石化厂气体分馏装置工艺的模拟优化模板.doc

《化工过程模拟和优化》设计汇报

某石化厂气体分馏装置工艺模拟优化

指导老师：钱宇 教授

学生：吕向红 王政

.12.22

某石化厂气体分馏装置工艺模拟优化

摘要　针对某石化厂气体分馏装置工艺步骤进行了模拟计算，分析并提出了降低各塔热负荷优化方案，进行了优化计算，并和优化前进行了比较，结果表明，优化方案可行并有效，降低了热负荷，提升了经济效益。
关键词　气体分馏　　丙烯　优化方案　热负荷 提升效益

一.序言
近20多年来， 受两次能源危机影响和经济全球化制约， 中国炼油企业节能工作逐步向广度和深度发展， 取得了很大成绩， 关键工艺装置能耗大大降低， 如常减压蒸馏、焦化等， 中国优异装置能耗基础靠近世界优异水平， 但从炼油厂整体来看， 加工单位原油能耗还比国外高出不少， 具体表现在全厂蒸汽动力系统、原料和产品储运系统及其它系统(包含厂区采暖、空调等等)能耗高， 关键原因是全厂各工艺装置间及装置和这些系统间缺乏热联合， 缺乏对大系统能源总体优化利用考虑。
丙烯是关键化工原料，多年来伴随聚丙烯工业发展和车用液化气不停推广应用，市场对高纯度丙烯、丙烷需求日趋扩大。优化操作并合理回收丙烯，得到高纯度丙烯可带来可观经济效益。
充足利用已经有设施，经过方案优化，在不改变主产品丙烯纯度条件下，降低各塔热负荷用量，从而降低共用工程用量，提升生产过程经济效益，含有较大意义。
本模拟优化设计是应用Aspen Plus化工模拟软件针对广州某石化厂实际气体分馏工艺装置而进行模拟优化工作。

二．步骤描述
本步骤是某石化厂气体分馏装置工艺步骤，1985年设计投入使用，原料是来自催化裂化装置液化气（气体组成如表2.1所表示 ），液化气由蒸气加热器Ｂ1预热到87℃，由泵打入脱丙烷塔Ｂ2，操作压力20KG/cm2，温度48℃，塔顶产物为乙烷、丙烷和丙烯混合物（组成见表2.2），塔底产物碳四、碳五组分，组成见表2.3 。Ｂ2塔顶馏出物进入脱乙烷塔Ｂ3，在压力为30Kg/cm2、温度59℃下操作，塔顶主产物为乙烷，组成见表2.4，塔底产物关键为丙烷和丙烯，组成见表2.5。Ｂ3塔顶产物放空，Ｂ3塔底产物进入丙稀塔Ｂ4，操作压力15Kg/cm2，温度30℃。塔B4塔顶产物是精丙烯，组成见表2.6，纯度为99.6％，塔底主产物为丙烷，组成见表2.7。脱丙烷塔塔底产物泵入脱戊烷塔，操作压力7Kg/cm2，操作温度为56℃，塔顶产品组成见表2.8，塔底主产品为戊烷组成见表2.9。具体步骤见图2.1。

图2.1 某石化厂气体分馏装置工艺步骤简图

B1 加热器 B2 脱丙烷塔

B3 脱乙烷塔 B4 丙烯塔

B5 脱戊烷塔 B6 泵

B7 泵 B8 泵

B9 加热器 B10 加热器

表2.1原料气组成
组成
kmol／h
Mol%
C20
2.91
0.86
C3=
113.18
33.49
C30
34.02
10.07
iC40
64.74
19.16
C4=-1
20.50
6.06
iC4=
30.75
9.10
TC4=-2
29.86
8.84
nC40
15.49
4.58
C-C4=
21.83
6.46
nC50
4.68
1.38
累计
337.96
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
40
Ｐ
10.3
Ｍav
50.68
G
17128

表2.2脱丙烷塔塔顶馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C20
2.91
1.94
C3=
113.08
75.27
C30
33.84
22.52
iC40
0.35
0.23
C4=-1
0.02
0.01
iC4=
0.04
0.03
累计
150.24
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
48.9
Ｐ
20
Ｍav
42.35
G
6363
e
0

表2.3脱丙烷塔塔底馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C3=
0.10
0.05
C30
0.18
0.10
iC40
64.39
34.30
C4=-1
20.48
10.91
iC4=
30.71
16.36
TC4=-2
29.86
15.91
nC40
15.49
8.25
C-C4=
21.83
11.63
nC50
4.68
2.49
累计
187.72
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
106.7
Ｐ
20.5
Ｍav
57.35
G
10765

