石油蒸馏过程仿真研究与探讨（下）
日期：2008-10-19 12:44:45 来源：中国自动化网
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3 流程模拟实例研究
3.1 工艺过程概述美国Chevron公司为齐鲁石化胜利炼厂设计的单段一次通过加氢异构裂化装置(single-stageoncethroughisocracker,SSOT),以孤岛减压蜡油(VGO)为原料,生产喷气燃料、柴油、石脑油和未转化尾油.该装置工艺流程如图1所示,原料油先经两组并列的自动反冲洗过滤器除去大于25μm的机械杂质,进入缓冲罐,由进料泵升压后与氢气混合,经换热和加热炉加热至反应温度进入反应器.反应流出物经换热、冷却后至高压分离器,气相在吸收塔中经二乙醇胺溶剂(DEA)脱除气体中90%的H2S后作为循环氢,为保持循环氢较高的氢纯度,部分气体排放至普里森单元,回收氢气后经压缩升压与新氢混合;液相进入低压分离器分离出瓦斯气后,进入H2S汽提塔除去H2S和轻质组分,进入常压分馏塔切割出粗石脑油、喷气燃料、柴油和未转化尾油,粗石脑油送至石脑油稳定塔.
3.2 模拟计算SSOT装置的物系组成包括弱电解质H2S、NH3、H2O和CH4、C2H6、C3H8、C4H10(正构、异构)、C5以上等多种碳氢化合物.模拟计算中,根据物系的组成特点,对不同的操作单元选择相适应的物性模型.对H2S吸收塔和汽提塔进行模拟时,不应忽略液相中挥发性弱电解质对物系系统的影响,在含有H2S、NH3、H2O等挥发性弱电解质的液相中,不仅要考虑到汽液相平衡,而且要考虑到水相中电解质的化学反应和离解平衡.有关研究[10>表明,采用扩展的NRTL模型(ChenC.C.模型)来模拟含H2S、NH3、H2O的弱电解质体系是合理可行的.对于石油分馏塔,考虑到它属于低压蒸馏系统,故选用BK-10关联式进行热力学性质的计算.石油蒸馏塔具有多侧线采出、多中段循环取热的特点,属于复杂塔体系,运用AspenPlus模拟石油蒸馏装置十分复杂.本文充分运用了Aspen的设计规范、灵敏度分析和优化模块,采用局部流程优化与操作参数优化的方式对分馏塔进行模拟,可以较快收敛,获得很好的计算结果.
3.3 模拟计算结果及分析该装置产品包括石脑油、喷气燃料、柴油和尾油.关键物性及产品分布的计算结果如表2、表3所示,产品蒸馏曲线如图2、3、4、5所示.从计算结果中可以看到,运用AspenPlus对齐鲁石化公司单段一次通过加氢异构裂化装置分离工艺流程进行模拟,所得结果与原美国Chevron公司设计的工艺包数据基本吻合,表明所选物性方法和热力学模型是切实可行的,用于石油馏分的蒸馏计算可以获得较满意的结果.
但是,AspenPlus的模拟结果仍然不够精确,分析计算过程及输出结果,可能存在以下几方面的原因:
1)虚拟组分的概念及切割方法具有半理论半经验的特点,通常虚拟组分应足够窄,而用来评价产品性质的恩式蒸馏ASTMD86曲线是一种难以模拟的曲线,AspenPlus完全采用经验的方法从虚拟组分的实沸点曲线转换而来.
2)我国原油中的组分普遍较高,实验很难获得重馏分(大于500℃)的实沸点曲线,AspenPlus采用曲线延伸的方法进行虚拟组分处理,预测其热力学性质,这是产生误差的重要原因.
3)每种热力学模型都有其适用范围和误差,石油分馏塔的塔顶塔底温度相差较大,采用同一种热力学方法产生的误差也是不容忽视的.
4)汽提蒸汽的引入增强了蒸馏系统的非理想性,给物性计算带来了困难和误差.
5)缺乏塔顶轻端组分的分析数据也会造成塔顶温度及其他参数的计算误差.AspenPlus在石油蒸馏计算方面,摆脱了过去主要依靠经验图表的计算方式,将石油馏分进行虚拟组分处理,通过汽液相平衡模型的关联,完成蒸馏塔的严格逐板计算.虽然在准确模拟方面还存在许多不足,但在石油蒸馏计算方面做出的贡献是十分突出的.
4 结 语
石油和石油馏分的复杂性决定了石油科学是一门以实验为主的科学,而石油蒸馏塔的复杂性又决定了石油蒸馏计算离不开长期经验的累积.实验数据的缺乏、物性系统的非理想性以及精馏塔各变量间的耦合都是导致计算结果不准确的重要原因.因而石油蒸馏计算是一个逐步探索并不断完善的过程,这不仅需要石油科学和计算科学的不断发展与完美配合,也需要流程模拟工作者将现场经验用于蒸馏计算之中.随着计算机技术与人工智能方法的发展,人们已将神经网络理论与遗传仿生算法应用于石油蒸馏工艺之中,在产品性质估算[11>、过程系统优化[12>以及装置先进控制[13>方面获得了较满意的结果,相信在不久的将来,石油蒸馏计算会取得长足的进步.
