饱和液化石油气裂解原料分离方案的模拟优化_张家镖.pdf

2023 年第 52 卷第 6 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY815饱和液化石油气裂解原料分离方案的模拟优化张家镖1，刘智信2，常大山2，孙守华1，王灵英3（1.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103；2.中石化（北京）化工研究院有限公司，北京 100013；3.中化商务有限公司，北京 100045）摘要某炼厂 850 kt/a 饱和液化石油气（LPG）主要由丙烷、正丁烷、异丁烷组成，由于无分储分炼流程，各组分只能混合作为原料进入1 000 kt/a乙烯装置。异丁烷含量偏高，导致三烯收率低，装置能耗大、裂解炉清焦次数多及下游脱丁烷塔超负荷。利用 Aspen Plus 软件模拟确定全厂 850 kt/a 饱和 LPG 采用前脱丙烷的三塔流程（丙烷塔+正丁烷分离塔+脱乙烷塔）进行分离的优化方案，以改善乙烯装置裂解原料的品质。优化后，全厂饱和 LPG 可分离得到 535.4 kt/a 丙烷及正丁烷，可满足 2 台裂解炉 400 kt/a 生产要求。与优化前相比，饱和 LPG 中异丁烷含量由 38.86%（w）降低至 6.82%（w），三烯收率从 50.02%提高至 59.12%，总能耗为 48.83 kg/t（标煤）。关键词乙烯装置；裂解原料；液化石油气；异丁烷；正丁烷；丙烷文章编号1000-8144（2023）06-0815-05 中图分类号TQ 018 文献标志码ASimulated and optimization of separation scheme for saturated liquefied petroleum gas cracking feedstockZHANG Jiabiao1，LIU Zhixin2，CHANG Dashan2，SUN Shouhua1，WANG Lingying3（1.SinoChem Quanzhou Petrochemical Co.，Ltd.，Quanzhou 362103，China；2.Sinopec（Beijing）Research Institute of Chemical Industry Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；3.SinoChem Commerce Co.，Ltd.，Beijing 100045，China）AbstractThe 850 kt/a saturated liquefied petroleum gas(LPG)in a refinery is mainly composed of propane，n-butane and isobutane.Due to the lack of component storage and refining process，each component can only be mixed as raw material into the 1 000 kt/a ethylene plant.The high content of isobutane leads to low yield of triene，large energy consumption of the plant，more times of coke cleaning in cracking furnace，and overload of downstream debutanizer.The optimized scheme for the separation of 850 kt/a saturated LPG by the three tower process with pre-depropanization(propane tower+n-butane separation tower+deethanizer tower)was determined by simulation with Aspen Plus software to improve the quality of cracking feedstock in ethylene plant.After optimization，the plant-wide saturated LPG can separate 535.4 kt/a propane and n-butane，meeting the production requirements of 400 kt/a for 2 cracking furnaces.Compared with before optimization，the isobutane content in saturated LPG decreased from 38.86%(w)to 6.82%(w)，the yield of triene increased from 50.02%to 59.12%，the total energy consumption was 48.83 kg/t(standard coal).Keywordsethylene plant；cracking feedstock；liquefied petroleum gas；isobutane；n-butane；propane工 业 技 术DOI：10.3969/j.issn.1000-8144.2023.06.011收稿日期2022-11-18；修改稿日期2023-04-03。