表2.4脱乙烷塔塔顶馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C20
2.90
31.39
C3=
5.63
60.93
C30
0.71
7.68
累计
9.24
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
59.1
Ｐ
30
Ｍav
38.46
G
356
e
100

表2.5脱乙烷塔塔底馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C20
0.01
0.01
C3=
107.46
76.21
C30
33.13
23.49
iC40
0.35
0.25
C4=-1
0.02
0.01
iC4=
0.04
0.03
累计
141.01
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
70.1
Ｐ
30.4
Ｍav
42.6
G
6007
e
0

表2.6丙烯塔塔顶馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C20
0.01
0.01
C3=
106.69
99.51
C30
0.71
0.48
累计
107.21
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
34.3
Ｐ
15
Ｍav
42.09
G
4512

表2.7丙烯塔塔底馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C3=
0.77
2.28
C30
32.62
96.50
iC40
0.35
1.04
C4=-1
0.02
0.06
iC4=
0.04
0.12
累计
33.80
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
46.5
Ｐ
16.2
Ｍav
44.22
G
1495

表2.8脱戊烷塔塔顶馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
C3=
0.10
0.06
C30
0.18
0.10
iC40
64.35
35.63
C4=-1
21.36
11.28
iC4=
30.57
16.94
TC4=-2
29.01
16.08
nC40
15.03
8.33
C-C4=
20.89
11.57
nC50
0.02
0.01
累计
180.45
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
56.2
Ｐ
7
Ｍav
56.98
G
10282

表2.9脱戊烷塔塔底馏分组成
组成
kmol／h
Mol%
iC40
0.10
1.38
C4=-1
0.12
1.65
iC4=
0.15
2.06
TC4=-2
0.85
11.69
nC40
0.46
6.33
C-C4=
0.94
12.93
nC50
4.65
63.96
累计
7.27
100
工艺参数
Ｔ(ºc)
87.7
Ｐ
7.3
Ｍav
66.53
G
483

三．工艺步骤模拟

3.1.用Aspen Plus软件模拟工艺步骤
利用Aspen Plus所建立模拟步骤以下图（图3.1）。

图3.1 某石化厂气体分馏装置模拟步骤

B1 蒸汽加热器 B2 脱丙烷塔
B3 脱乙烷塔 B4 丙稀塔
B5 脱戊烷塔 B6 B7 换热器

3.2模拟结果
对以上步骤进行了模拟计算，并和设计数据进行了比较，结果表明模拟数据和设计值很靠近（结果见表3.1—3.8），很好地反应了本步骤，所以能够以此进行后续优化计算。

表3.1脱丙烷塔塔顶馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C20
2.91
2.906
1.94
1.9
C3=
113.08
113.14
75.27
75.3
C30
33.84
33.96
22.52
22.6
iC40
0.35
0.17
0.23
0.01
C4=-1
0.02
0.02
0.01
0
iC4=
0.04
0.043
0.03
0
累计
150.24
150.239
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
48.9
47.7
Ｐ
20
20.3
Ｍav
42.35

G
6363
6359.7

表3.2脱丙烷塔塔底馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C3=
0.10
0.039
0.05
0
C30
0.18
0.07
0.10
0
iC40
64.39
64.58
34.30
34.4
C4=-1
20.48
20.46
10.91
10.9
iC4=
30.71
30.71
16.36
16.4
TC4=-2
29.86
29.87
15.91
15.9
nC40
15.49
15.48
8.25
8.20
C-C4=
21.83
21.83
11.63
11.6
nC50
4.68
4.66
2.49
2.5
累计
187.72
187.699
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
106.7
112
Ｐ
20.5
20.5
Ｍav
57.35

G
10765
11073

表3.3脱乙烷塔塔顶馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C20
2.90
2.901
31.39
31.3
C3=
5.63
5.408
60.93
58.4
C30
0.71
0.951
7.68
10.3
累计
9.24
9.26
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
58.1
53.7
Ｐ
30
30.0
Ｍav
38.46

G
356
356.72

表3.4脱乙烷塔塔底馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C20
0.01
0.005
0.01
0
C3=
107.46
107.74
76.21
76.4
C30
33.13
33.01
23.49
23.4
iC40
0.35
0.17
0.25
0.1
C4=-1
0.02
0.02
0.01
0
iC4=
0.04
0.04
0.03
0
累计
141.01
140.988
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
70.1
70
Ｐ
30.4
30
Ｍav
42.6

