降低催化裂化干气中C3+含量的模拟与优化

张德智，穆林森

（1.中国石油规划总院，北京 100083；2.中国石油商业储备油分公司，北京 100007）

丙烯主要的生产途径之一是催化裂化［1］。降低催化裂化干气中C3+含量是提高丙烯产量的有效措施，而吸收稳定系统是影响干气组成的关键操作单元。某催化裂化装置在运行过程中进行生产负荷的调整，干气中含有大量C3+组分。为了回收干气中的丙烯和丙烷，使用先进的流程模拟软件AspenHYSYS 模拟分析了吸收稳定系统中的主要工艺操作变量，优化了主要工艺操作条件，有效降低了干气中C3+的含量。

流程模拟技术在炼化过程中的优化应用［2］，已被证明是提高企业效益的有效手段。

1 吸收稳定系统模型的建立

1.1 物性方法选择

物性方法的选择是应用流程模拟软件的关键步骤。在化工热力学中的物性模型中，主要包含状态方程模型和活度系数模型。

AspenHYSYS软件是AspenTech公司研发的工程套件产品，它拥有强大热力学物性计算性能［3］，还有理想模型和特殊体系的特殊模型［4］。由于研究体系的复杂性，目前还没有1种物性方法能够完美地适用于任何体系。针对不同的体系、物性环境和工艺流程需要选择不同的物性方法［5，6］。石油炼制体系一般采用的是Peng-Robinson、SRK、BraunK10 和GraysonStreed 等方法。AspenHYSYS中还包含了选择物性方法的引导工具，方便用户使用。文中选用了Peng-Robinson物性方法。

1.2 模型建立

基于140×104t/a催化裂化装置的工艺原则流程图和实际生产运行数据，利用AspenHYSYS搭建吸收稳定模拟模型，流程见图1。

图1 吸收稳定模拟流程

由于4 塔都是板式塔，进行塔模拟时，可根据需求设定塔板数，亦可把实际板转化为理论板进行模拟计算。根据塔板效率的选取经验，吸收塔全塔塔板效率为20%～30%，解吸塔为40%～50%，稳定塔为75%～80%，再吸收塔为20%～25%［7］。

基于实际塔板数和塔板效率范围，经模型核算，确定4塔理论塔板数：吸收塔实际塔板数36，总塔板效率28%，理论板数10；解吸塔实际塔板数36，总塔板效率39%，理论板数14；再吸收塔实际塔板数30，总塔板效率27%，理论板数8；稳定塔实际塔板数46，总塔板效率78%，理论板数36。

2 干气中C3+含量的模拟优化分析

2.1 补充吸收剂流量对干气中C3+的影响

基于吸收稳定系统模型，当补充吸收剂流量从15 t/h增至24 t/h时，干气中C3+体积含量、液化气量、稳定汽油量、干气量、吸收塔1中负荷、吸收塔2中负荷、解吸塔热负荷、稳定塔底热负荷、稳定塔顶冷凝负荷、吸收稳定系统泵总功率、液化气中C5+含量、液化气中C1+C2含量和稳定汽油蒸汽压等相关变量的计算数据见表1。

表1 补充吸收剂流量的模拟计算数据

由表1可知，干气中C3+体积含量由5.29%降至2.61%；液化气量由34.5 t/h 增至35.1 t/h；稳定汽油量维持在68.2 t/h；干气量由6.9 t/h 降至6.4 t/h；吸收塔1中取热负荷由547.2 kW 增至630.0 kW；吸收塔2中取热负荷由372.6 kW 增至388.2 kW；稳定塔塔底热负荷由8 516.5 kW 增至9 401.9 kW；稳定塔顶冷负荷由9 724.8 kW 增至9 976.3 kW；解吸塔热负荷由5 286.6 kW 增至5 826.9 kW；吸收稳定单元的泵总功率由72.5 kW 增至81.1 kW；液化气中C5+质量含量由1.353%增至1.520%；液化气中C1+C2质量含量由0.018%增至0.036%和保持稳定汽油蒸汽压为66.4 kPa不变。

通过模拟计算补充吸收剂流量增大，1 方面可以降低干气中C3+含量，另1 方面稳定塔塔底热负荷、塔顶冷负荷将会增大，解吸塔的负荷增大，吸收塔1 中取热负荷、2 中取热负荷增大。补充吸收剂量对干气中C3+的影响见图2。

图2 补充吸收剂流量对干气中C3+含量的影响

由图2 可以看出，补充吸收剂流量与干气中C3+含量基本成反比的关系。补充吸收剂流量超过22 t/h时，曲线斜率变化缓慢，说明在此区间内补充吸收剂流量对干气中C3+吸收效果降低。通过模拟分析，建议调整补充吸收剂流量为22 t/h。