作者简介张家镖（1985），男，大学，工程师，电话 [phone]，电邮 ；联系人：刘智信，电话[phone]，电邮 。液化石油气（LPG）是炼化企业在深加工过程中产生的高附加值产品，是一种重要的石油化工资2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY816源。LPG 按照烷烃和烯烃组分含量不同，一般分为饱和 LPG 和不饱和 LPG，其中饱和 LPG（主要由常减压、馏分油中压/高压加氢裂化、连续重整、芳烃等装置副产）富含丙烷、正丁烷、异丁烷，还有少量的乙烷、戊烷等组分。对于传统炼厂，饱和 LPG 主要作为燃料产品销售。LPG 是理想的乙烯裂解原料，裂解产物中乙烯收率高，裂解炉清焦周期长，经济效益明显优于重质油品裂解原料1。饱和 LPG 中乙烷、丙烷及正丁烷是优质的裂解原料，丙烷是仅次于乙烷的优质裂解原料2，其次是正丁烷，均高于以轻石脑油、轻柴油为蒸气裂解原料；异丁烷裂解得到的三烯（乙烯+丙烯+丁二烯）收率偏低3，不适合作为乙烯裂解原料，若饱和 LPG 中异丁烷含量较高，可考虑分离出异丁烷作为芳构化或异丁烯生产的原料。近年来，国内炼化一体化企业在拓宽原料渠道的同时，也注意加强乙烯裂解原料的轻质化、优质化工作，在利用饱和LPG 等轻烃资源作为乙烯原料方面，做了许多工作4-8，并取得了较好经济效益。本工作利用 Aspen Plus 软件，对某炼厂 850 kt/a 饱和 LPG 采用前脱丙烷的三塔流程（丙烷塔+正丁烷分离塔+脱乙烷塔）的优化方案进行分离，以改善乙烯装置裂解原料的品质。1 工艺现状及流程比选1.1 工艺现状某炼厂 15 Mt/a 炼化一体化项目中 1 Mt/a 乙烯裂解装置裂解原料主要有饱和 LPG、丙烷、轻石脑油、加氢裂化尾油、抽余油、富乙烷气及富乙烯气等9，其中饱和 LPG 主要来自 1#轻烃回收、2#轻烃回收、1#连续重整、2#连续重整以及炼厂干气预精制等装置（各装置规模分别为 265.0，371.2，93.2，91.4，27.4 kt/a），各股饱和 LPG 组成见表 1。表 1 饱和 LPG 组成Table 1 Composition of saturated LPGCompositionw/%1#LHG2#LHG1#CCR2#CCRC4RUMethane0000.130Ethane0.280.160.735.300.15Propane21.1417.3226.0027.707.48Isobutane27.7649.1337.5632.0833.92Isobutylene001.0500.091-Butene000.7400.09trans-2-Butene00000.19n-Butane49.2233.3933.1032.5427.15cis-2-Butene00000.09Isopentane0.8000.411.1314.88n-Pentane0.8000.411.1315.96 LHG：light hydrocarbon recycling；CCR：continuous reorganization；C4RU：intervention refining of dry gas.由表 1 可知，1#轻烃回收装置的饱和 LPG 中异丁烷含量明显低于 2#轻烃回收装置，更加适合作为乙烯原料，但由于饱和LPG在罐区全部混合，未分储分炼，使作为乙烯原料的饱和 LPG 中异丁烷含量增高，这就导致三烯收率偏低，导致装置能耗增大，裂解炉清焦次数增多（异构烷烯裂解的结焦速率高于正构烷烃）及下游脱丁烷塔超负荷。在正常运行过程中，乙烯裂解装置投用 2 台饱和 LPG 裂解炉，进料量约 400 kt/a，剩余约 450 kt/a的饱和 LPG 作为商品外售。正构烷烃相比异构烷烃双烯（乙烯+丙烯）和三烯收率更高3。表 2为不同乙烯裂解原料的裂解性能比较。由表 2 可知，正丁烷比异丁烷的乙烯收率高 28.68 百分点，丙烯收率低 8.72 百分点，丁二烯收率高 3.33 百分点，双烯收率高 19.96 百分点，三烯收率高 23.39 百分点。为改善这一状况，拟通过优化全厂饱和 LPG 资源，以最大化提高乙烯收率为目标，通过精馏方法对全厂饱和 LPG 进行分离得到高纯度丙烷、正丁烷和异丁烷，并进行单独存储，其中丙烷与正丁烷的三烯收率均为 60%左右，最大化的优化乙烯裂解装第 6 期817由图 1a 可知，前脱丙烷方案为：饱和 LPG 进料先经过丙烷塔将 C3和 C4进行分离，丙烷塔塔顶为 C3，塔底为 C4，丙烷塔塔底 C4进入正丁烷分离塔将正异构 C4进行分离，塔顶为异丁烷，塔底为正丁烷。