一种提高炼油厂中吸收稳定系统能量效率的改进方法外文翻译资料

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一种提高炼油厂中吸收稳定系统能量效率的改进方法

X.G. Liu, C. He, C.C. He, J.J. Chen, B.J. Zhang**, Q.L. Chen*

摘要

在石化炼厂中，吸收稳定系统作为生产石油产品（即稳定汽油和液化石油气）的重要环节，其能耗较高进而导致花费较大。本文介绍了具有二级冷凝段的新的吸收稳定过程，以进一步提高能量利用效率。在新工艺中，将冷凝器、冷凝油箱和再沸器集成到原过程中，然后执行热集成方案。与现有工艺相比，改造后的工艺可以将冷公用工程和热公用工程分别降低17.98％和25.65％，降低热交换器网络的总成本17.48％。 此外，该改造工程可以将冷却水和蒸汽的年运营成本降低约346,617美元，而费用约为487,006美元，相应的回收期约为17个月。

关键词：吸收稳定系统、流程改进、能量利用效率、二级冷凝、热量集成

第一章 概述

吸收稳定系统通常用于处理来自在原油精炼设备催化裂化主分馏塔顶的压缩富气和粗汽油。明确地是，在这个生产过程中，干气和液化石油气（LPG）从压缩富气中被分离，而稳定汽油在粗汽油中被提炼出来。在现存的四塔吸收稳定过程，包括吸收塔，再吸收塔，解吸塔，稳定塔，这个过程广泛用于实现分离和提炼上面所提到的物质。在这个四塔吸收稳定过程中，吸收塔和解吸塔之间存在着紧密的联系，因为它们为彼此提供物料，即：从吸收塔底流出的富吸收油被用做解吸塔的液相物料；同样地，从解吸塔顶析出的解吸气被循环到吸收塔当作气相进料。吸收塔和解吸塔不仅在整个吸收稳定过程改善能源利用性能和对C_2-组分的回收率方面发挥重要的作用，而且对维护稳定塔正常操作方面也发挥着重要的作用。然而，由于它们的分离任务不同，这两个塔的操作条件和要求也通常不一样。因此，为提高整个系统的性能有必要揭示吸收塔和解吸塔之间相互互动和相互关联的关系。

解吸塔的进料模型，包括热进料，冷进料及物料分离-冷热双股进料，显著影响吸收塔和解吸塔的冷效用和热效用的需求。特别是热进料模型可以有效降低解吸塔的重沸器能耗，适当回收稳定汽油的热量盈余。然而，这种热进料模型可能会增加压缩油罐和吸收塔的进料流率，进而导致能量消耗的增加。此外，当我们采用热进料模型时，干气中C₃ 组分的浓度将会增加，LPG中C₃ 组分的浓度将会减少，当我们采用冷进料模型时，情况也是如此。这种冷进料模型减少压缩油罐和吸收塔的冷负荷，然而通常会增加解吸塔的再沸器能耗以及消耗更多的蒸汽。因此，通过结合这两种进料模型的优点，在过去的几十年里，冷热双股进料已经被用于降低干气中C₃ 组分的浓度和解吸塔的能耗。

在冷热双股进料流程中，浓缩油被分离成少部分冷物料进入解吸塔的塔顶，大部分热进料输送到解吸塔的中间位置。这种安排旨在回收稳定汽油的热量，减少解吸塔再沸器和稳定汽油冷却器的热负荷。冷热双股进料有个重要的优点在于提高产品质量，降低系统的燃料消耗。但是，研究发现解吸塔通常有相同组成但不同温度的进料流股，这种情况可能会扰乱正常的气液分布从而削弱了传质性能。Bandyopadhyay等人指出有多股不同温度和组成的物料有利于提高传质性能和蒸馏塔的分离效率。Binkley等人证明了理想的进料位置应该是蒸馏塔内部液相流量组成与进料物流组成相同的地方。鉴于以上研究，我们可以建议通过改变解吸塔双股进料的温度和组成有效地强化解吸塔的传质，进一步提高现有吸收稳定系统的能量利用性能。

近年来，工艺改变，过程集成和换热网络引起了更多的关注。Li GT等对吸收-侧线-稳定系统分析比较了这三种能量储存工艺，结果显示这三种工艺在经济和节能当面都有显著优势。Li GQ等基于过程集成提出了一个全新的流程和操作工况，导致显著的能源节省和C₃ 回收。在他的研究中，解吸塔采用了冷进料模型并安装侧线再沸器，并且一股侧线汽油从稳定塔抽出用作补充吸收剂。Lei Y等开发了一种新的吸收稳定系统的节能工艺，在吸收塔添加了一个侧线采出。尽管先前的研究阐述了许多设计改进的方法和它们应用的优点，没有研究系统地尝试阐明新改造过程的热量集成。非常值得提到地是，在吸收稳定系统流程改进之后一些节能机会通常会出现。

