基于Aspen Plus的气体分馏装置的模拟与优化

控制与优化
石　油　炼　制　与　化　工
ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ
２０２０年８月　
第５１卷第８期
收稿日期：２０２０ ０２ ２０；修改稿收到日期：２０２０ ０４ ３０。

作者简介：吴昊天，助理工程师，主要从事石油炼制工艺技术
研究与应用工作。

通讯联系人：吴昊天，Ｅ ｍａｉｌ：ｗｕｈｔ．ｙｚｓｈ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ。

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吴　昊　天
（中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂，南京２１００４８）
摘　要：以中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂０．４８Ｍｔ?ａ的２号气体分馏装置为研究对象，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ流程模拟软件对气体分馏装置工艺流程建立稳态模型，得到的模拟结果与装置生产实际情况相符合。

在此基础上运用灵敏度分析工具，在保证各产品满足质量要求的前提下，以降低能耗、最大化增产丙烯为目标对装置精馏塔塔顶压力、回流比等重要操作参数进行分析优化。

优化结果证明，在提高精丙烯塔塔顶压力、丙烯产品质量满足要求的条件下，气体分馏装置的丙烯收率有了显著提高。

优化方案实施后，装置丙烯产品收率增加０．０８百分点，每年可增加的经济效益约为９２．０５万元，说明应用流程模拟优化增产丙烯效果显著。

关键词：流程模拟　气体分馏装置　丙烯　灵敏度　精馏塔
近年来，随着市场对高纯度丙烯、丙烷的需求量日趋扩大，气体分馏装置作为国内炼油厂以催化裂化液化气和延迟焦化液化气为原料分离生产高纯度丙烯的主要装置，其生产运行优化、工艺条件优化以及节能降耗等越来越受到重视。

近年来，国内在气体分馏装置的模拟计算优化、灵敏度分析等工作已开展多年且相当成熟可靠。

在众多的优化工作中，非常重要的一项就是通过优化精馏塔操作以求实现提高丙烯的收率［１ ３］。

目前中国石化扬子石油化工有限公司（简称扬子石化）２号气体分馏装置存在丙烯产品实际收率与设计收率相差大（装置设计丙烯产品收率为３５．１１％，实际收率为３３．１２％）、精丙烯塔两塔能耗较大等问题，导致了丙烯的损失与装置能量的浪费，造成了不必要的经济损失。

针对这一情况，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件对该装置进行流程模拟分析优化的工作便很有必要。

本课题通过建立扬子石化２号气体分馏装置稳态模型对装置主要操作参数进行分析优化，在此基础上提出相应的精馏塔操作方案，以期应用流程模拟结果指导装置生产操作，达到装置增产丙烯的目的。

１　工艺流程简述
扬子石化现有处理量为２．００Ｍｔａ的２号催化裂化装置所产的液化气供处理能力为０．４８Ｍｔａ的２号气体分馏装置作为原料，根据精馏原
理将气体分馏装置净化后的液化气切割分离为不同组分，以获得丙烯、丙烷和混合Ｃ
４
等主要产品。

扬子石化２号气体分馏装置由脱丙烷塔、脱乙烷塔、精丙烯塔一塔、精丙烯塔二塔４个塔组成，其具体工艺流程如图１所示。

从原料缓冲罐来的精制液化气先经脱丙烷塔分离，将较轻的Ｃ２、Ｃ３组分与较重的Ｃ４、Ｃ５组分分离，塔釜得到
混合Ｃ
４
产品，塔顶采出的Ｃ
２
、Ｃ
３
组分从脱丙烷塔塔顶冷凝罐经泵抽出后再进入脱乙烷塔，在脱
乙烷塔分离出的轻组分Ｃ
２
从塔顶冷凝罐气相采
出，塔釜的Ｃ
３
组分在自压作用下进入精丙烯塔进行分离提纯。