由图 1b 可知，后脱丙烷方案为：LPG 进料先经过正丁烷分离塔将正丁烷分离出来，塔顶为C3和异丁烷，塔底为正丁烷，塔顶 C3和异丁烷进入丙烷塔进行分离，丙烷塔塔顶为丙烷，丙烷塔塔底为异丁烷。利用 Aspen Plus 软件建立上述两种方案流程模拟，模拟结果显示：1）前脱丙烷方案的能耗低于后脱丙烷方案的能耗，主要是因为前脱丙烷方案的异丁烷仅为泡点进料至正丁烷分离塔；而后脱丙烷方案的异丁烷在正丁烷分离塔先气化后冷凝进丙烷塔，且丙烷在正丁烷分离塔内气化后塔顶又冷却，后又在丙烷塔内气化，存在重复气化；2）按照现有饱和 LPG 的组成（丙烷含量较高，正异构 C4含量差别不大）。经模拟测算，两个方案的正丁烷分离塔直径分别为 4 000 mm，5 000 mm，丙烷塔直径分别为 3 000/4 000 mm，2 800/3 800 mm，由于正丁烷分离塔直径大，塔盘数目多，是项目中最大的设备，单体设备投资最高。因此，前脱丙烷方案的投资略低于后脱丙烷方案。为满足丙烷产品的纯度要求，建议增设脱乙烷塔，将丙烷中的 C2脱除，综合考虑采用丙烷塔+正丁烷分离塔+脱乙烷塔的前脱丙烷三塔流程。表 2 不同乙烯裂解原料的裂解性能比较Table 2 Comparison of cracking performance of different ethylene cracking feedstocksFeedstockYield/%EthanePropanen-ButaneIsobutanen-PentaneIsopentaneEthylene79.8841.5340.7812.1041.8221.80Propylene1.6314.4716.0824.8016.7717.30Diene(ethylene+propylene)81.5156.0056.8636.9058.5939.10Butadiene1.373.724.240.914.184.70Triene(ethylene+propylene+butadiene)82.8859.7261.1037.8162.7743.80置的进料，提高乙烯收率；同时分离出的丙烷产品也可为后续规划装置使用，提高原料和产品的灵活性，从而给企业带来更好的经济效益；副产异丁烷短期外卖，后期如需增加乙烯原料，可通过技改技措新增异丁烷正构化单元。1.2 流程比选根据 C4各组分沸点及挥发度差异，提出前脱丙烷及后脱丙烷两种方案，工艺流程见图 1。Feed stockFeed stockn-Butanen-Butanen-ButanePropanetowerDeethanizerIsobutaneIsobutaneFuel gasFuel gasabIsomerizationseparationtowern-Propanen-Propane+isobutanePropanetowerIsomerizationseparationtowerDeethanizern-Propane图 1 前脱丙烷（a）和后脱丙烷（b）工艺流程Fig.1 Pre-depropanization process(a)and post-depropanization process(b).张家镖等.饱和液化石油气裂解原料分离方案的模拟优化2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY818表 3 产品组成Table 3 Product compositionComponent/%Propanen-ButaneIsobutaneFuel gasMethane2.500 0Ethane0.100 055.900 0Ethylene0.300 0Propylene0.013 7Propane98.800 00.730 041.300 0Isobutane1.095 06.160 098.050 0Isobutylene0.001 40.070 00.300 01-Butene0.000 60.065 50.160 0trans-2-Butene0.000 3n-Butane0.002 790.210 00.730 0cis-2-Butene0.014 50.016 3Isopentane1.710 0n-Pentane1.770 0表 4 物料平衡Table 4 Material balanceFeedstock Scale/(kta-1)ProductProduction/(kta-1)Yield/%1#LHG265.0Fuel gas14.01.652#LHG371.2Propane166.219.60C4RU27.4Isobutane298.735.221#CCR93.2n-Butane369.243.532#CCR91.4Total848.2848.1100.002 结果与讨论2.1 产品质量采用丙烷塔+正丁烷分离塔+脱乙烷塔的前脱丙烷三塔流程分离后产品组成见表3。由表3可知，丙烷产品中丙烷含量为98.800 0%（）（96%（）、正丁烷产品中正丁烷含量为90.210 0%（）（90%（），异丁烷产品中异丁烷含量为 98.050 0%（）（97%（），均满足分离要求。