除了工艺改进，热量集成也提供了一个强大的工具来提高能源利用效率和减少用能的需求。众所周知，夹点技术，数学规划法，火用-经济分析这三种热量集成方法在以往研究中已广泛使用。基于夹点技术，Walczyk等人和Feng等人研发了一种改进换热网络的方法，并提出了如何定义在炼厂中换热网络边界的原则。Dhole等人扩展了蒸馏塔中使用的夹点分析，Nguyen等人和Cabrera-Ruiz等人采用柱式复合曲线（CGCC）来评估常规蒸馏和内热综合蒸馏塔（HIDiC）的性能，以实现蒸馏塔列与HEN之间的HI。这些图形技术给出了流程中热流的视觉感知。数学编程也被广泛用于获得最低的TAC，能量需求或过程的排放。基于LP，MILP模型，Diakaki等人和陈等人成功合成提供最低投资成本的HEN。最近，Navarro-Amorosa等人和张等人开发了新的数学模型，以同时针对炼油厂的柱和HEN的公用事业。在单元之间开发HI，并减少上层建筑模型的计算规模，基于间隔的MINLP和提出了MILP模型和遗传算法（GA），用于合成HEN。然而，上述方法仍然由于其非线性而难以解决工业大规模问题。此外，基于exergo-经济分析，Chen等人采取了exergo经济结构模型提高了分离系统的能源使用效率。 Morosuk等人和Kelly等人将能量消耗分解为内生/外生和不可避免/可避免的部分，以代表能量转换系统的能量分析的新发展。但是，这些方法在计算能量消耗及其投资成本时往往表现为极其复杂的计算。本文的目的是通过流程模拟和夹点技术，对现有的ASP进行热分解加热整合的系统研究。通过这种方式，在这项工作中引入了一个具有两级冷凝段的新型ASP。具体地说，在原ASP中加入冷凝器，冷凝油箱，再沸器，进行热积分。为了合理评估新的ASP的优势，现有的和新改造的ASP都将根据能源目标和技术经济评估进行优化和比较。现有的和新的ASP的精确和有效的HEN合成也使用阿斯彭能量分析仪。与现有的ASP相比，新的ASP具有两大优势。一个是有效避免现有ASP中解吸塔进料分离的潜在干扰。另一个是通过两级冷凝段和热集成有效地减少用电量，以及运行成本。同时考虑过程改造和热量整合，提高现有ASP双重进料的能源利用效率是本项工作的关键。

第二章 现有ASP的流程描述和模拟

2.1现有的ASP

图1显示了典型的ASP，包括吸收塔，再吸收塔，解吸塔和稳定塔以及其他辅助设备。可以看出，从FCC，DC或HC单元的主分馏器顶部压缩的富气首先与来自解吸塔的富吸收油冷却至40℃后，将混合物通过冷凝油罐A分离成气相和液相。将所得气体和液体流送入吸收塔的底部，然后，粗汽油和一部分稳定的汽油分别作为主要的吸收剂和补充吸收剂进入吸收塔的顶部。从吸收塔释放的热量由两个侧面冷却器除去。接下来，从吸收塔顶部排出的贫气直接进入再吸收塔的底部。为了从贫气回收干气（C2组分）和残余汽油，轻柴油作为吸收剂被同时引入再吸收塔的顶部。同时，来自罐A的物流被分成两股，作为解吸塔的双重进料。一股来自罐A的物流直接进入解吸顶部，另一股物流被预热至90℃并进入解吸塔的中间部分。解吸塔的底部产物预热至135℃，进入稳定塔的上部，其中液化石油气和稳定的汽油产品分别从顶部和底部回收。最后，通过与冷却水进行热交换，将稳定的汽油冷却至40℃。稳定汽油的一小部分（约占稳定汽油的四分之一）被回收到吸收塔。

2.2 过程模拟

ASP使用商业软件环境Aspen Plus V7.2完全模拟。 Peng-Robinson提出的热力学方法和嵌入Aspen Plus V7.2中的组件的物理性质用于该过程模拟。使用“RadFrac”模块来模拟所有四个塔。在这项研究中，ASP中有三种循环流：再循环解吸气体，富含吸收油和补充吸收剂。为了解决收敛问题，我们将仿真模型中的循环流分解，并将它们连接起来达到总收敛，直到分流数值之间的差异非常接近。这种模拟方法在文献中得到了广泛的研究。