G
6007
6003.12

表3.5丙烯塔塔顶馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C20
0.01
0.01
0.01
0
C3=
106.69
106.76
99.51
99.6
C30
0.71
0.43
0.48
0.4
累计
107.21
107.2
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
34.3
35
Ｐ
15
14.5
Ｍav
42.09

G
4512
4507.9

表3.6丙烯塔塔底馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C3=
0.77
0.97
2.28
2.9
C30
32.62
32.58
96.50
96.5
iC40
0.35
0.17
1.04
0.6
C4=-1
0.02
0.02
0.06
0
iC4=
0.04
0.04
0.12
0
累计
33.80
33.78
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
46.5
46.2
Ｐ
16.2
16.2
Ｍav
44.22

G
1495
1491

表3.7脱戊烷塔塔顶馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
C3=
0.10
0.039
0.06
0
C30
0.18
0.070
0.10
0
iC40
64.35
64.58
35.63
35.8
C4=-1
21.36
20.46
11.28
11.3
iC4=
30.57
30.71
16.94
17.0
TC4=-2
29.01
29.87
16.08
16.6
nC40
15.03
15.48
8.33
8.6
C-C4=
20.89
15.50
11.57
8.6
nC50
0.02
3.74
0.01
2.1
累计
180.45
180.449
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
56.2
59
Ｐ
7
7
Ｍav
56.98

G
10282
10562

表3.8脱戊烷塔塔底馏分模拟和设计结果比较
组成
kmol／h
Mol%
设计
模拟
设计
模拟
iC40
0.10
0
1.38
0
C4=-1
0.12
0
1.65
0
iC4=
0.15
0
2.06
0
TC4=-2
0.85
0
11.69
0
nC40
0.46
0
6.33
0
C-C4=
0.94
6.34
12.93
87.3
nC50
4.65
0.92
63.96
12.7
累计
7.27
7.26
100
100
工艺参数
设计
模拟
Ｔ(ºc)
87.7
110
Ｐ
7.3
7.07
Ｍav
66.53

G
483
511

四．对工艺装置优化
4.1优化目标
在确保产品丙烯99。6%纯度条件下，降低热负荷用量，降低成本，提升经济效益。
4.2优化方案
影响精馏操作原因很多，以下着重对改变塔工作压力和回流比做了计算分析。
本文关键做了以下工作：在进料条件及温度、塔板数等确定条件下， 并在确保产品丙烯纯度不变条件下，改变塔操作压力和回流比，确定二者对精馏操作影响，使工艺过程正常进行。
在操作中改变回流比大小，以满足产品质量要求，是常常碰到问题。对于已确定分离步骤来说，当降低回流比时，其运转费 (关键表现在塔釜加热量和塔顶冷却量)将减小，但所需塔板数需增多，塔设备投资费用增大。反之，当增加回流比，对从塔顶得到产品精馏塔来说，能够提升产品质量(如丙烯塔)，不过增加了能量消耗。
依据以上分析，提出以下优化方案：
1． 降低脱丙烷塔压力
降低脱丙烷塔压力。降低塔操作压力，能够使轻重组分相对挥发度增大，使之更轻易分离。这么，在满足分离要求前提下，能够降低回流比，也就降低塔顶冷凝器、塔底再沸器热负荷，降低其共用工程用量。压力由20降低到15KG/CM2，回流比由原设计值3.33以-0.1步长改变调优。
最终得到最优回流比为2.3（见表4.1）。

2． 提升脱乙烷塔压力
因为脱乙烷塔塔顶产品放空，在放空产物中含有丙烯，为了降低放空量，提升主产品产量，所以提升脱乙烷塔压力，使分离组分相对挥发度降低，使放空丙烯量降低。在确保主产品丙烯纯度不变条件下，塔压力由原来30KG/CM2以0.5步长增大，最终得到最优压力为35 KG/CM2。（优化结果见表4.2）
3．降低丙烯塔压力
一样道理，降低丙烯塔压力，能够使轻重组分相对挥发度增大，使之更轻易分离。这么在满足分离要求条件下，能够降低回流比，也就降低塔顶冷凝器、塔底再沸器热负荷，降低其共用工程用量。塔压力由原来15 KG/CM2以-0.2步长改变，最终得到最优压力12 KG/CM2。（见表4.3）

4.3优化结果

1.脱丙烷塔优化结果：
在确保主产品丙烯纯度为99.6%不变情况下，以一定步长改变脱丙烷塔塔顶压力，随之调整相对应回流比，经比较后得到较优塔顶压力和相对应回流比。

