基于Aspen Plus的柴油加氢装置燃料气能耗优化.pdf

2023年 第5期基于Aspen Plus的柴油加氢装置燃料气能耗优化郭雅静，徐善君（中国石油乌鲁木齐石化公司，新疆 乌鲁木齐 830000）摘要：针对柴油加氢装置节能降耗的需求，利用Aspen Plus 软件，以某炼油厂180104t/a柴油加氢装置为模型分别建立反应系统和分馏系统的模型，进行降低燃料气消耗的研究。结果表明，模型模拟值与实际值基本一致，能够代表装置的实际运行状况。对反应系统的优化模拟表明，在理想情况下，将E101壳程副线流量设置为37.0 t/h时，F101入口温度可达到337.9，可节省燃料气的费用为394.20104元/a；对分馏系统的优化模拟表明，提高C202进料温度至模拟出的最佳温度229.0，能够降低F201燃料气用量，但是会使E201负荷升高，会对设备造成影响，同时也会对精制柴油后续换热效果产生影响，如导致G201低压蒸汽发汽量降低。综合考虑，提高C202进料温度至229.0，可节约成本3.68104元/a。关键词：柴油加氢；燃料气；Aspen Plus中图分类号：TE966文献标识码：B文章编号：1671-4962（2023）05-0043-06Fuel gas energy consumption optimization ofdiesel hydrogenation unit based on Aspen PlusGuo Yajing，Xu Shanjun（PetroChina Urumchi Petrochemical Company，Urumchi 830000，China）Abstract:In view of the demand of energy saving and consumption reduction of diesel hydrogenation unit,the reaction system andfractionation system models of a 180104t/a diesel hydrogenation unit in a refinery were established by Aspen Plus software to studythe reduction of fuel gas consumption.The results showed that the simulated values of the model were basically consistent with theactual values,and can represent the actual operating conditions of the unit.The optimal simulation of the reaction system showedthat under ideal conditions,when the subline flow rate of E101 shell was set to 37.0 t/h,the inlet temperature of F101 can reach337.9,and the cost of fuel gas can be saved by 3.942 million yuan/a.The optimization simulation of the fractionation systemshowed that increasing the feed temperature of C202 to the simulated optimal temperature of 229.0 can reduce the fuel gasconsumption of F201,but it will increase the load of E201,which will affect the equipment and the subsequent heat transfer effect ofrefined diesel,such as reducing the steam output of G201 low-pressure steam.Overall consideration,raising the C202 feedtemperature to 229.0 can save the cost of 36,800 yuan/a.Keywords：diesel hydrogenation；fuel gas；Aspen Plus柴油加氢是高温、高压、耗氢的反应过程，需要消耗较多的能量1。目前，随着产品指标要求严格，对物料反应的苛刻度增加，导致加氢装置反应炉消耗燃料上升，因此对加氢装置节能降耗的要求越来越高，相关研究也随之增加。但是针对降低占比最大的燃料气消耗2的研究仍然较少。文中利用 Aspen Plus 软件，以 180104t/a 柴油加氢装置为原型建立模型，分别对反应和分馏部分的工艺流程进行模拟优化，对热量进行合理的分配，在生产低硫高质量柴油的同时，降低装置燃料气能耗，提高装置用能水平，减少碳排放。1 建立模型Aspen Plus 是 1 款可用于工艺流程优化的软件，能够通过模拟改进炼油流程。