常减压蒸馏装置流程模拟及优化研究

沈 鑫 俞 辉 赵英凯 李丽娟

(南京工业大学电气与自动化学院，江苏 南京 210009)

0 引言

流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，能为工程设计和流程分析等提供强有力的工具。它既可以判断一个装置性能的优劣，也可以对开发新的工艺提供可靠的预测，有助于研究人员提高工作效率。

常压塔各个侧线产品的质量难以在线测定，且各个侧线产品的抽出量与温度之间耦合严重。为保证产品质量，实际生产中各侧线产品的抽出量比较保守，这就导致收率较低。

基于以上问题，以某炼油厂原油蒸馏装置为工程背景，研究了初馏塔和常压塔的流程模拟问题，建立了符合实际的机理模型;并在此基础上，优化了操作条件，实现了常顶石脑油和常一线产品之间的清晰切割。

1 工艺流程模拟

1.1 流程模拟实验准备

加工原油为沙特轻质油(原油性质)，处理量取350万t/a，脱后原油含水0.2%，初馏塔塔顶压力为0.19 MPa，常压塔塔顶出口温度为110℃，塔顶压力为0.12 MPa，常压塔设置有常一线、常二线和常三线共3个侧线抽出。

1.2 工艺分析

常减压蒸馏是原油加工的第一道工序。根据原油中各组分的沸点(挥发度)不同，采用加热的方法从原油中分离出各种石油馏分的装置称为常减压蒸馏装置。常压蒸馏法蒸馏出低沸点的汽油、煤油和柴油等组分，而沸点较高的蜡油和渣油等组分则被留在未被分出的液相中。将常压渣油经过加热后，送入减压蒸馏系统，使常压渣油在避免裂解的较低温度下进行分馏，分离出润滑油料和催化料等二次加工原料，剩下组分进行减压渣油。

精馏系统中的各种原油精馏塔具有相同的工艺特点，其根本特点是原油精馏塔处理的是复杂混合物——原油，生产的也是复杂混合物——各种馏分产品。在常减压装置的常压蒸馏系统中，原油被切割成常顶石脑油，常一、常二、常三线油以及常压重油等5种产品。按照多元精馏原理，需要使用4个精馏塔才能够把这些产品分离出来，所以常压塔是由4个精馏塔逐级叠加而成的复合塔［1］。

初底油在常压炉中加热到进料温度后进入常压塔，进料温度应根据炼制原油的性质(如原油实沸点曲线等)、各馏分产品的质量要求(如干点)、过汽化度要求及汽化段的油汽分压来决定。进料温度太高会浪费能量，且会增加塔的汽相负荷，降低塔的处理量;而进料温度太低，则会造成轻油收率下降。在实际生产过程中，常压炉出口温度总是加热到最高限度，以保证足够的汽化率和稳定装置操作，但这会导致塔的能耗增大、效率降低。

为了保证各馏分产品的质量，通常在常压塔旁设置汽提塔，采用过热水蒸气汽提，以降低侧线产品中轻质组分的含量;在常压塔底注入过热水蒸气，从而降低油汽分压，帮助塔底重油中轻质油的汽化，同时提高进料在汽化段中的汽化率和馏分油的收率。由于水的分子量较油品的分子量要小得多，少量的汽提蒸汽具有较大的体积，如果不控制汽提蒸汽量，它将在相当大程度上加大常压塔的汽相负荷。

在实际生产过程中，汽提蒸汽的量由操作人员根据经验进行调整。

由于常压塔塔底无再沸器，进塔热量主要由进料带入，因此，回流比对常压塔的精馏效果影响很大。如果塔顶的回流量过大，则过量的液相回流会使塔内各个部位的蒸汽过多冷凝，造成塔内各处的温度普遍下降，产品组成普遍变轻，馏出油收率下降，常压重油中所含轻质油的含量增高;反之，塔内各点温度会全面上升，分馏精确度下降，产品的馏分组成变重，产品不合格。常压塔有塔顶循环回流，中部有常一、常二中段循环回流，可克服常压塔汽、液负荷分布的不均匀性［2］。

1.3 流程模拟方法

1.3.1 物性方法选择

物性集是Aspen Plus用于计算热力学性质和传递性质的方法和模型的集合［3］。选择合适的物性集是模拟结果正确与否的关键。

在化工过程模拟中，常用的物性方法有以下4种:BK-10法、CHAO-SEA法、GRAYSON法和MXBONNEL法。BK-10法通常用于真空或低压状态，CHAO-SEA法和GRAYSON法通常用于高压情形，GRAYSON法是在富氢体系中应用范围最广的方法，MXBONNEL法适用于乙烯过程等轻烃类的混合物体系。