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3.1 工艺过程概述美国Chevron公司为齐鲁石化胜利炼厂设计的单段一次通过加氢异构裂化装置(single-stageoncethroughisocracker,SSOT),以孤岛减压蜡油(VGO)为原料,生产喷气燃料、柴油、石脑油和未转化尾油.该装置工艺流程如图1所示,原料油先经两组并列的自动反冲洗过滤器除去大于25μm的机械杂质,进入缓冲罐,由进料泵升压后与氢气混合,经换热和加热炉加热至反应温度进入反应器.反应流出物经换热、冷却后至高压分离器,气相在吸收塔中经二乙醇胺溶剂(DEA)脱除气体中90%的H2S后作为循环氢,为保持循环氢较高的氢纯度,部分气体排放至普里森单元,回收氢气后经压缩升压与新氢混合;液相进入低压分离器分离出瓦斯气后,进入H2S汽提塔除去H2S和轻质组分,进入常压分馏塔切割出粗石脑油、喷气燃料、柴油和未转化尾油,粗石脑油送至石脑油稳定塔.
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3.2 模拟计算SSOT装置的物系组成包括弱电解质H2S、NH3、H2O和CH4、C2H6、C3H8、C4H10(正构、异构)、C5以上等多种碳氢化合物.模拟计算中,根据物系的组成特点,对不同的操作单元选择相适应的物性模型.对H2S吸收塔和汽提塔进行模拟时,不应忽略液相中挥发性弱电解质对物系系统的影响,在含有H2S、NH3、H2O等挥发性弱电解质的液相中,不仅要考虑到汽液相平衡,而且要考虑到水相中电解质的化学反应和离解平衡.有关研究[10>表明,采用扩展的NRTL模型(ChenC.C.模型)来模拟含H2S、NH3、H2O的弱电解质体系是合理可行的.对于石油分馏塔,考虑到它属于低压蒸馏系统,故选用BK-10关联式进行热力学性质的计算.石油蒸馏塔具有多侧线采出、多中段循环取热的特点,属于复杂塔体系,运用AspenPlus模拟石油蒸馏装置十分复杂.本文充分运用了Aspen的设计规范、灵敏度分析和优化模块,采用局部流程优化与操作参数优化的方式对分馏塔进行模拟,可以较快收敛,获得很好的计算结果.
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3.3 模拟计算结果及分析该装置产品包括石脑油、喷气燃料、柴油和尾油.关键物性及产品分布的计算结果如表2、表3所示,产品蒸馏曲线如图2、3、4、5所示.从计算结果中可以看到,运用AspenPlus对齐鲁石化公司单段一次通过加氢异构裂化装置分离工艺流程进行模拟,所得结果与原美国Chevron公司设计的工艺包数据基本吻合,表明所选物性方法和热力学模型是切实可行的,用于石油馏分的蒸馏计算可以获得较满意的结果.
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但是,AspenPlus的模拟结果仍然不够精确,分析计算过程及输出结果,可能存在以下几方面的原因:
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1)虚拟组分的概念及切割方法具有半理论半经验的特点,通常虚拟组分应足够窄,而用来评价产品性质的恩式蒸馏ASTMD86曲线是一种难以模拟的曲线,AspenPlus完全采用经验的方法从虚拟组分的实沸点曲线转换而来.
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2)我国原油中的组分普遍较高,实验很难获得重馏分(大于500℃)的实沸点曲线,AspenPlus采用曲线延伸的方法进行虚拟组分处理,预测其热力学性质,这是产生误差的重要原因.
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3)每种热力学模型都有其适用范围和误差,石油分馏塔的塔顶塔底温度相差较大,采用同一种热力学方法产生的误差也是不容忽视的.
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4)汽提蒸汽的引入增强了蒸馏系统的非理想性,给物性计算带来了困难和误差.
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5)缺乏塔顶轻端组分的分析数据也会造成塔顶温度及其他参数的计算误差.AspenPlus在石油蒸馏计算方面,摆脱了过去主要依靠经验图表的计算方式,将石油馏分进行虚拟组分处理,通过汽液相平衡模型的关联,完成蒸馏塔的严格逐板计算.虽然在准确模拟方面还存在许多不足,但在石油蒸馏计算方面做出的贡献是十分突出的.
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4 结 语
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石油和石油馏分的复杂性决定了石油科学是一门以实验为主的科学,而石油蒸馏塔的复杂性又决定了石油蒸馏计算离不开长期经验的累积.实验数据的缺乏、物性系统的非理想性以及精馏塔各变量间的耦合都是导致计算结果不准确的重要原因.因而石油蒸馏计算是一个逐步探索并不断完善的过程,这不仅需要石油科学和计算科学的不断发展与完美配合,也需要流程模拟工作者将现场经验用于蒸馏计算之中.随着计算机技术与人工智能方法的发展,人们已将神经网络理论与遗传仿生算法应用于石油蒸馏工艺之中,在产品性质估算[11>、过程系统优化[12>以及装置先进控制[13>方面获得了较满意的结果,相信在不久的将来,石油蒸馏计算会取得长足的进步.
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