丙烯精馏塔的操作优化
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x (塔釜丙烯 )在 10%以下 ,分离精度达到了指标要求 ; 406 塔与 406 A 塔位置调换 ,可增大装置操作弹性 。
关键词 :丙 烯精 馏塔 ; A spen P lus软 件 ; 稳态模拟 ; 操作优化 中图分类号 : TQ 053. 5; TQ 221. 21 + 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1009 - 0045 ( 2008) 01 - 0061 - 05
乙烯分离装置的能 耗占整个乙烯系统能耗 的 60% 。故改善其操作控制品质 , 从而有效地提 高乙烯分离过程中产品的质量和产量 , 是企业增 加经济效益 的一个关键 。针对 中国石油兰州石 化分公司 (以下简称为兰州石化 ) 24 万 t / a 烯烃 装置因进料量及进料 组成波动而造成装置操作 不稳定的问 题 , 本工 作以普通 浮阀塔板 代替 DJ 型塔板 , 并应用美国 A spen tech 公司的稳态模拟 软件 A spen P lus, 对丙烯精馏塔操作进行了稳态 模拟 ,对其液泛 系数进行了合理修正 , 得出了不 同进料量和不同进料组成下的优化操作条件 。 目前国内有数 篇文献报导 了使用不同模拟 软件对类似丙烯精馏塔进行的模拟分析 , 但在模 拟过程中 , 塔板效率多数按 100%进行核算 , 同时 在对新型或特殊塔板进行模拟时 , 对塔板特点考 虑不多 ,对模拟 软件的应用不够灵活 , 模拟结果 与实际操作并不十分吻合 [ 1 - 5 ] 。 1 丙烯精馏塔工艺流程 ① 2005 年 8 月兰州石化烯烃装置进行了扩容 改造 , 保留 了 原 丙 烯精 馏 塔 ( 406 塔 ) , 新 建了 406 A塔 , 并将 406 A 塔作为精馏段与 406 塔串联 操作 。 406 塔 共设 153 块 DJ - 3 型塔 板 , 塔径 3 000 mm ,板间距 450 mm; 406 A 塔共设 84 块 DJ 5 型塔板 ,塔径 3 400 mm , 板间距 450 mm。改造 后的双塔流程如图 1 所示 , 丙烯原料从 406 塔第 90 板进 入 , 406 塔 塔 顶气 相 进入 40 6 A 塔 釜 ,
图 6 不同塔釜产出量下的分离效果
表 1 不同进料量下的优化操作条件 进料量 /
( kg h
-1
)
13 000 14 000 15 000
进料位置 (406塔 ) 第 53板 第 53板 第 53板
质量回 流比
13. 5 13. 5 13. 5
塔釜产出量 / ( kg h - 1 ) 范围 选定 510 ～550 530 550 ～590 570 590 ～640 615
3. 2 不同进料组成下的操作优化 以相同的方法对进料量 15 000 kg / h, 进料中 丙烷 含量 组 成 分别 为 5% , 6% , 7% , 8% , 9% ,
表 3 不同进料组成下的优化操作条件
x (进料丙 烷 ) /% 5 6 7 8 9 10
进料位置 ( 406塔 ) 第 60板 第 67板 第 71板 第 75板 第 78板 第 80板
图 5 不同质量回流比的分离效果
第 1 期 孙卫国等. 丙烯精馏塔的操作优 化
63
其他条件不变 , 将质量回流比调整为 13. 5, 来判定最合适的塔釜产出量 , 见图 6。可以看出 , 当塔釜产出量在 510 ～550 kg/ h时 , 塔顶 、 塔釜丙
表 3、 表 4。可以看出 : 不同进料组成下的最佳进 料位置不同 , 且随着丙烷含量的增加 , 最优进料 位置板数越来越大 , 最优质量回流比 、 塔釜产出 量随之增大 , 塔釜温度呈逐步下降趋 势 , 而塔顶 冷却器负荷 逐步上 升 , 但它们 的变 化幅 度都不 大 , 再沸器负荷变化不明显 ; 操作优化后 , x (塔顶 丙烯 )在 99. 6%以上 , x (塔釜丙烯 ) 在 10%以下 , 分离精度达到了指标要求。
