对加氢裂化过程理论最小能耗的分析

孙书彬，方向晨，张 英，高景山

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石化抚顺石油化工研究院, 辽宁 抚顺 113001）

对加氢裂化过程理论最小能耗的分析

孙书彬1,2，方向晨2，张 英2，高景山2

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石化抚顺石油化工研究院, 辽宁 抚顺 113001）

通过对某炼厂的加氢裂化过程理论最小能耗和实际能耗的比较，分析了产生差距的原因，为过程的节能指明了方向。首先对过程理论最小能耗进行了推导，并运用到某炼厂的加氢裂化装置，然后将求得的理论最小能耗与实际能耗作比较，最后分析导致理论最小能耗与实际能耗差别的原因并作出结论。

理论最小能耗；加氢裂化；实际能耗

炼油企业是能源密集型高耗产业，其能耗占全国工业总能耗的50%以上。我国的炼油企业中，一般复杂性炼厂能耗占到加工原油量总能耗的 8%～10%[1]，再加上近些年原油价格的不断攀升，节能工作日益得到人们的重视。过去的节能工作，通常以热力学第一定律为基础，以节省能量的数量为着眼点，而没有考虑能量的质量[2-4]，并不是真正意义上的节能。针对这一情况，出现了对用能系统进行热力学第二定律分析的方法，即火用分析法。所谓的火用分析法，是在热力学第一定律的基础上，依靠热力学第二定律，把能量数量和能量质量结合起来对过程和系统用能进行计算、分析、诊断和改进的方法[5]。化工生产需要消耗能量来完成，所消耗的能量有一个理论最低值。当以环境温度作为系统外的唯一热源时，一个过程可逆进行所消耗的功，即该过程的理论能耗或过程理想功[6]。此处的理论最小能耗为过程所必须消耗的能量，由于过程理论最小能耗没有考虑实际化工过程中的“三传一反”等单元操作过程，因而，理论最小能耗是不可能通过节能达到的。但是，通过与过程的实际能耗相结合，所得的差值可以作为衡量过程所具有的节能潜力的一个参照。

1 过程理论最小能耗的推导

设某物系的两种状态A、B，A状态的热力学参数表示为TA（温度）、PA（压力）、HA（焓）、SA（熵），B状态的热力学参数为TB、PB、HB、SB。该物系可逆地变化到与环境成平衡的状态,即寂态[7]时，用T0、P0、H0、S0等热力学参数来表示。

物系由A状态可逆地变化至与环境成平衡的状态0，物系自环境吸收热量为QA，过程的理想功为EXA，过程表示为A→0。

由热力学第一定律可得：H0-HA=QA-EXA（1）

由热力学第二定律可知，可逆过程中物系与环境的总熵变为0，故：（S0-SA）+ΔS环A=0 （2）

由热力学第二定律知，当式（2）＞0时，过程可以自发进行；式（2）＜0时，过程不能自发进行；式（2）=0时，过程达到平衡状态，即为可逆过程。可逆过程是理论上能够进行的极限过程，此时所求得的能耗即为理论最小能耗。

又过程，环境吸热为(-QA),环境温度为T0，所以：

将（2）、（3）两式代入（1）式可得：

同一物系由与环境成平衡的状态0可逆地变化至物系的另一状态B，物系自环境吸收热量为QB，过程的理想功为EXB，过程表示为0→B。

由热力学第一定律得：

由热力学第二定律可知，可逆过程中物系与环境的总熵变为0，故：

又过程，环境吸收热量为（-QB）,环境温度为T0，故：

将（6）、（7）两式代入（5）式可得：

将过程A→0与过程0→B合成为一个总过程A→B，通过将两个过程的理想功相加，即可得到该总过程的理想功，用IW表示。则：

通过式（4）、（8）、（9）可以得出：过程的理想功等于过程前后的焓差减去过程前后的熵差与环境温度之积，所得的数值只与过程的前后状态和环境温度有关，而与具体过程无关。

