原油常减压蒸馏过程流程模拟

第20卷　第2期　　　　　　　　　石油化工高等学校学报　　　　　　　　　Vol . 20　No . 2

2007年6月　　　　　　　　　J OU RNAL 　OF 　PETROCH EMICAL 　UN IV ERSITIES 　　　　　　　　J un. 2007

　　文章编号:1006-396X (2007) 02-0034-06

原油常减压蒸馏过程流程模拟

葛玉林1,2, 　沈胜强1

(1. 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁大连116024; 　2. 锦州石油化工公司设计院, 辽宁锦州121001)

摘　要:　在现有原油常减压装置基础上进行了扩容改造, 为了验证扩容后的常减压装置能否满足工艺要求, 需要对流程进行调整。基于蒸馏原理, 对常减压蒸馏塔建立包含质量平衡、相平衡、摩尔分数归一化和能量平衡等方程构成的M ESH 模型, 在Pro/II 平台上进行流程模拟, 获得各塔侧线产品的温度和压力等关键参数, 并与现场工艺要求进行对比。流程模拟结果与现场工艺要求吻合良好, 说明模型可靠, 流程满足工艺要求。各蒸馏塔温度和气液流量沿塔板数的分布侧形图反映进出口物料和中段冷却循环对蒸馏过程的影响。

关键词:　原油; 　常减压蒸馏; 　流程模拟

中图分类号:　TQ342. 206; TP311. 56　　　　A

Flow Simulation of At Distillation for Crude Oil

lin 1, EN Sheng -qiang 1

(1. School of Energ , Dalian Universit y of Technolog y , Dalian L iaoning 116024, P. R. China;

2. Desi gn I of J i nz hou Pet rochemical Corporation , J inz hou L iaoning 121001, P. R. China )

8J anuary 2007; revised 11A p ril 2007; acce pted 18A p ril 2007

Abstract :　New flow was need to be rearranged in order to satisfy the requirement of technology due to the reconstruction of atmosphere -vacuum distillation equipment for enlarging working ability in the present condition. Based on the f undamental of distillation , M ESH model including equations of mass balance , phase equilibrium , mole f raction summations and heat balance for atmosphere -vacuum distillation column was established. The key parameter such as temperature and pressure of product was obtained through solution of the model on Pro/II platform. The comparison of simulation results with requirement of spot technology was analyzed. G ood agreement between the results of simulation and requirement of spot technology approves that the model is valid and the rearrangement of flow satisfies the requirement of technology. The profiles of temperature and rate of vapor and liquid versus tray number reflect the influence of feeds , products , and cooling cycle in the middle of columns on process of distillation very well.

K ey w ords :　Crude oil ; Atmosphere -vacuum distillation ; Flow simulation

Corresponding author. Tel. :+86-411-84707963; fax :+86-411-84707963; e -mail :[email protected]. cn

　　流程模拟是化工系统工程中最基本的技术之一[1-2], 无论是过程系统的分析和优化[3-4], 还是过程系统的综合, 都是以流程模拟为基础的[5-7]。稳态流程与时间无关, 是化工流程模拟中应用最为普遍的重要技术之一, 需要建立质量平衡、相平衡、摩尔分数归一化和能量平衡等(M ESH —Mass balances , Equilibrium relations , mole f raction Summations and Heat balances ) 方程构成的数学模

收稿日期:2007-01-08

作者简介:葛玉林(1963-) , 男, 山东日照市, 高级工程师, 博

士。

基金项目:辽宁省科技攻关项目(2005224001) 。

型来描述其工艺流程中状态参数的分布情况[6, 8-9]。本文拟在蒸馏原理的基础上, 建立稳态原油常减压蒸馏过程的M ESH 模型, 在Pro/II 平台上对模型进行求解, 获得各侧线产品的蒸馏参数以及各蒸馏塔的温度和气液流量沿塔板数的分布情况。

1　原油常减压蒸馏工艺

　　图1为常减压蒸馏工艺流程。混合原油由A1L H ,A1SHL ,A1DUBA 和A1SD 4种原油以及

水S23通过混合器M1进行混合获得。原油物料经过换热器TQ HR 和换热器T H HR 加热到一定的

　第2期　　　　　　　　　　　　　　葛玉林等. 原油常减压蒸馏过程流程模拟35

温度后进入到初馏塔T1进行初级蒸馏, 获得初馏塔塔顶产品ZDQ Y 和水S4, 塔底物料S5经过泵P1增压后进入换热器B T YHR 和加热炉C Y L U 进行加热。加热后的物料进入到常压塔T2中进行蒸馏, 获得塔顶产品CDQ Y 和水S10, 并从不同塔板位置抽取3个虚拟物流S35,S36和S37进行中段冷却循环, 并在不同塔板位置开3个侧线, 通过3个汽

提塔SS1, SS2和SS3分别获得产品C1X , C2X 和C3X 。常压塔塔底物料S18经过泵P2增压后进入到减压炉J Y L U 加热升温后, 进入减压塔T3进行蒸馏, 获得塔顶产品J 5D YQ 和水S16, 从塔侧开4个侧线分别获得侧线产品J 1X ,J 2X ,J 3X 和J 4X , 塔底产品为S26。初馏塔、常压塔、减压塔和各汽提塔都用不同的蒸气进行了汽提