第 26 卷 第 1期 石 化 技 术 与 应 用 Vol . 26 No. 1 2008 年 1 月 Petr ochem ical Technology & Applica tion Jan. 2008
工业技术 ( 61～65 )
丙烯精馏塔的操作优化
。
1— 塔壁 ; 2 — 降液管 ; 3— 复合填料 ; 4— 塔板 ; 5 — 导流板
图 2 DJ - 3型塔板结构示意
DJ - 5 型塔板采用了新型固定阀作为鼓泡元 件 (结构见图 3 ) , 较好地综合了筛孔塔板和浮阀 塔板的优点 。针对传统固定阀的缺点 , 新型固定 阀阀面侧边具有向下弯曲的折边 , 改变了从固定 阀侧孔中吹出的气体的方向 ,使气体从固定阀侧 孔中斜向下吹到塔板板面上 ,因此减少了雾沫夹 带量和漏液量 , 提高了塔板的处理能力和操作弹 性 , 同时强化了 塔板上气液接触传质 , 提高了塔 板传质效率 。在受液区设置新 型固定阀还可以 减少 DJ - 5 型塔板的冲击漏液量 , 其塔板效率和 操作弹性与浮阀塔板的相当 [ 12 - 13 ] 。
有效面积增大 , 压降降低 , 操作弹性增大 , 液体流 通能力可比一般塔板的高 30% ～50% 。 DJ - 3型塔板设有 2根降液管 , 相邻两板的降 液管互成垂直排列 ,其塔板是复合型的 , 即在塔板 下复合了一薄层规整填料 (结构如图 2 所示 ) , 填 料层处于气相空间 ,当负荷高时 ,起到了抑制雾沫 夹带作用 , 使塔板效率可提高 10% ～15% , 气相通 量可提高 15% ～20%。因此 , DJ - 3型塔板除具有 大通量 、 高弹性的特点外 , 还具有高效率的优良特 性 ,其板效率与浮阀塔板的相当
质量 回流比
14. 5 14. 9 15. 3 15. 7 16. 0 16. 2
塔釜产出量 / ( kg h - 1 ) 范围 选定 840 ～900 870 1 010 ～1 080 1 045 1 170 ～1 250 1 210 1 330 ～1 420 1 375 1 500 ～1 600 1 550 1 660 ～1 770 1 715
塔釜温 度 /℃
62. 356 62. 375 62. 273
冷却器负 荷 / ( GJ h - 1 )
- 52. 475 7 - 56. 513 6 - 60. 534 8
再沸器负荷 /
(G J h
- 1
)
53. 512 36 57. 633 84 61. 734 42
表 2 不同进料量下的优化分离结果 进料量 /
图 4 不同进料位置的分离效果
其他条件不变 ,将进料位置调整为第 53 板 , 来 寻求其最合适的质量回流比 , 见图 5。可以看出 , 质量回流比在 13 之上时 , 即可使分离精度达到要 求 ,考虑实际生产中的操作波动情况 ,为保证产品 质量 ,应当将质量回流比调整在 13. 2～13. 8。
烯含量都能合格 。这表明塔釜产出量对塔顶 、 塔 釜丙 烯 含 量 影 响 较 大 , 并 且 可 调 整 空 间 只 有 40 kg/ h, 因此生产中应严格控制塔釜产出量 , 以 避免生产波动引起的产品质量不合格 。 以相同 的方法 对进 料量为 14 000 kg/ h 和 15 000 kg/ h时的操作进行模拟优化 , 结果见表 1 与表 2。可以看出 , 不同进料量下的最佳进料位 置均为 406 塔第 53 板 , 合适的质量回流比均为 13. 5, 这说明在固定 进料组成下 , 进料量的变化 对最佳进料位置及回流比的选择影响不大 ; 塔釜 产出量的可调整范围较小。
图 3 DJ - 5型塔板新型固定阀结构示意