其中，因受制造、运输等条件限制精丙烯塔采用双塔串联结构，分为精丙烯塔一塔、精丙烯塔二塔。

精丙烯塔一塔塔顶气相全部送至精丙烯塔二塔塔底作为气相进料，精丙烯塔二塔塔底液相经泵抽出后送至精丙烯塔一塔塔顶作为液相进料。

经精丙烯塔二塔塔顶冷凝器冷凝后的液相采出得到产品丙烯，精丙烯塔一塔塔底液相采出得到产品丙烷。

第８期吴昊天．基于ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的气体分馏装置的模拟与优化
收率为９６．４０％，塔顶重关键组分异丁烷的回收率
为０．０２％；精丙烯塔二塔塔顶物料中 （丙烯）
９５．０％，塔顶轻关键组分丙烯的回收率为９９．９０％，
塔顶重关键组分丙烷的回收率为０．２０％。

再以２号气体分馏装置实际生产操作数据和
化验分析数据定义各操作变量并建立稳态模型，
将模型计算值（模拟值）与实际生产中的物料组成
（实际值）进行对比，结果如表３所示。

由表３可以
看出，校正后的模型计算值与实际值较为接近，说
明该模型能够较好地反映装置的真实运行状况，
可为进一步的分析优化提供可靠依据。

表３　气体分馏装置物料组成对比 ，％
项　目
混合碳四丙烷产品丙烯产品
模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值
水００００００
乙烯００００００
乙烷００００００
丙烯０．１４０．０２０．１６０．１７９９．９１９９．９２丙烷１．８５０．６５９９．８３９９．８３０．０９０．０８异丁烷３７．３６３７．３６００００
正丁烷１４．３５１５．１２００００
异丁烯２３．９４２６．０３０．０１０００
１ 丁烯００００００
反 ２ 丁烯１２．７３１１．０４００００
顺 ２ 丁烯９．６３９．７８００００
３　模型优化分析
丙烯和丙烷是气体分馏装置的重要产品，在保证两者产品质量合格的前提下，本课题以提高丙烯收率、节能降耗为目标对模型进行优化分析。

具体做法是，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的灵敏度分析工具
对脱丙烷塔塔顶的Ｃ
３、Ｃ
４
组分含量，精丙烯塔分
离效果，以及各塔能耗的影响因素进行分析，从而优化气体分馏装置各塔的操作参数［７ ８］。

３ １　精馏塔分离效果优化
３ １ １　脱丙烷塔操作参数对分离效果的影响　在实际生产中，脱丙烷塔的主要操作参数为塔顶压力、塔顶回流比和塔底再沸量，由于塔顶回流比和塔底再沸量有对应关系，故只考察一个。

利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的灵敏度分析工具得到脱丙烷塔塔顶压力、塔顶回流比对塔分离效果与全塔热负荷的影响，分别见图２和图３。

图２　塔顶压力对脱丙烷塔塔顶组分含量及
全塔热负荷的影响
■—全塔热负荷；▲—塔顶Ｃ３
体积分数
图３　塔顶回流比对脱丙烷塔塔顶组分含量及
全塔热负荷的影响
■—全塔热负荷；▲—塔顶Ｃ３体积分数
由图２可以看出，塔顶压力越低，物质的相对挥发度越高，越有助于提高塔的分离精度，相应的全塔热负荷越低。

但塔降压操作的瓶颈在于塔顶的冷却负荷，考虑到装置实际的空气冷却器能力，在保证分离效果的情况下，塔顶压力控制为１．８５～１．９０ＭＰａ较为合理。

由图３可以看出：塔顶回流比对塔的影响较大，随着回流比的增大，塔的分离精度也增加，全塔热负荷增大，塔的操作成本增加；当回流比增大到２．３５时，继续增大回流比对塔的分离效果影响已不大。

因此，回流比应控制为２．２５～２．４０，既可满足分离要求，又能节约塔的操作成本。

３ １ ２　精丙烯塔操作参数对分离效果的影响　扬子石化２号气体分馏装置的精丙烯塔存在能耗较大、丙烯和丙烷纯度偏高的问题，具有较大优化空间。

利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的灵敏度分析工具得到精丙烯塔塔顶压力、塔顶回流比对精丙烯塔分离效果与全塔热负荷的影响，分别见图４、图５。