文中利用AspenPlus分别建立某炼油厂180104t/a柴油加氢装置反应系统和分馏系统的模型。在反应系统中，劣质汽柴油原料与 1.90 MPa的H2混合，通过反应加热炉加热到329.0，在催化剂作用下，将原料中含S、O、N等元素的化合物转化成易脱除的H2S、NH3和H2O，同时使烯烃、多环芳烃饱和；原料经以上处理后，通过分离器脱除部分轻组分，改善的油品最终进入分馏系统3。炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY43炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY第34卷分馏系统是通过分馏塔和汽提塔一起进行的。从反应系统来低分油进入脱 H2S 汽提塔（C201）第3层塔盘，塔底通入中压蒸汽，塔顶油气经脱H2S塔顶气低温热水换热器、汽提塔顶空冷器、汽提塔顶水冷器冷却，进入汽提塔顶回流罐进行气、油、水分离，闪蒸出的气体送至下游装置。油相经汽提塔顶回流泵升压后1部分作为塔顶回流，另1部分送至下游装置。脱H2S汽提塔底流出的汽提塔底油经汽提塔底油精制柴油换热器和精制柴油换热后进入产品分馏塔的第22层塔盘，塔顶油气经分馏塔顶气低温热水换热器、分馏塔顶空冷器、分馏塔顶冷却器冷却，进入分馏塔顶回流罐进行油、水分离。油相经分馏塔顶回流泵升压后部分作为塔顶回流，部分作为石脑油产品经石脑油冷却器冷却后送至重整装置。产品分馏塔底流出的精制柴油部分经分馏塔底重沸炉泵升压后进入分馏塔底重沸炉加热后回流至产品分馏塔底部，部分柴油经精制柴油泵升压，冷却后送出装置。1.1 反应系统模型以某炼油厂180104t/a柴油加氢装置为原型构建的反应系统Aspen模型，见图 1。?-100D102-R101-、R10278TEE100-MIX101-P102-6wp10224P101-W101E202-13MIX102-11E101-?D10316?F101-?15E101?31D102-D101-图 1 180104t/a柴油加氢装置反应系统模型模拟结果中的部分关键参数与实际工况数据对比见表 1。表1部分关键参数与实际工况数据对比项 目进料量/（t h-1）E101壳程温差/E101管程温差/E101壳程副线流量/（t h-1）F101燃料气流量/（m3 h-1）炉前温度/炉后温度/F101炉前炉后温差/模拟值220.0147.5139.750.0394.6329.1338.012.0实际值215.0177.8155.545.0347.0329.5338.09.5可以看出，模拟所得各部分温度、压力等与实际工况基本相符，说明模型较为准确，能够反映装置实际生产运行状况，可进行下一步的优化模拟。1.2 分馏系统模型以该柴油加氢装置为原型构建了分馏系统Aspen模型，见图 2。在分馏系统的流程中，分馏塔需要大量的热量，燃料气也会过多消耗。利用该装置分馏系统的实际工况数据作为模拟计算条件，采用由精制柴油、石脑油、轻烃、酸性气混合成1股物流作为系统进料。柴油、石脑油分析数据，酸性气、轻烃的组成见表 2、3。F201-?-2?-2wq202F201?-2RCY3-P203-wp203203?202?202qhC202?202w202QCc202?C202-E2011-C201?C201?201Wqc201201vC201-E202-?202-MX100P202-1412?-201?-201?-201图 2 180104t/a柴油加氢装置分馏系统模型442023年 第5期表2精制柴油、石脑油分析数据项 目密度（20）/（g m-3）S含量/（g g-1）N含量/(g g-1)馏程/初馏点10%50%90%终馏点十六烷值石脑油744.24.00.547.287.4132.2156.4174.0-精制柴油811.42.02.0168.3195.0236.7317.0349.753表3酸性气、轻烃的组成项 目H2甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷C5N2CO2H2S酸性气36.117.716.215.36.43.01.02.70.60.9轻烃3.33.012.629.118.416.117.5-模拟结果中的部分关键参数与实际工况数据对比见表 4。由表4可以看出，模拟所得各部分温度、压力、产品质量和各物流抽出量与实际工况基本相符，说明模型较为准确，能够反映装置实际生产运行状况，可进行下一步的优化模拟。表4关键参数与实际工况数据对比项 目实际值模拟值塔顶温度/146.0142.0塔底温度/266.0270.0塔顶压力/MPa0.170.18石脑油产量/（t h-1）30.030.5柴油产量/（t h-1）180.0176.01.3 精制柴油换热流程分馏系统的产品精制柴油经过 E201、G201、E202、E203、E209 冷却后送出装置。若尝试通过分馏塔进料温度调节燃料气的消耗，会对精制柴油的换热流程产生影响。因此，为了强化精制柴油的热量回收，构建的精制柴油的换热模型见图 3。对应的换热物流工艺参数及换热器负荷见图 4。可以看出，精制柴油先与温度最高的汽提塔底油换热，然后再与温度较高的除氧水和原料油换热，最后与温度最低的低温热水与循环水换热。该流程符合热量梯级利用原理。