根据国内多年来的经验 ,丙烯精馏塔的塔板 效率一般在 0. 6 ～ 0. 7, 但是否准确 , 国内文 献报 道较少 ,已发表 的在进行模拟计算时 , 塔板效率 多数采用 1, 其模拟结果与实际操作并不完 全吻 合 。本工作在模拟核算中 , D J - 3 与 DJ - 5 塔板 效率按 0. 7 71 24 (厂家提供 ) 设定 。 A spen Plus软件不能直接模拟 D J 型塔板 ,为
图 1 丙烯精馏双塔工艺流程示意
2 D J - 3和 D J - 5 型塔板特点 DJ - 3 和 DJ - 5型塔板均系浙江工业大学研 究开发的新型高效大通量 DJ 系列塔板 , 均采用 了矩形降液管 ,呈悬挂式布置在塔板中间 。即降 液管底部并不浸在下层塔板的液体中 , 而是悬挂 在气相空间 , 这会使受液区也开孔鼓 泡 , 使塔板
收稿日期 : 2007 - 07 - 2 6; 修回日期 : 2007 - 11 - 2 8 作者简介 :孙卫国 ( 197 3 —) ,男 ,甘肃民勤人 ,工程硕士 ,工程 师 ,从事化学工程研究工作 。已发表论文 4 篇 。
①
62
石 化 技 术 与 应 用 第 26 卷
[ 6 - 11 ]
了实现 A spen Plus软 件对丙烯精馏塔操作的模 拟 , 本工作用 普通 浮阀 塔板代 替了 DJ 型 塔板 。 但是普通浮阀塔板的流通能力与 DJ 型塔板的相 差较大 ,因此必须对塔板代替后的模拟数据进行 合理修正 , 先期校算表明 , 设计 操作条件下的最 大液泛系数为模拟结果的 76% ,故在以下的讨论 中液泛系数值均按模拟结果的 76%进行了修正 。 3 双塔操作优化 目前 , 装置进料量在 13 000 ～15 000 kg/ h间 波动 ,进料组成主要是丙烷含量在 5% ～10% (摩 尔分数 ,下同 ) 波动 。为此 , 对不同进料量和不同 进料组成两种情况下的操作进行了模拟优化 。 3. 1 不同进料量下的操作优化 以进 料 丙 烷 含 量 为 3. 445 6% 、 进 料量为 13 000 kg/ h下的操作为例 , 来寻求其最佳进料位 置 , 见图 4。可以看出 , 当进料位置在第 53板时 , 塔顶丙烯含量达到最高 , 同时塔釜丙烯含量达到 最低 ,表明最佳进料位置为 406 塔第 53 板。
406 A塔釜液相经泵输入 406塔顶 。 406 A塔顶设 有冷却器 , 406 塔釜 设有再 沸器 , 高含量 丙烯自 406 A塔顶产出 , 其余物料自 406 塔釜产出 , 要求 塔顶产出物的丙烯摩尔分数不小于 99. 6% , 塔釜 产出物中的丙烯摩尔分数不大于 10% 。
1— 丙烯原料 ; 2 —406 A 塔塔顶采出的精丙烯 ; 3—406 A 塔塔底采出 ; 4— 进 406 塔塔顶 ; 5— 从 406 塔塔顶采出的汽相 ; 6—406 塔塔釜采出的丙烷
孙卫国 ,伏妍 ,丁冠政 ,李洁 ,兰其盈
1 1 2 1 1
(1. 中国石油兰州化工研究中心 ,甘肃 兰州 730060; 2 . 中国石油兰州石化分公司 工程公司 , 甘肃 兰州 730060 )
摘要 : 利用 Aspen P lus软件 ,通过普通浮阀塔板代替 DJ 型塔板对丙烯精馏塔操作进行了稳态模拟 ,对 液泛系数进行了 76%的修正 ,得出了不同进料 量和不同进料组成下 的优化操作条件 。结果表 明 ,在相同 进料组 成 下 , 最 优 回 流 比 及 进 料 位 置 相 同 ; 丙 烯 精 馏 塔 操 作 优 化 后 , x (塔顶丙烯 ) 在 99. 6% 以 上 ,
(kg h- 1) 13 000 14 000 15 000 x (塔顶 丙烯 ) / % 99. 64 99. 64 99. 65 x( 塔釜 丙烯 ) / % 5. 88 5. 77 6. 38
源自文库
10% (摩尔分数 )时的操作进行模拟优化 , 结果见
最大液 泛系数
0. 579 0. 623 0. 667
塔釜温 度 /℃
61. 08 60. 48 60. 17 59. 94 59. 68 59. 54