2.2 解吸塔冷热进料比例对干气中C3+的影响

通过模型调整解吸塔冷热进料比例，当比值从0.1增至0.8时，其它参数变化情况见表2。

从表2可以看出，干气中C3+体积含量由2.83%增至2.92%；稳定塔塔底热负荷由8 544.2 kW 增至8 560.8 kW；稳定塔顶冷负荷由9 722.6 kW 降至9 666.9 kW；解吸塔负荷由5 258.7kW 增至7 962.6kW；吸收塔1 中取热负荷由585.7 kW 增至597.9 kW；吸收塔2 中取热负荷由377.8 kW 增至396.4 kW；液化气量由35.15 t/h降至34.97 t/h；稳定汽油量为68.2 t/h；干气量由6.46 t/h 增至6.56 t/h；吸收稳定系统的泵总功率维持在87.3 kW；液化气中C5+质量含量是1.456%不变；液化气中C1+C2质量含量由0.212%降至0.004%，稳定汽油蒸汽压是66.45 kPa不变。

通过模拟计算分析可知，解吸塔冷热进料比值增大过程中，吸收塔1 中、2 中的取热负荷微增，解吸塔再沸器负荷增大，稳定塔塔底热负荷微增，稳定塔塔顶冷凝负荷微降，液化气中C1+C2的含量降低最为显著。解吸塔冷热进料对干气中C3+含量的影响见图3。

图3 解吸塔冷热进料对干气中C3+含量的影响

由图3 可以看出，热进料有利于干气中C3+含量降低，并且对装置能耗是有利的。

通过模拟计算分析，建议保留实际生产中解吸塔冷热进料0.12比值。

2.3 贫吸收油流量对干气中C3+的影响

在模型中设定贫吸收油进塔温度为30 ℃，调整贫吸收油量从20 t/h 增至30 t/h，模拟计算相关变量的数据见表3。从表3 可知，干气中C3+体积由3.31%降至1.84%；稳定塔塔底热负荷8 517.4 kW变化不大；稳定塔塔顶冷负荷9 769.5 kW 变化不大；解吸塔负荷5 233.9 kW 变化不大；吸收塔1 中取热负荷597.5 kW变化不大；吸收塔2中取热负荷386.7 kW 变化不大；液化气量34.9 t/h变化不大；稳定汽油量68.2 t/h 变化不大；干气量6.6 t/h 降至6.2t/h；吸收稳定单元的泵总功率83.3 kW 维持不变；液化气中C1+C2质量含量未变；稳定汽油蒸汽压是66.4 kPa 不变；吸收塔顶、塔底温度变化很小。所以，调整贫吸收油的影响最大的是干气中C3+含量。

表3 贫吸收油流量的模拟计算数据

模拟分析干气中C3+组分的变化趋势，见图4。

图4 贫吸收油量对干气中C3+含量的影响

当贫吸收油入塔量从20 t/h 增至30 t/h 时，干气中C3+组分体积含量由3.31%降至1.84%。可见增大贫吸收油的量可降低干气中C3+组分含量。

2.4 吸收稳定模拟优化结果

设定3种方案。补充吸收剂流量分别18.0 t/h、22.0 t/h 和22.0 t/h；贫吸收油流量分别为25.0 t/h、25.0 t/h 和30.0 t/h。利用AspenHYSYS 的塔水力学核算功能，在确保吸收塔、再吸收塔、解吸塔和稳定塔负荷性能的正常前提下，模拟计算了3种优化方案，详细数据见表4。

表4 吸收稳定系统降低C3+优化方案

（1）方案1。在确保稳定汽油和液态烃产品质量下，干气中C3+含量降至2.805 %，液态烃多产0.272 t/h，回收丙烯0.163 2 t/h，回收丙烷0.031 9 t/h，回收重C40.151 5 t/h；

（2）方案2。在确保稳定汽油和液态烃产品质量下，干气中C3+含量降至2.049%，液态烃多产0.484 t/h，回收丙烯0.232 2 t/h，回收丙烷0.044 3 t/h，回收重C40.159 8 t/h；

（3）方案3。在确保稳定汽油和液态烃产品质量下，干气中C3+含量降至1.595%，多产液态烃0.484 t/h，回收丙烯0.265 8 t/h，回收丙烷0.050 8 t/h，回收重C40.177 94 t/h。

3 种方案中，均出现吸收塔中段取热负荷增大、解吸塔再沸器负荷增大、稳定塔再沸器负荷和塔顶冷凝负荷增大等现象。

3 结束语

针对催化干气中C3+含量偏高的生产问题，利用吸收稳定模型完成关键操作参数优化分析，得出调整补充吸收剂量和贫吸收油量是当前工况下降低干气中C3+含量的可行措施。在保证4 塔正常操作工况下，如果补充吸收剂流量增至18.0 t/h 和贫吸收油流量为25.0 t/h，干气中C3+含量可降至2.805%；如果补充吸收剂流量增至22.0 t/h 和贫吸收油流量25.0 t/h，干气中C3+含量可降至2.049%；如果补充吸收剂流量22.0 t/h 和贫吸收油流量为30.0 t/h，干气中C3+含量可降至1.595%。