本文针对常减压装置进行流程模拟，初馏塔和常压塔是基于常压工作，而减压塔的压力远远低于常压，因此，对于各塔的计算均选择BK-10法。

1.3.2 收敛方法选择

Aspen Plus提供的收敛方法有WEGSTEIN法、DIRECT法、割线法、BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法和SQP法等。不同的模块采用不同的收敛方法，本文流程模拟计算的收敛方法采用WEGSTEIN方法。这种方法可同时运用于任何数目的流股，而且具有快速可靠的特点，适用于常减压装置的计算。

1.4 初馏、常压塔模拟

1.4.1 初馏塔模型

初馏塔过程流程如图1所示。

图1 初馏塔过程流程图Fig.1 Flowchart of forerunning tower

图1中:MIXOIL为脱盐脱水后的进料流股;PDUSTM为初馏塔塔底蒸汽;SOW为含硫污水;NAPHTHA为初顶石脑油;SIDE-OUT为初馏塔侧线抽出流股;CDU-FEED为常压塔的进料流股。

由图1可知，初馏塔选用带有塔顶冷凝器的塔模型，没有塔底再沸器，并设置有两个中段循环。

1.4.2 常压塔模拟

常压塔过程流程如图2所示。

图2 常压塔过程流程图Fig.2 Flowchart of atmospheric tower

图2中:CU-STM1、CU-STM2、CU-STM3分别为常一线、常二线、常三线汽提蒸汽;CHANG-1、CHANG-2、CHANG-3分别为常一线、常二线、常三线产出;REDCRD为常底油;CU-TOPVA为自常压塔顶回流缸出来的气体;CTOP-TDW为常顶油至脱于烷塔进料缓冲罐;CU-WATER为塔顶污水;HNAPHTHTHA为常顶石脑油;CPU-STM为塔底蒸汽。

常压塔选用带有常压炉、塔顶冷凝器和汽提蒸汽塔的塔模型，没有设置塔底再沸器，但设置有3个中段循环。常压塔在设计时采用二级冷凝，其中，第一级冷凝可以由塔顶冷凝器来模拟计算，对于第二级冷凝器则由闪蒸模块(V2104)进行计算。闪蒸模型代表单级分离器，如排空罐。这些模型根据设定进行相平衡闪蒸计算，可以进行绝热、等温、恒温恒压、露点或泡点闪蒸计算。由于很难找到比常减压装置中塔底油温高的介质，而过热蒸汽却很容易获得，所以在常减压装置中一般都采用经过加热炉对流段加热的0.3～0.6 MPa、400～450℃的过热蒸汽作为汽提介质。但采用蒸汽汽提会使塔内汽相负荷增加，影响塔的处理能力。

侧线汽提塔可以看作是只有提馏段的蒸馏塔。侧线产品自汽提塔顶部进料，汽提塔底部通入过热蒸汽，将产品中的轻组分蒸发出去，通过气相回到主塔里，以提高侧线产品的初馏点和闪点。在常减压装置中，提馏的方法大多采用蒸汽汽提。当向汽提塔塔底通入过热蒸汽时，自下往上的蒸汽和从上往下流的液相重组分逆流接触，降低了气相的油气分压，使得被提馏油品中的轻组分汽化上升并返回主塔，从而达到了提馏的目的。

1.5 模拟计算结果

本文对实际工况进行了流程模拟计算。实际工况流程模拟模型是根据所炼原油和各种操作条件的不同来调节塔模型的参数，得到能够良好描述实际生产过程的流程模拟模型。由于实际生产过程是一个动态过程，因此在工况的选取上尽可能选用操作稳定的工况，并采用一段时间内的平均值作为模型的输入，以提高模型的准确性［4］。

根据工厂的工艺指标，产品质量主要体现在产品的闪点、初馏点和终馏点等，一般而言，产品质量指标衡量的标准主要是产品的终馏点。在已建立的流程模拟模型中输入相关现场数据，终馏点模拟结果比较，温度、压力及质量流量数据比较分别如表1、表2所示。

表1 终馏点模拟结果比较Tab.1 Comparison of simulation results of final boiling point

表2 温度、压力及质量流量数据比较Tab.2 Comparison of temperature、pressure and mass flow

由表1、表2可知，模拟计算结果中主要产品干点基本上与实际工况运行的结果相吻合。这说明该模型可以很好地体现常减压装置实际运行的状况，具有较高的精度和准确性，从而为操作人员提供了指导，为生产提供了科学准确的参考。