G201?G201?202E202-?209E209-?209?203E203-?203?201203?P203-wp203E2011-12C201?G201?图3 180104t/a柴油加氢装置分馏系统模型?210 t h/194?179 t h/278 8.?E201-218?4 338 kW?20 t h/99?179 t h/248?G201-8 917 kW?215 t h/80?179 t h/197 6.?E202-127?6 012 kW179 t h/148?E203-5 406 kW179 t h/100?E209-959 kW179 t h/40?50?图4 精制柴油换热流程郭雅静，等.基于Aspen Plus的柴油加氢装置燃料气能耗优化45炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY第34卷2 反应系统燃料气能耗优化目前，180104t/a柴油加氢装置的燃料气的消耗主要是加热炉F101和F201，其中F101给反应器提供热源，F201为分馏塔塔底提供热源。目前反应器加热炉 F101 瓦斯消耗量维持在 330.0380.0 m3/h（标准）。设计时，F101计划仅在开工时升温使用，正常运行时可不使用。F101瓦斯用量的增加原因有2个。（1）催化剂活性下降，为确保产品质量，将反应器入口温度提高；（2）装置反应热量未被充分利用，炉前高压换热器E101换热不充分，也导致F101能耗增加。2.1 E101壳程副线流量对F101能耗的影响混合进料先进入换热器（E-101）换热后，进入反应进料加热炉（F-101）加热，再进入加氢精制反应器（R-101），因此，尝试通过调节E101壳程副线流量以提高F101入口温度来降低反应系统燃料气消耗量。在保持F101出口温度为338.0 不变的情况下，通过调节E101壳程副线流量以提高F101入口温度，从而节省燃料气消耗量。其中，横坐标为E101 壳程副线流量，纵坐标为 F101 燃料气消耗量，具体结果见表5和图5。表5E101壳程副线流量对F101燃料气流量和管程出口温度的影响E101壳程副线流量/（t h-1）37.039.040.042.045.048.050.0F101入口温度/337.9336.4335.9334.4332.5330.4329.1燃料气流量/（m3 h-1）0.069.9105.2175.1250.7385.4394.6E101管程出口温度/203.5204.9205.7207.2209.5211.5213.3E101负荷/kW44 34043 92243 73043 31242 70042 09341 68036328F101?/?E101?/(?th-1)38404244464850330332334336338?/(m3?h-1)0100200300400F101?图5E101壳程副线流量对F101燃料气流量以及入口温度的影响从图5中可以看出，随着E101壳程副线流量减少，F101入口温度逐渐增加，加热炉的燃料气消耗量逐渐降低，可节省燃料气394.6 m3/h。因此，适当降低E101壳程副线流量有利于降低加热炉燃料气的消耗。不同壳程副线流量情况下，对E101的负荷与管程出口温度进行了研究，结果见图 6。由图 6 可以看出，降低 E101 壳程副线流量，F101入口温度增加，燃料气消耗降低。但是随着E101壳程副线流量减少，E101负荷增加，而管程出口温度下降。如此会导致换热设备E101负荷增加，要增加E101的投资，同时也会导致E101管程出口温度，即D103入口温度降低，会对后续设备造成影响，如温度过低会导致铵盐结晶，空冷管束堵塞。所以需要以综合效益最大化为目标，综合权衡2方面因素。360?/(m3?h-1)E101?/(?th-1)E101?/kW41 5.?E101?1002003004003840424446485042 0.42 5.43 0.43 5.44 0.44 5.图6E101壳程副线流量对E101负荷的影响2.2 经济效益前文模拟结果表明，在理想情况下，将E101壳程副线流量设置为37 t/h时，E101管程出口温度为203.5，E101壳程出口温度，即F101入口温度可达到337.9。在此条件下，如果停用F101，也能够满足反应器R101入口温度要求。目前，F101燃料气消耗量462023年 第5期为 300.0 m3/h，如果停用 F101，可以节省燃料气的费 用 为：300.0 m3/h 1.5/kg 24 h 365 d=394.2104元/a。3 分馏系统分馏系统中，精制柴油是重要的高温热源，将其与汽提塔底油进行换热（E201），来提高分馏塔进料温度，降低能耗，但是由于温差较大，其能量损耗也较大；同时，分馏塔进料温度低，塔底需要重沸炉（F201）提供大量热量，消耗较多燃料气。因此，该装置分馏系统可以通过调节C202进料温度来降低能耗，提高效率。3.1 分馏塔进料温度对重沸炉负荷的影响分馏塔的作用是切割石脑油和柴油，保证柴油质量。首先，在保持分馏塔塔底回流不变的情况下，通过调节分馏塔进料温度以讨论其对F201热负荷的影响。结果见表 6。根据表 6制得图7，横坐标为温度，纵坐标为F201负荷及燃料气流量。