表4.1脱丙烷塔优化前后结果比较
项目
优化前
优化后
压力
kg/cm2
回流比
压力kg/cm2
回流比
20
3.33
15
2.3
塔顶热负荷
(104kcal/h)
186.3
159.2
塔底热负荷
(104kcal/h)
200.6
152.2
塔顶馏
分产量
及组成
产量
kg/h
6359
6363
主组成
mol%
C3=：75.3
C30：22.6
C3=：75.3
C30：22.5
塔底馏
分产量
及组成
产量
kg/h
11073
11069
主组成mol%
iC40：34.4
iC40：34.3

2.脱乙烷塔优化结果：
在确保主产品丙烯纯度为99.6%不变情况下，以一定步长增大脱丙烷塔塔顶压力，随之调整相对应回流比，使脱丙烷塔塔顶产品中丙烯放空量降低，经比较后得到较优塔顶压力和相对应回流比。

表4.2脱乙烷塔优化前后结果比较
项目
优化前
优化后
压力
kg/cm2
回流比
压力kg/cm2
回流比
30
27.9
35
38
塔顶热负荷
(104kcal/h)
59.96
69.53
塔底热负荷
(104kcal/h)
73.37
93.94
塔顶馏
分产量
及组成
产量
kg/h
356.7
356.8
主组成
mol%
C20：31.3
C3=：58.4
C20：31.3
C3=：58.2
塔底馏
分产量
及组成
产量
kg/h
6003
6006
主组成mol%
C3=：76.4
C30：23.4
C3=：58.4
C30：23.3

3.丙烯塔优化结果：
在确保主产品丙烯纯度为99.6%不变情况下，以一定步长降低脱丙烷塔塔顶压力，随之调整相对应回流比，经比较后得到较优塔顶压力和相对应回流比。

表4.3丙烯塔优化前后结果比较
项目
优化前
优化后
压力
kg/cm2
回流比
压力kg/cm2
回流比
15
22
12
19
塔顶热负荷
(104kcal/h)
817.7
723.1
塔底热负荷
(104kcal/h)
801.6
698.1
塔顶馏
分产量
及组成
产量
kg/h
4512
4512
主组成
mol%
C3=：99.6
C30：0.4
C3=：99.6
C30：0.4
塔底馏
分产量
及组成
产量
kg/h
1491
1494
主组成mol%
C30：96.4
C30：95.7

4.脱戊烷塔优化结果：

表4.4脱戊烷塔优化前后结果比较
项目
优化前
优化后
压力
kg/cm2
回流比
压力kg/cm2
回流比
7
0.79
7
0.79
塔顶热负荷
(104kcal/h)
150
150
塔底热负荷
(104kcal/h)
110
124
塔顶馏
分产量
及组成
产量
kg/h
10561
10558
主组成
mol%
iC40：35.8
iC40：35.7
塔底馏
分产量
及组成
产量
kg/h
511
511
主组成mol%
C-C4=：87.3
C-C4=：87.4

5.优化前后各塔热负荷改变计算

由表4-1至表4-4数据能够计算以下：
总热负荷计算表（kcal/h）
塔
优化前
优化后
B2
塔顶
186.3
159.2
塔釜
200.6
152.2
B3
塔顶
59.96
69.53
塔釜
73.37
93.94
B4
塔顶
817.7
723.1
塔釜
801.6
698.1
B5
塔顶
150
150
塔釜
100
124
总和
2389.53
2170.07
差值
219.46

从计算结果能够看出，优化后比优化前总热负荷降低了219.46Kcal/h，热负荷降低了9.2%，效果显著。

五．结论
从以上数据表能够得出以下结论：
1． 优化过程能够看出，本套工艺装置有较大优化空间。
2． 降低脱丙烷塔压力，使本塔热负荷降低了19.4%。
3． 增加脱乙烷塔塔压力，本塔塔顶产品中丙烯放空量降低了2%。
4． 降低丙烯塔压力，使本塔热负荷降低了12.2%。
5． 优化后各塔热负荷总和显著小于优化前热负荷总和，总热负荷降低了9.2%，降低了共用工程用量，提升了经济效益。

六．参考文件
1.Aspen Plus guide, Aspen Tech.
2.楮雅志.气体分馏装置若干问题探讨,炼制设计,1998,(2):18
3.张伟,袁保同.气体分馏装置技术改造设计,炼油设计,1999,(2):31
4.罗衣霞,华贲.气体分馏装置扩产和能量综合优化,石油炼制和化
工,1997,(12):42
5.邹徳东,曲晓廉.提升气体分馏装置经济效益分析,齐鲁石油化
工,,(2):121