荷及热量分布有着重要影响。适度增加中段回流量可以在不影响产品质量的同时有效降低塔顶冷却器负荷［7］。

（4）当塔顶温度不变时，分馏塔进料温度增加，会导致重石与改质煤油的馏程脱空程度增加，改质煤油与柴油的馏程重叠程度降低。

（5）目前改质分馏塔进料温度及塔底气提蒸汽量较高，后期优化空间较大，适度降低后可有效降低装置能耗。