2 对某炼厂加氢裂化过程进行理论最小能耗的计算

伴随着世界经济的高速发展，各个国家对原油，尤其是轻质燃料油的需求量迅速增加，但是，世界原油储量中，浅层好开采的轻质低硫原油越来越少，深层的重质高硫的原油越来越多。另外，进入 21世纪以来，世界各国更加注重可持续发展，发展经济的同时，环境保护越来越受到重视，清洁油品的生产已是大势所趋，油品的质量变得越来越严格。

加氢裂化技术是深度加工重质油的主要生产工艺，并且是唯一能在原料轻质化的同时直接生产车用清洁燃料和优质化工原料的工艺技术。由于加氢裂化技术具有可加工的原料范围广、原料适应性强、产品方案灵活、产品质量好及液体产品收率高等特点，能够将各种重质、劣质原料直接装化为市场急需的优质喷气燃料、柴油、润滑油基础油以及化工石脑油和尾油蒸汽裂解制乙烯原料等[8,9]。加氢裂化这一重要的二次加工手段越来越受到重视，生产能力也连年上升。截止2012年，全球加氢裂化装置总加工能力已达278 Mt/a以上，占原油一次加工能力的6.26%[10]。

但是，加氢裂化过程反应条件十分苛刻：高温、高压、临氢，反应过程中需要对物流进行加热、升压，工艺耗能高，加氢裂化装置是炼厂耗能最大的装置之一。据统计，加氢裂化装置的能耗占到了炼油综合能耗的6%～10%[11]。因而，分析加氢裂化装置的用能状况，探讨相关的节能措施，对于节能降耗、提升生产效益具有十分重要的意义。

某炼厂150万t/a的加氢裂化装置采用单段两剂全循环的加工工艺，现将上述的推导公式运用到该过程。其中，与计算相关的进料、出料性质如下列各表所示（原料油和外排尾油的蒸馏数据采用ASTM D1160标准测得，其它油品的蒸馏数据采用ASTM D86标准测得）,见表1-5。

表1 原料油料性质Table 1 Properties of feed

表2 新氢性质Table 2 Properties of new hydrogen

表3 物料平衡表Table 3 Material balance

表4 各馏分油性质Table 4 Properties of distillates

表5 酸性气、脱硫干气、液化气性质Table 5 Properties of sour gas, dry gas, liquid hydrocarbon

利用表格中的物流数据，并借助Aspen Plus软件可以得到各物流的焓值、熵值，结果整理如表6。

运用以上数据，进行下列计算：

式中：H入—入方物流总焓，J/h；

Qi入—入方物流i的质量流率,kg/h；

Hi入—入方物流i的焓，J/Kg；

S入—入方物流总熵，J/h-K；

Si入—入方物流i的熵，J/kg-K。

表6 各物流的焓、熵Table 6 Enthalpys and entropys of streams

式中：H出—出方物流总焓，J/h；

Qi入—出方物流i的质量流率,kg/h；

Hi出—出方物流i的焓，J/kg；

S出—出方物流总熵，J/h-K；

Si出—出方物流i的熵，J/kg-K；

过程前后焓差：

过程前后熵差

将计算所得出的数值代入公式

可以求得过程的理论能耗为

将过程的理论能耗折合标油为-6.986 kgEo/t[12]。

3 能耗分析

由以上分析可知，所求的过程理论最小能耗为-6.986 kg Eo·t-1，理论最小能耗为负值，说明理想情况下体系将向外界做功。该炼厂加氢裂化过程的实际能耗为26.89 kg Eo·t-1，实际能耗为正值，说明实际情况下，外界对体系做功，即外界需对体系提供能量。