冷却器负荷 /
( GJ h
- 1
再沸器负荷 /
关键词 :丙 烯精 馏塔 ; A spen P lus软 件 ; 稳态模拟 ; 操作优化 中图分类号 : TQ 053. 5; TQ 221. 21 + 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1009 - 0045 ( 2008) 01 - 0061 - 05
乙烯分离装置的能 耗占整个乙烯系统能耗 的 60% 。故改善其操作控制品质 , 从而有效地提 高乙烯分离过程中产品的质量和产量 , 是企业增 加经济效益 的一个关键 。针对 中国石油兰州石 化分公司 (以下简称为兰州石化 ) 24 万 t / a 烯烃 装置因进料量及进料 组成波动而造成装置操作 不稳定的问 题 , 本工 作以普通 浮阀塔板 代替 DJ 型塔板 , 并应用美国 A spen tech 公司的稳态模拟 软件 A spen P lus, 对丙烯精馏塔操作进行了稳态 模拟 ,对其液泛 系数进行了合理修正 , 得出了不 同进料量和不同进料组成下的优化操作条件 。 目前国内有数 篇文献报导 了使用不同模拟 软件对类似丙烯精馏塔进行的模拟分析 , 但在模 拟过程中 , 塔板效率多数按 100%进行核算 , 同时 在对新型或特殊塔板进行模拟时 , 对塔板特点考 虑不多 ,对模拟 软件的应用不够灵活 , 模拟结果 与实际操作并不十分吻合 [ 1 - 5 ] 。 1 丙烯精馏塔工艺流程 ① 2005 年 8 月兰州石化烯烃装置进行了扩容 改造 , 保留 了 原 丙 烯精 馏 塔 ( 406 塔 ) , 新 建了 406 A塔 , 并将 406 A 塔作为精馏段与 406 塔串联 操作 。 406 塔 共设 153 块 DJ - 3 型塔 板 , 塔径 3 000 mm ,板间距 450 mm; 406 A 塔共设 84 块 DJ 5 型塔板 ,塔径 3 400 mm , 板间距 450 mm。改造 后的双塔流程如图 1 所示 , 丙烯原料从 406 塔第 90 板进 入 , 406 塔 塔 顶气 相 进入 40 6 A 塔 釜 ,
图 6 不同塔釜产出量下的分离效果
表 1 不同进料量下的优化操作条件 进料量 /
( kg h
-1
)
13 000 14 000 15 000
进料位置 (406塔 ) 第 53板 第 53板 第 53板
质量回 流比
13. 5 13. 5 13. 5
塔釜产出量 / ( kg h - 1 ) 范围 选定 510 ～550 530 550 ～590 570 590 ～640 615
3. 2 不同进料组成下的操作优化 以相同的方法对进料量 15 000 kg / h, 进料中 丙烷 含量 组 成 分别 为 5% , 6% , 7% , 8% , 9% ,
表 3 不同进料组成下的优化操作条件
x (进料丙 烷 ) /% 5 6 7 8 9 10
进料位置 ( 406塔 ) 第 60板 第 67板 第 71板 第 75板 第 78板 第 80板
图 5 不同质量回流比的分离效果
第 1 期 孙卫国等. 丙烯精馏塔的操作优 化
63
其他条件不变 , 将质量回流比调整为 13. 5, 来判定最合适的塔釜产出量 , 见图 6。可以看出 , 当塔釜产出量在 510 ～550 kg/ h时 , 塔顶 、 塔釜丙
表 3、 表 4。可以看出 : 不同进料组成下的最佳进 料位置不同 , 且随着丙烷含量的增加 , 最优进料 位置板数越来越大 , 最优质量回流比 、 塔釜产出 量随之增大 , 塔釜温度呈逐步下降趋 势 , 而塔顶 冷却器负荷 逐步上 升 , 但它们 的变 化幅 度都不 大 , 再沸器负荷变化不明显 ; 操作优化后 , x (塔顶 丙烯 )在 99. 6%以上 , x (塔釜丙烯 ) 在 10%以下 , 分离精度达到了指标要求。