表1和表2列出了所有进料流的性能参数，包括压力（P），温度（T），质量流量（F），密度（r，在20℃下测试），摩尔百分比（mol％），实沸点（TBP）。吸收塔，再吸收，解吸塔和稳定塔的规格列于表3。RVP是里德蒸汽压，其代表汽油蒸汽压，在37.8℃时蒸汽与油的体积比为四分之一。注意，在解吸塔中脱附的过量的C₃组分可能增加整个系统中C₃组分的循环量，进一步增加能量消耗。因此，为了保证干气质量，降低能源消耗，该模型规定了解吸气体和贫气中C₃组分的浓度分别应低于35.0mol％和2.0mol％。干燥气体产物的C_3-4摩尔浓度应低于99.2摩尔％。轻柴油仅用于吸收再吸收塔中的C₅ 组分。因此，C₃组分的浓度必须控制在吸收塔顶部的2％，以满足干燥气体的产品规格（即贫气中C₃组分的摩尔浓度应低于2.0mol％ ）。通过模拟原始ASP的Aspen Plus，我们可以根据产品规格分别获得C₃组分和解吸气体的摩尔流速为173.75千摩尔/小时和496.43千摩尔/小时。因此，C3组分的摩尔浓度控制在原ASP中解吸气体的35mol％（即解吸气体中总C_3-4组分的摩尔浓度应低于35.0mol％）。通过调整补充吸收剂流速，贫气中的C₃组分应控制在2.0mol％以下。类似地，解吸气体中的C₃组分应该是通过调节解吸塔再沸器的使用任务控制在35.0 mol％以下。注意，这些规范都来自工业数据，它们不能影响本文的计算结果和最终结论。在表4中比较了模拟结果和工业数据，表明达成了良好的一致性。进一步表明，彭罗宾逊的热力学方法和该模型中使用的模拟策略能够获得准确可靠的模拟结果。

第三章 过程和能量分析

3.1饲料分解对解吸塔的影响

ASP在进料分离中，冷凝油被分解成顶部的少量冷喂料，并在解吸塔中间分成多数热进料。热源由来自稳定塔的稳定的汽油加热。这种安排旨在回收稳定汽油的热量，减少解吸的热负荷再沸器和稳定的汽油冷却器。然而，发现解吸塔的进料分裂可能增加解吸气体的流速和C₃ 浓度，导致补充吸收剂流速的增加。不可避免地，为了满足产品规格，将全部增加整个系统的使用要求（即吸收塔，冷凝油池和稳定塔的冷负荷以及稳定塔的热负荷）。因此，从整个系统能源消耗的角度看，解吸的进料分流不利于系统节能。

3.2 四塔气液浓度分布分析

吸收和再吸收塔都用于从压缩的富含气体中吸收C₃ 成分并回收C_2-成分（即干气）。此外，使用稳定塔同时分离C₄组分（即LPG）和C₅ 组分（即稳定的汽油）。因此，C₂的浓度C₃组分被认为是吸收塔和再吸收塔分离性能的指标。类似地，C_3-4和C_5-6组分的浓度可以被认为是稳定塔中分离性能的指标。这里，C₂和C₃组分的浓度分布，以及C_3-4和C_5-6组件如图1所示。 2（AEC）。浓度贡献曲线的这些变化趋势均满足三塔分离要求。对于解吸塔，C₂组分的浓度应从底部向上逐渐增加，而C₃组分的浓度相反。然而，在气相中，C₃组分逐渐升高，C₂组分从底部到顶部逐渐落入第6至第2阶段之间，如图3所示。图3（a）。同样，在液相中，C₃组分在第六阶段之间逐渐升高，如图1所示。图3（b）。显然，解吸塔中C₂和C₃组分的正常气液相分布由于在不同温度下的进料分离而严重干扰，但相同组成。从分离性能的角度来看，进料分离将导致不良行为，包括反混和低效阶段，增加分离成本。

3.3 能源使用绩效的流程分析

现有ASP的能源消耗主要是由冷凝油箱的冷凝器，吸收塔的侧冷却器和解吸稳定塔的再沸器引起的。在图如图1所示，在该过程中观察到反复的冷却和加热行为，分离混合物流S04并预加热解吸塔S10的较低进料流。通过这种行为可以减少现有ASP的能量使用性能，这可以通过使用温度 - 焓（T-H）图来说明，如图1所示。黑曲线表示包括所有能量流的GCC，红色曲线表示涉及除了S04-S05和S10-S12之外的所有能量流的GCC，其分别以蓝色和紫色线标记。注意，在两个能量流中，前者是从S04到S05的冷却过程，后者是加热过程从S10到S12。在图如图4所示，水平轴上的段AB和AC的突出长度表示重复的冷却和加热过程的焓值。两个GCC之间的差异显示了反复冷却和加热对效用要求的影响。对于现有的ASP，随着能源流S4-S5和S10-S12的增加，冷电公用事业的总消耗量增加，而总的热电力消耗保持不变。可以推断，如果在通过原点时垂直线左侧的段S4-S5的斜率变得更陡，则底端的热流的加入将被降低，并且冷应用也将相关地减小。因此，S4-S5的质量流量或比热应降低。

3.4 热量积分分析

在现有的平均售价中，高品位的热电厂主要集中在解吸塔和稳定塔的再沸器上。 CGCC和GCC作为热力学工具，用于评估两塔之间热集成的潜力和过程。5（a）分别代表解吸塔背景过程和CGCC的GCC。 PCGCC和PGCC是CGCC和GCC的缩影。 GCC压缩PGCC以下的所有流股都可以被认为是加热低温的热源流股。显然，GCC可以提供热量来代替解吸塔的

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