表6分馏塔进料温度对重沸炉负荷的影响C202进料温度/225.0227.0230.0232.0235.0237.0F201负荷2 9302 8852 8172 7722 7492 659燃料气流量/（kg h-1）354.3345.0331.0321.7302.9298.4E201负荷/kW9 8719 9039 9529 98410 01010 065壳程温差/85.986.286.686.887.087.4234236300310320330340350?F201?2242 65.F101?/kWC202?/?/(m3?h-1)2902 70.2 75.2 80.2 85.2 90.2 95.226228230232图7分馏塔C202进料温度对F201的影响由图 7 可以看出，随着分馏塔进料温度由225.0 提高到235.0，重沸炉的负荷逐渐降低，可节省燃料气51.4 kg/h。因此，适当提高分馏塔入口温度有利于降低分馏塔塔底加热炉燃料气的消耗。目前，提高C202进料温度的方法之一是调节E201的副线。将E201的副线TIC20703关小，则进行换热的汽提塔底油增多，未进行换热的温度低的汽提塔底油减少，C202进料温度提高，流程见图 8。不同进料温度下，对E201的负荷与管壳程温差进行研究，结果见图9。从图9可以看出，随着进料温度的增加，E201负荷也增加。提升分馏塔进料温度，分馏塔底重沸炉负荷降低、燃料气用量降低，降低能耗。将F201 与 F201 负荷进行比较，若仅从 F201 与 E201负荷的角度来看，229 是C202最佳进料温度。C201-E201-FIC20102-TIC20703-C202-F201-图8180104t/a柴油加氢装置分馏系统流程2 95.9 90.9 95.10 00.10 05.F201?E201?2262282302322342362 70.2 75.2 80.2 85.2 90.2242 65.F101?/kWC202?/?E201?/kW9 85.图9分馏塔C202进料温度对F201与E201负荷的影响然而提高进料温度要增加换热设备E201的投资4，同时过高的进料温度也会导致精制柴油收率降低。因此需要以综合效益最大化为目标，综合权衡2方面因素。郭雅静，等.基于Aspen Plus的柴油加氢装置燃料气能耗优化47炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY第34卷3.2 经济效益以上模拟结果表明，提高C202进料温度，能够降低F201燃料气用量，但是提高C202进料是通过提高E201负荷实现的。提高E201负荷会对设备造成影响，同时也会导致 E201 管程侧精制柴油温度降低，会对后续G201的换热效果产生影响，导致G201低压蒸汽发汽量降低，造成损失。在计算经济效益时需将此部分纳入。因此，将G201负荷固定，研究分馏塔进料温度对G201发汽量的影响，模拟结果见表7。表7分馏塔进料温度对E201负荷的影响C202进料温度/225.0230.0235.0除氧水量/（t h-1）8.18.07.9低压蒸汽量/（t h-1）8.18.07.9根据模拟结果可以看出，进料温度对G201发汽量的影响可近似看做1次函数，进料温度每上升1.0，发汽量下降0.066 t/h。分馏塔进料温度对重沸炉燃料气的用量也可看做1次函数，进料温度每上升1.0，燃料气用量下降5.14 kg/h。因此，进料温度每上升1.0，可节省费用为：5.14 kg1.5 元/kg-0.066 t（110 元/t-9 元/t）=1.05 元/h。目前 C202 进料温度为 224.0，若上升到模拟出的最佳温度229.0，可节省费用4.2 元/h，可节约成本：4.236524=3.68104元/a。4 结束语（1）利用 Aspen Plus 软件分别建立某炼油厂180104t/a柴油加氢装置反应系统和分馏系统。结果表明，模拟值与实际值基本一致，能够代表装置的实际运行状况，可以进行后续的模拟与优化。（2）对反应系统的优化模拟表明，在理想情况下，将E101壳程副线流量设置为37.0 t/h时，F101入口温度可达到 337.9。此条件下，如果停用F101，也满足反应器R101入口温度要求。可节省燃料气的费用为394.2104元/a。（3）对分馏系统的优化模拟表明，提高 C202进料温度至模拟出的最佳温度229.0，能够降低F201燃料气用量，但是会使E201负荷升高，会对设备造成影响，同时也会对精制柴油后续换热效果产生影响，如导致G201低压蒸汽发汽量降低。参考文献：1 王献军，田涛，王北星，等.柴油加氢装置分馏系统模拟及进料温度影响分析 J.中外能源，2014，19（07）：82-86.2 李俞昊，朱脉，杨玉婷，等.催化汽油加氢脱硫工艺技术现状及节能方向研究 J.科技风，2020（29）：114-115.3薛海锋.镇海炼化80104t/a汽柴油加氢装置能耗现状与对策 J.中外能源，2011，16（02）：100-103.4 秦建昕.140104t/a 柴油加氢精制装置工艺优化及节能研究 D.西安：西北大学，2021，02.5 黄海鹏.柴油加氢装置分馏塔的操作优化与节能改造 J.石油炼制与化工，2022，53（02）：111-116.收稿日期：2023-07-10作者简介：郭雅静，女，助理工程师，2021年硕士研究生毕业于天津大学环境工程专业，现从事石油炼制方面的工作。E-mail：48