第 26 卷 第 1期 石 化 技 术 与 应 用 Vol . 26 No. 1 2008 年 1 月 Petr ochem ical Technology & Applica tion Jan. 2008
工业技术 ( 61～65 )
丙烯精馏塔的操作优化
。
1— 塔壁 ; 2 — 降液管 ; 3— 复合填料 ; 4— 塔板 ; 5 — 导流板
图 2 DJ - 3型塔板结构示意
DJ - 5 型塔板采用了新型固定阀作为鼓泡元 件 (结构见图 3 ) , 较好地综合了筛孔塔板和浮阀 塔板的优点 。针对传统固定阀的缺点 , 新型固定 阀阀面侧边具有向下弯曲的折边 , 改变了从固定 阀侧孔中吹出的气体的方向 ,使气体从固定阀侧 孔中斜向下吹到塔板板面上 ,因此减少了雾沫夹 带量和漏液量 , 提高了塔板的处理能力和操作弹 性 , 同时强化了 塔板上气液接触传质 , 提高了塔 板传质效率 。在受液区设置新 型固定阀还可以 减少 DJ - 5 型塔板的冲击漏液量 , 其塔板效率和 操作弹性与浮阀塔板的相当 [ 12 - 13 ] 。
有效面积增大 , 压降降低 , 操作弹性增大 , 液体流 通能力可比一般塔板的高 30% ～50% 。 DJ - 3型塔板设有 2根降液管 , 相邻两板的降 液管互成垂直排列 ,其塔板是复合型的 , 即在塔板 下复合了一薄层规整填料 (结构如图 2 所示 ) , 填 料层处于气相空间 ,当负荷高时 ,起到了抑制雾沫 夹带作用 , 使塔板效率可提高 10% ～15% , 气相通 量可提高 15% ～20%。因此 , DJ - 3型塔板除具有 大通量 、 高弹性的特点外 , 还具有高效率的优良特 性 ,其板效率与浮阀塔板的相当
质量 回流比
14. 5 14. 9 15. 3 15. 7 16. 0 16. 2
塔釜产出量 / ( kg h - 1 ) 范围 选定 840 ～900 870 1 010 ～1 080 1 045 1 170 ～1 250 1 210 1 330 ～1 420 1 375 1 500 ～1 600 1 550 1 660 ～1 770 1 715
塔釜温 度 /℃
62. 356 62. 375 62. 273
冷却器负 荷 / ( GJ h - 1 )
- 52. 475 7 - 56. 513 6 - 60. 534 8
再沸器负荷 /
(G J h
- 1
)
53. 512 36 57. 633 84 61. 734 42
表 2 不同进料量下的优化分离结果 进料量 /
图 4 不同进料位置的分离效果
其他条件不变 ,将进料位置调整为第 53 板 , 来 寻求其最合适的质量回流比 , 见图 5。可以看出 , 质量回流比在 13 之上时 , 即可使分离精度达到要 求 ,考虑实际生产中的操作波动情况 ,为保证产品 质量 ,应当将质量回流比调整在 13. 2～13. 8。
烯含量都能合格 。这表明塔釜产出量对塔顶 、 塔 釜丙 烯 含 量 影 响 较 大 , 并 且 可 调 整 空 间 只 有 40 kg/ h, 因此生产中应严格控制塔釜产出量 , 以 避免生产波动引起的产品质量不合格 。 以相同 的方法 对进 料量为 14 000 kg/ h 和 15 000 kg/ h时的操作进行模拟优化 , 结果见表 1 与表 2。可以看出 , 不同进料量下的最佳进料位 置均为 406 塔第 53 板 , 合适的质量回流比均为 13. 5, 这说明在固定 进料组成下 , 进料量的变化 对最佳进料位置及回流比的选择影响不大 ; 塔釜 产出量的可调整范围较小。
图 3 DJ - 5型塔板新型固定阀结构示意
根据国内多年来的经验 ,丙烯精馏塔的塔板 效率一般在 0. 6 ～ 0. 7, 但是否准确 , 国内文 献报 道较少 ,已发表 的在进行模拟计算时 , 塔板效率 多数采用 1, 其模拟结果与实际操作并不完 全吻 合 。本工作在模拟核算中 , D J - 3 与 DJ - 5 塔板 效率按 0. 7 71 24 (厂家提供 ) 设定 。 A spen Plus软件不能直接模拟 D J 型塔板 ,为