2 操作条件优化

2.1 灵敏度分析工具

Aspen Plus中的灵敏度分析工具是用来研究当某一流股或操作条件(如温度、压力、汽提蒸汽流量、循环回流取热等)发生变化时，出口质量指标将如何进行变化的一种手段［6］。灵敏度工具可以方便地确定产品质量指标等对关键操作变量和设计变量的响应，即确定一个或多个流股变量变化对其他流股变量造成的影响。这是一种形式为“If…Then”的研究工具，可以使用灵敏度分析工具来验证设计指标在操作变量的变化范围内是否有解，也可以用来处理一些过程优化问题。

2.2 序贯二次规划算法

在对常减压装置的流程模拟计算中，本文选择了快速可靠的Wegstein方法;而对于操作优化，本文选择采用序贯二次规划(sequential quadratic program，SQP)算法。它是优化操作的默认算法，用于等式或不等式约束的流程优化问题。

在化工过程的优化问题中，SQP算法的应用越来越广泛，给复杂大系统的模拟与优化设计带来了突破性的进展。

2.3 产品分离技术结果

在实际生产过程中，一般使用脱空度和重叠度来衡量精馏塔的分离精度［7］。脱空是指上下两个侧线的馏程没有交叉，通常采用上一侧线95%点和下一侧线的5%点之间的温度差来表示。如果两点交叉，则称之为重叠。从蒸馏的目的来说，各产品之间最好都能脱空［8］。

为了得到分布相对狭窄的侧线产品，实现降低各侧线产品之间重叠度甚至脱空的优化目标，本文应用Aspen Plus灵敏度分析工具来研究常顶石脑油采出流量、常一线采出流量和常一线汽提蒸汽流量分别对常顶/常一线产品重叠度的影响，即选择常顶石脑油采出流量、常一线采出流量和常一线汽提蒸汽流量为调节变量，常顶95%点和常一线5%点为输出变量进行单变量灵敏度分析，分析结果如图3所示。

图3 分析结果Fig.3 Analyzing results

由图3(a)可知，随着常顶采出流量的增加，常顶95%点和常一线5%点温度同时升高，但常一线5%点温度比常顶95%点温度升高得更快，因而其重叠度随常顶产品流量增加而降低。随着常一线采出流量的增加，常一线5%点温度略有增加，而常顶95%点温度基本不变;随着常一线汽提蒸汽流量增加，常顶95%点温度下降，而常一线5%点温度则是迅速增加。

由图3(b)可知，从增加常顶采出量对常顶95%点和常一线5%点的影响可知，两者基本上随常顶采出量增加呈线性升高关系，只是常一线5%点升高得更快。其原因在于常顶采出量增加，使得常顶产品中沸点高的组分增加，而一线产品中沸点低的组分减少;增加一线产品采出流量则会使其中重组分含量增加，一线产品5%点温度也将相应增加，而常顶产品95%点则基本不受影响。因而增加常顶产品采出量和一线产品采出流量均对降低常顶产品/一线产品重叠度的作用有限。

由图3(c)可知，汽提蒸汽流量从零逐渐增加到300 kg/h时，常一线5%点温度显著升高，常顶95%点温度也有较大降低;但是当汽提蒸汽流量进一步增加时，常一线5%点仍有明显升高，而常顶95%点却已经没有明显变化。这是因为常一线汽提蒸汽流量增加会降低常一线汽提塔中油气分压，使得油气中的轻组分更容易被汽提到常顶产品中，常顶产品的95%点也就自然会有所降低，因而增加汽提蒸汽流量可以优化分离效果。

研究结果表明，提高一线汽提蒸汽流量对降低常顶石脑油/常一线油重叠度效果显著，甚至能达到脱空的效果。

3 结束语

本文按照实际生产工艺参数，对初馏塔和常压塔进行了流程模拟，并按照工艺机理，选择BK-10状态方程和Wegstein收敛算法［9］对其进行分段模拟，最终模拟计算的结果与实际工艺质量指标大致符合。同时，研究了常顶石脑油采出流量、常一线采出流量和常一线汽提蒸汽流量分别对常顶/常一线产品重叠度的影响［10－11］。

利用该结果可以有效地指导生产，对提高产量以及侧线产出优质的产品有着积极的指导意义。

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