９
８
石　油　炼　制　与　化　工 ２０２０年第５１
卷
图４　塔顶压力对精丙烯塔分离效果及
全塔热负荷的影响
■—全塔热负荷；▲—
塔顶丙烯体积分数图５　塔顶回流比对精丙烯塔分离效果及
全塔热负荷的影响
■—全塔热负荷；▲—塔顶丙烯体积分数
由图４和图５可以看出：降低精丙烯塔塔顶压力有助于丙烯、丙烷的分离并降低全塔热负荷；提
高塔顶回流比有助于丙烯、
丙烷的分离，但相应会使全塔热负荷升高。

在目前的丙烯市场行情下，精馏塔增产丙烯
带来的经济效益远大于增加的能耗的价值，
精馏塔仍存在较大的优化空间。

故在满足产品纯度且保证装置平稳生产的同时，考虑到全塔热负荷，可适当提高塔顶压力或降低回流比。

由于塔底温度已为控制下限，故不考虑降低回流比，而是应将塔顶压力由１．８９ＭＰａ微调至１．９２ＭＰａ
，在使丙烯产品质量合格的情况下，增加丙烯收率，提高经济效益。

按照既定措施调整操作，装置运行稳定，与去年同期相比，产品丙烯纯度由９９．９０％降至
９９．８１％，丙烯收率为３３．２０％，
比调整前提高了０．０８百分点。

装置调整操作前后的能耗对比见表４。

由表４可知，调整操作后装置能耗略有降低，降低值为８．２ＭＪｔ，主要源于空气冷却器风机的能耗降低。

综上，增产丙烯及降低能耗带来的
经济效益约为９２．０５万元
ａ。

表４　装置调整前后的能耗
ＭＪ?ｔ项　目
调整前调整后循环水消耗
１６３．９１７１．３热进出料消耗
７４１．９５７５４．２４电耗
１４６．３０１１８．４１合计１０５２．１５１０４３．９５
３ ２　脱丙烷塔最佳进料位置分析脱丙烷塔有上、中、下３种进料位置，目前装置
采用中间位置进料。

适宜的进料位置可在相同操作工况下使精馏塔达到最大的分离能力。

装置生产中可根据进料物流的轻、重组分含量相应调整
进料位置，
以起到增加精馏段或者提馏段的作用，提高塔的分离能力。

模型中通过控制塔顶回流比和塔顶采出量来使脱丙烷塔塔顶Ｃ４和塔底Ｃ２、Ｃ３满足质量要求。

利用Ａｓｐ
ｅｎＰｌｕｓ的灵敏度分析工具分析脱丙烷塔进料位置对塔分离效果与能耗的影响，结果见图６。

图６　进料位置对塔分离效果及全塔热负荷的影响■—全塔热负荷；▲—塔顶Ｃ３体积分数由图６可知，在表１、表２所示工况下全塔热负荷随进料位置的下移而下降，相应的进料位置下移，塔顶Ｃ４组分减少，分离效果提高。

在目前脱丙烷塔进料中轻组分含量较低、重组分含量较高的情况下，为了保证脱丙烷塔塔顶、塔底物料质量满足要求，应将进料位置下移。

受实际进料口（脱丙烷塔实际在第２１，２５，２９块板开有进料口）限制，建议将进料位置调整为第２９块板，可提高分离效果，降低能耗。

４　存在的问题由于装置存在一些限制因素且Ａｓｐ
ｅｎＰｌｕｓ软０９
第８期吴昊天．基于ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的气体分馏装置的模拟与优化
件本身有一定模拟计算误差，２号气体分馏装置稳
态模型仍有待完善，但在特定工况下，该模型可用
来指导生产，加强操作人员对调节经验的理论认
识，从而进一步稳定生产，提高经济效益。

５　结　论
（１）按照流程模拟计算结果，以保证装置平稳
生产为主，为最大限度增产丙烯，脱丙烷塔各操作
参数应以微调为主。

（２）根据丙烯质量指标［ （丙烯）。