理论最小能耗是只与过程所涉及的原料和产品的状态和环境温度相关的一个物理量。在实际生产过程中，从原料到产品必须要借助于各种各样的设备，而设备的运转是以消耗能量为代价的。在炼厂中，能量通常是以燃料气或燃料油、水、电、蒸汽的形式被消耗。以该加氢裂化过程为例：燃料气（即瓦斯）主要消耗在氢气加热炉、第一分馏塔底重沸炉和第二分馏塔底重沸炉上；水主要消耗于新氢压缩机一级出口冷却器、热低分气冷却器、冷高分气冷却器、主汽提塔顶后冷器、脱丁烷塔顶后冷器、脱乙烷塔顶冷却器、石脑油分馏塔顶后冷器、重石脑油冷却器等冷却器上；电主要消耗在新氢压缩机、原料油泵、柴油泵、第一分馏塔重沸炉泵、第二分馏塔重沸炉泵及未转化油泵等机泵设备上；蒸汽主要分为3.5 MPa蒸汽和1.0 MPa蒸汽两种，其中，3.5 MPa蒸汽主要用于主汽提塔汽提和循环机透平，由3.5 MPa蒸汽经过汽轮机透平减压得到的1.0 MPa蒸汽主要消耗在第二分馏塔顶抽空真空系统及伴热等方面。该加氢裂化过程的能源使用结构[13]如表7所示：

表7 加氢裂化装置能源使用结构Table 7 Structure of energy consumption in hydrocracking process

由表7可知，该加氢裂化过程的能源使用中，仅蒸汽、电和瓦斯三项就占到了总能源消耗的96.28%，因而，节能工作应主要从节省蒸汽、电及瓦斯着手。

然而，对能量的分析不能仅仅停留于此。以上对加氢裂化过程中能量消耗以水、电、蒸汽、燃料气或燃料油的形式进行分析，只是从消耗能量的数量上进行的。如果就此进行节能，只能是能量数量上的节省，并非真正意义上的节能。实际上，不同形式的能量在质量上是不同的。因此，我们还需在此基础上，从有效能（即火用）的角度对能量使用情况进行更深层次的分析。

过程的理论最小能耗即是从有效能的角度对过程进行的分析。过程的理论最小能耗只是与原料和产品的状态及环境温度相关的物理量，而实际化工过程中，从相同的原料得到相同的产品，能耗之所以不同，是因为不同的制备过程所采用的催化剂、工艺路线、操作参数及设计水平不同。由上文中对加氢裂化过程的最小理论能耗分析可知，该过程本应是产功过程，但由实际能耗可知，过程不但没有产功反而需要环境对其提供能量。所以，实际能耗在理论最小能耗基础上，还需综合考虑具体过程才可以得到。理论最小能耗是理想条件下的最小能耗，实际生产上是永远达不到的。然而它可以作为节能极限的一个参考，并给我们指出了实际生产过程存在的差距和我们工作应当努力的方向。

4 结论与展望

前面我们对最小理论能耗进行了推导，并对某炼油厂加氢裂化装置进行了计算，这只能是对化工过程进行用能分析的第一步，在此基础上我们还应当对实际过程所涉及到的传热、传质、流体的输送、变温、变压过程及化学反应等单元操作进行有效能的分析。将两步分析所得值再与实际能耗进行比较才能进一步确定节能的潜力及工作的着力点。

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Analysis on Theoretical Minimum Energy Consumption of Hydrocracking Process

SUN Shu-bin1,2，FANG Xiang-chen2，ZHANG Ying2，GAO Jing-shan2
（1. School of Petrochemical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China)

Based on the comparison between the theoretical minimum energy consumption and the actual energy consumption of a refinery hydrocracking unit, the reasons to cause the gap were analyzed, which could provide the direction for energy saving. At first, the theoretical minimum energy consumption was derived and applied to a refinery hydrocracking unit. Then the theoretical minimum energy consumption was compared with the actual energy consumption of the same process. At last, the reasons leading to the differences between the theoretical minimum energy consumption and the actual energy consumption were analyzed, meanwhile the conclusion was drawn.

Theoretical minimum energy consumption; Hydrocracking; Actual energy consumption

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2279-04

2014-04-03

孙书彬（1987-），男，山东德州人，硕士学位，2014年毕业于辽宁石油化工大学化学工程专业，研究方向：化工过程的能量分析。E-mail：dzsunshubin@163.com。