气体分馏装置的节能优化
Outline:
朱玉琴1
,
秦倩倩1
,
卞雯1
,
卢永斌1
,
高荔2
1. 西安石油大学 化学化工学院;
2. 新疆独山子克拉玛依职业技术学院 石油化学工程系
收稿日期：2011-05-31；修回日期：2011-07-06
作者简介：朱玉琴，(1965-)，女，工学博士，副教授，陕西省西安市西安石油大学化学化工学院，主要从事化学工程与工艺的教学和研究工作。电话：13032965049。E-mail:
zhuyq@xsyu.edu.cn.
摘要：随着节能工作进一步开展，各种新节能设备和技术日趋完善。化工过程系统也陆续提出解决炼油等行业生产过程中如何更有效地回收能量提高能量利用率的问题，这一问题的解决对于生产中的节能降耗具有重要意义。通过对多套气体分馏装置的研究，利用过程能量集成技术对其换热网络进行节能优化，提出了热泵精馏的工艺。该工艺可靠，节能效果显著，且可行，并具有十分重要的意义。
关键词：热泵精馏 气体分馏装置 节能 优化
Energy saving optimizing of gas fractionation unit
Outline:
Zhu Yuqin
,
Qin Qianqian
,
Bian Wen
, et al
Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, Shaanxi, China
Abstract: With the further development of energy saving, new energy-saving equipment and technology have grown more completely, problem of chemical process system about how to recover energy effectively in oil refining industry, etc. is raised. It is of great significance for saving energy and reducing consumption. Based on the study on several sets of gas fractionation units, the heat exchanger networks are optimized by the integration technology of process energy and heat pump distillation process is put forward. The results show that the process is reliable, feasible and significant.
Key words:
heat pump distillation gas fractionation unit energy saving optimization
炼油厂的气体分馏装置(以下简称气分装置)是将催化裂化的液化石油气进一步分离成燃料气、精丙烯、丙烷、C4和C5等馏分，其分离过程采用精馏方式，精馏过程在石油化工领域是能耗最大的单元操作之一，其能耗约占化工厂总能耗的40%~50%[1-2]。本文以某石化公司气分装置为背景，利用过程系统能量集成技术，提出了切实可行的节能方案。
1 气分工艺流程装置概况
1.1 气分工艺流程装置
某炼油厂气分装置采用五塔常规生产流程(如图 1)。脱除H2S和硫醇的催化液化气进入该气分装置，经脱水加热至泡点状态后进入脱丙烷塔，塔顶蒸出的C2、C3馏分经冷却后一部分回流，另一部分送入脱乙烷塔；塔底C4、C5馏分进入脱戊烷塔，塔顶蒸出的C4馏分经冷凝后一部分作回流，另一部分冷却送至罐区，塔底戊烷馏分冷却送至罐区；脱乙烷塔塔顶蒸出的C2、C3馏分经部分冷凝冷却，未冷凝的气体送至高压瓦斯管网，冷凝液送入塔顶作回流，塔底的丙烯-丙烷馏分进入丙烯塔Ⅰ；丙烯塔Ⅰ顶部气体进入丙烯塔Ⅱ底部最下层塔板下作为上升气相，丙烯塔Ⅱ塔釜液相送入丙烯塔Ⅰ顶部回流；丙烯塔Ⅱ塔顶蒸出的丙烯气相冷凝为纯度99.6%(x)的精丙烯，冷凝液一部分送入丙烯塔Ⅱ顶回流，另一部分送出装置去丙烯贮罐或直接进聚丙烯装置。
此气分装置公称设计规模为60×104 t/a，年开工时数为8 000 h，生产纯度99.6%(x)的精丙烯，系统提供蒸汽做精馏塔重沸器热源。
1.2 气分装置的原料产品性质及工艺操作参数
本装置原料为催化液态烃，在常温常压下为气态，热值大，液体为46.046 MJ/kg，气体为92.092 MJ/m3~108.836 MJ/m3。产品丙烷在常温常压下为气态，沸点-42.1 ℃，蒸发潜热0.426 MJ/kg。丙烯在常温常压下为气态，沸点-47.72 ℃，蒸发潜热0.438 MJ/kg[3]。原料及产品组成见表 1, 装置的主要工艺操作条件见表 2。
表 1
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表 1 原料及产品组成 (y)
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表 2
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表 2 系统的操作参数