2.2 物料平衡优化前，由于饱和 LPG 中异丁烷含量高，乙烯装置脱丁烷塔操作存在瓶颈，导致乙烯装置 2 台裂解炉仅能处理 400 kt/a 饱和 LPG，剩余约 450 kt/a饱和 LPG 作为商品外售。优化后，可从 850 kt/a饱和 LPG 中分离出 166.2 kt/a 丙烷和 369.2 kt/a 正丁烷，共计 535.4 kt/a 优质乙烯裂解原料，可满足2 台裂解炉运营需要，装置物料平衡见表 4。单位饱和 LPG 原料优化前后的主要产品收率见表 5。由表 5 可知，与优化前比，产品中异丁烷含量由 38.86%（w）降低至 6.82%（w），乙烯装置脱丁烷塔操作瓶颈得到解决，同时增加乙烯装置裂解原料量；以单位饱和 LPG 原料计，优化后乙烯收率为 39.15%（增加 10.53 百分点），丙烯收率为 16.13%（降低 2.55 百分点），丁二烯收率增加 1.12 百分点，三烯收率增加 9.10 百分点。2.3 能耗分析表 6 为装置能耗。由表6可知，装置总能耗为48.83 kg/t（标煤），其中 0.4 MPa 蒸汽能耗为 33.16 kg/t（标煤），低温热水能耗为 15.81 kg/t（标煤），这两项是装置的主要能耗。为进一步降低能耗，可采取的节能措施为：1）优化换热流程，提高热能的回收和利用；2）采用高效换热器，增大传热效率；3）回收装置蒸汽凝结水以及采用高效塔盘，尽可能降低回流比。表 5 单位裂解原料优化前后的主要产品收率Table 5 Main product yields before and after optimization of unit cracking feedstocksItemBefore optimizationAfter optimizationVariabilityn-ButaneIsobutanePropaneTotaln-ButaneIsobutanePropaneTotalMain components(w)/%38.0138.8620.2758.026.8235.32Ethylene yield/%15.504.708.4228.6223.660.8314.6639.1510.53Propylene yield/%6.119.642.9318.689.331.695.1116.13-2.55Butadiene yield/%1.620.350.752.722.460.061.323.841.12Triene yield/%50.0259.129.10第 6 期8193 结论1）采用前脱丙烷的三塔流程（丙烷塔+正丁烷分离塔+脱乙烷塔）对全厂饱和 LPG 进行分离优化。2）优化后，850 kt/a 饱和 LPG 可分离得到535.4 kt/a 丙烷及正丁烷，产品纯度均满足分离要求，可满足 2 台裂解炉运营需要；异丁烷含量由 38.86%（w）降低至 6.82%（w），以单位饱和LPG 原料计，乙烯收率增加 10.53 百分点，三烯收率增加 9.10 百分点，总能耗为 48.83 kg/t（标煤）。参 考 文 献1 曹湘红.我国蜡油及渣油深加工应大力发展加氢装置 J.石油炼制与化工，2004，35（6）：1-12.2 郭莹，周丛，杜志国，等.丙烷用作乙烯原料研究 J.石油化工，2018，47（1）：8-13.3 王国清，张兆斌，张利军.轻质裂解原料性能研究 J.乙烯工业，2008，20（1）：44-46.表 6 装置能耗Table 6 Energy consumptionItemConsumptionEnergy consumptiona)/(kgt-1)Circulating water2 565 kt/a0.180.4 MPa steam427 kt/a33.16Electricity847.2104 kWh2.19Purified air100.8104 m3/a0.05Hot water under low temperature3 360 kt/a15.81Condensate water-427 kt/a-3.01Demineralized water386 kt/a0.45Amount of N24.62104 m3/a0.01 a)Based on standard coal.4 娄占峰，毕雪娇，才武英.加氢碳四做裂解原料的应用研究J.乙烯工业，2019，31（4）：1-3.5 张燕.液化石油气用作裂解原料的研究J.石油化工，2015，44（7）：804-807.6 张彩娟，秦朝晖，周欢华.上海石化碳四资源利用现状及发展探讨 J.石油化工技术与经济，2012，28（4）：30-34.7 于洋.抚顺石化800 kt/a乙烯裂解LPG技术探讨 J.乙烯工业，2017，29（4）：6-9.8 李奎，许岩峰，赵治峪.裂解液化气对扬子乙烯装置的影响与对策 J.乙烯工业，2020，32（4）：31-35.9 吕升辉.炼化一体化优势下乙烯裂解原料的多元化及其优化J.中外能源，2021，26（12）：63-67.（编辑 杨天予）扫码了解更多相关专题研究信息张家镖等.饱和液化石油气裂解原料分离方案的模拟优化