图 1 丙烯精馏双塔工艺流程示意
2 D J - 3和 D J - 5 型塔板特点 DJ - 3 和 DJ - 5型塔板均系浙江工业大学研 究开发的新型高效大通量 DJ 系列塔板 , 均采用 了矩形降液管 ,呈悬挂式布置在塔板中间 。即降 液管底部并不浸在下层塔板的液体中 , 而是悬挂 在气相空间 , 这会使受液区也开孔鼓 泡 , 使塔板
收稿日期 : 2007 - 07 - 2 6; 修回日期 : 2007 - 11 - 2 8 作者简介 :孙卫国 ( 197 3 —) ,男 ,甘肃民勤人 ,工程硕士 ,工程 师 ,从事化学工程研究工作 。已发表论文 4 篇 。
①
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石 化 技 术 与 应 用 第 26 卷
[ 6 - 11 ]
了实现 A spen Plus软 件对丙烯精馏塔操作的模 拟 , 本工作用 普通 浮阀 塔板代 替了 DJ 型 塔板 。 但是普通浮阀塔板的流通能力与 DJ 型塔板的相 差较大 ,因此必须对塔板代替后的模拟数据进行 合理修正 , 先期校算表明 , 设计 操作条件下的最 大液泛系数为模拟结果的 76% ,故在以下的讨论 中液泛系数值均按模拟结果的 76%进行了修正 。 3 双塔操作优化 目前 , 装置进料量在 13 000 ～15 000 kg/ h间 波动 ,进料组成主要是丙烷含量在 5% ～10% (摩 尔分数 ,下同 ) 波动 。为此 , 对不同进料量和不同 进料组成两种情况下的操作进行了模拟优化 。 3. 1 不同进料量下的操作优化 以进 料 丙 烷 含 量 为 3. 445 6% 、 进 料量为 13 000 kg/ h下的操作为例 , 来寻求其最佳进料位 置 , 见图 4。可以看出 , 当进料位置在第 53板时 , 塔顶丙烯含量达到最高 , 同时塔釜丙烯含量达到 最低 ,表明最佳进料位置为 406 塔第 53 板。
406 A塔釜液相经泵输入 406塔顶 。 406 A塔顶设 有冷却器 , 406 塔釜 设有再 沸器 , 高含量 丙烯自 406 A塔顶产出 , 其余物料自 406 塔釜产出 , 要求 塔顶产出物的丙烯摩尔分数不小于 99. 6% , 塔釜 产出物中的丙烯摩尔分数不大于 10% 。
1— 丙烯原料 ; 2 —406 A 塔塔顶采出的精丙烯 ; 3—406 A 塔塔底采出 ; 4— 进 406 塔塔顶 ; 5— 从 406 塔塔顶采出的汽相 ; 6—406 塔塔釜采出的丙烷
孙卫国 ,伏妍 ,丁冠政 ,李洁 ,兰其盈
1 1 2 1 1
(1. 中国石油兰州化工研究中心 ,甘肃 兰州 730060; 2 . 中国石油兰州石化分公司 工程公司 , 甘肃 兰州 730060 )
摘要 : 利用 Aspen P lus软件 ,通过普通浮阀塔板代替 DJ 型塔板对丙烯精馏塔操作进行了稳态模拟 ,对 液泛系数进行了 76%的修正 ,得出了不同进料 量和不同进料组成下 的优化操作条件 。结果表 明 ,在相同 进料组 成 下 , 最 优 回 流 比 及 进 料 位 置 相 同 ; 丙 烯 精 馏 塔 操 作 优 化 后 , x (塔顶丙烯 ) 在 99. 6% 以 上 ,
(kg h- 1) 13 000 14 000 15 000 x (塔顶 丙烯 ) / % 99. 64 99. 64 99. 65 x( 塔釜 丙烯 ) / % 5. 88 5. 77 6. 38
源自文库
10% (摩尔分数 )时的操作进行模拟优化 , 结果见
最大液 泛系数
0. 579 0. 623 0. 667
塔釜温 度 /℃
61. 08 60. 48 60. 17 59. 94 59. 68 59. 54
冷却器负荷 /
( GJ h
- 1
再沸器负荷 /