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根据现场数据, 利用PRO/Ⅱ软件对此气分装置进行用能分析，得出该装置的单位能耗为3 978.55 MJ/t，找出用能“瓶颈”。丙烯精馏塔系统由于要获得高纯度(99.6%(x))的丙烯产品，回流比较大，且塔板数较多，能耗占装置能耗的50%左右，所以丙烯精馏系统的节能优化直接影响着整个系统的用能情况，对丙烯精馏系统采用热泵流程可以降低塔的能耗，提高经济效益。
2 节能方案
分析装置运行状况，采用过程系统能量集成技术，获得以下的节能技术方案：
(1) 为降低装置能耗，节约水及蒸汽，大型的气分装置的丙烯-丙烷分离系统在无低温热源情况下采用热泵流程，可取得良好的节能、节水效果。这样通过节省常规蒸馏再沸器的加热蒸汽和冷凝器的工业冷却水，以达到节能的目的[4]。只要装置不提供低温热源，就有可能使用热泵[5]。
开式热泵冷凝器或蒸发器一端需要存在一定的温差，而另一端工质直接和物料接触，消除了传热温差的影响，而闭式热泵冷凝器和蒸发器两端均存在传热温差，显然开式热泵的热力学效率较闭式热泵的高，性能系数也比闭式热泵的大，并且丙烯塔塔底产品丙烷本身就是一种良好的冷却剂，故热泵流程采用的是以塔底丙烷为工质的开式热泵流程(见图 2)，其压缩机可采用电机或背压透平驱动。采用透平驱动可通过调节蒸汽量来改变汽轮机转速，以增加调节手段和操作灵活性。塔底丙烷膨胀蒸发吸收塔顶热量，压缩后作为塔底热源，以节约循环水及蒸汽。其次，由于塔压不受循环水温的限制，丙烯塔的塔压可降低，这样增大了丙烯-丙烷的相对挥发度，使丙烯塔塔板数量及回流比降低，塔径缩小。
(2) 丙烯塔系统的三个主要设备，分别采用高效率的丙烷压缩机、低压降的ADV型浮阀塔盘和高热通量、小温差的强化传热设备-铝多孔表面管丙烯塔顶冷凝蒸发器，这为装置节省了大量的能量。
(3) 为降低软化水用量，脱丙烷塔和脱戊烷塔顶采用表面蒸发空冷器，提高了传热效率且减少了占地面积。
3 优化后的装置及总能耗
丙烯塔Ⅰ塔釜的丙烷部分，一部分冷却至40 ℃后送至罐区；另一部分经节流阀节流降压后进入丙烷蒸发罐。在丙烷蒸发罐中液体丙烷因降压和吸收丙烯冷凝热而蒸发，蒸发的气相丙烷进入丙烷压缩机。经压缩，丙烷气体从0.81 MPa压缩到1.57 MPa，温度从22.8 ℃升到55 ℃。部分过热的丙烷气体经丙烷辅助冷凝器用循环水取走由压缩机输入的多余功，以液相丙烷返回丙烯塔Ⅰ塔底，大部分过热的丙烷气体返回丙烯塔Ⅰ底部作为热源。丙烷蒸发罐中的液体丙烷进入丙烯塔顶冷凝蒸发器壳程，恒温蒸发，以吸收管程丙烯放出的热量，使丙烯冷凝，由丙烯塔顶冷凝蒸发器引出的气液相混合丙烷返回丙烷蒸发罐进行气液分离，丙烷循环蒸发以满足所需的丙烷蒸发量。图 3所示为优化后气分装置流程，在尽量不改变原工艺流程的基础上将能耗降低，以达到更好的经济效益。经济分析主要取冷凝器、再沸器、压缩机的操作费用进行比较。常规精馏所需公用工程为塔顶冷凝器冷却水和塔釜再沸器加热蒸汽, 热泵精馏所消耗的能源主要为电。公用工程价格及相关参数如下：循环水，0.65元/t；电, 0.8元/kWh；蒸汽, 90元/t；蒸汽潜热, 2.123 MJ/kg；年开工时数, 8 000 h；压缩机效率, 80%[6]。通过以上的优化方案后，对整套装置进行用能分析, 得出优化后装置能耗, 见表 3。
表 3
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表 3 优化后装置设计能耗
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由表 3可见，优化后装置的单位能耗为2 151.06 MJ/t，相对常规装置节能33%左右。外排1.1 MPa蒸汽和外排凝结水对系统的能量贡献较大，热泵精馏使得系统能耗大大减小，同时又节约了循环水及蒸汽，减少了公用工程的消耗量以及操作费用，提高了经济性。
4 结论
根据现场运行数据，利用PRO/Ⅱ软件对该气分装置进行用能分析得出原气体分馏装置在用能上存在较大的优化改进潜力。在充分考虑不改变原工艺流程、装置的操作弹性以及控制问题的基础上，采用过程系统能量集成技术，热泵精馏的节能技术方案，回收利用了大量低品位能量，减少了公用工程的消耗量，提高了能源利用率以及经济性。
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刘兴高. 精馏过程的建模、优化与控制[M]. 北京: 科学出版社, 2007: 3-16.
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程能林. 化工溶剂手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.
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冯霄. 化工节能原理与技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009: 110-131.
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2012, Vol. 41