。

Fig. 1　G raph of flow

图1　流程图

2　蒸馏过程数学模型

　　原油常减压蒸馏工艺是一种典型的蒸馏分离工艺。常减压装置主要是由初馏塔、常压塔和减压塔

组成, 通过蒸馏从而得到符合要求的产品。　　在建立塔模型时, 将蒸馏塔冷凝器定为第1块理论板, 自上往下计数, 如果有再沸器的话, 视其为蒸馏塔塔底最下一块理论板, N 为塔系中的理论板总数。考虑到蒸馏塔任一塔板可能与其它相关塔的侧线存在物料关系, 蒸馏塔塔板的传热传质情况如图2所示。在图2中, F n 为进料量, Q n 为热量, L n 为离开第n 层板进入到下层板的液体量, U n 为从第n 层板抽出的液体量, L n -1为来自上层板的液体量,

V n +1为来自下层板的气体量, V n 为离开第n 层板进

摩尔分数归一化方程、总物料平衡方程和能量平衡方程等5个方程。为节约篇幅, 方程的具体形式不再累牍

。

Fig. 2　The model of plate in the distillation column

图2　蒸馏塔塔板模型

入上层板的气体量, W n 为从第n 层板抽出的气体

量, L j 为来自相关塔底的液体量, V k 为来自相关塔顶的气体量, L g 为来自相关塔侧线的液体量, V f 为来自相关塔侧线的气体量, 下标j , k , g , f 为相关塔中的塔板号, 相关塔是指汽提塔等与主塔有物料相连的塔。对于蒸馏塔的稳态操作, 其严格数学模型(M ESH ) 包括诸如组分物料平衡方程、相平衡方程、

　　由于石油馏分是一种组成极其复杂的混合物,

要按逐个组分来进行石油馏分的模拟计算, 会增加数学模型的规模和求解难度。本文在Pro/II 平台上[9], 状态方程选择SPR 方程, 液体密度选用A PI 计算关联式, 计算传递性质用PRETRO 方法。用Glit sch 方法计算浮阀塔板的压降。选用简单换热器模型指定换热流体的进出口温度或换热负荷等方

36石油化工高等学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

法来计算换热器和加热炉传热情况。在流程控制方

面, 初馏塔塔顶产品的干点温度为160℃, 控制变量为初馏塔的冷凝器冷却负荷, 常压塔塔顶产品的干点温度为160℃, 其控制变量为常压塔冷凝器冷却负荷; 常压一线的干点温度为235℃, 常压二线干点温度为365℃, 常压三线的干点温度为390℃, 上述3个侧线温度的控制变量分别为抽取侧线的质量流量。　　综上所述, 蒸馏过程的模拟计算首先确定模型塔的基本方程组, 然后确定要使用的气液平衡等热力学模型, 确定工艺控制目标, 才能进行蒸馏过程的模拟计算。

汽提塔数据和各塔中段冷却循环数据, 分别列于表1-4中。表1为混合原油各组成的温度、压力、流量、相对体积质量等数据, 表2为各蒸馏塔的基本数据, 表3为各汽提塔的基本数据, 表4为各塔中段冷却循环数据。

表1　混合原油各物料数据

T able 1　Data of each m aterial composed mixed crude oil

物料名称

A1L H A1SHL A1DUBA

温度/℃

5454545454

压力/

MPa 22222

流量/　相对体积

(kg ・h -1)

质量

备注原油原油原油原油水

281250　0. 9563056250　0. [1**********]　0. 91480500　0. 84180625　1. 00000

3　常减压蒸馏基础数据

　　基础数据包括混合原油数据、各蒸馏塔数据、各

A1SD S23

表2　T able 2　B asic d column

参数名称汽提蒸气所在塔板数塔顶压力/MPa 塔底压力/MPa 冷凝温度/℃侧线名称侧线抽取所在塔板数

2016200. 1300. 15040--

4643460. 1270. 14840S1110

S1422

S2732

减压塔

109100. 0050. 007-J1X 2

J2X 4

J3X 6

J 4X 8

表3　汽提塔基本数据

T able 3　B asic d ata of each side column

参数名称塔板数进料所在塔板数汽提蒸气所在塔板数塔顶压力/MPa 返回主塔所在塔板数

SS141-0. 1249

SS24140. 13821

SS33130. 14331

表4　中段循环回路基本数据

T able 4　B asic d ata of pumparounds

参数名称

一中

抽取位置所在塔板数

5

常压塔二中

14

减压塔

三中

26

一中

2

二中

4

三中

6

　第2期　　　　　　　　　　　　　　葛玉林等. 原油常减压蒸馏过程流程模拟　　　　　　续表4

参数名称

一中

返回位置所在塔板数抽取流量/(kg ・h -1) 返回压力/MPa 冷却负荷/kJ 降低温度/℃

28. 0×104

1-65

37

常压塔二中

111. 2×105

1-80

减压塔

三中

231. 2×105

1-95

一中

1-0. 0060-2. 09×107

60

二中

3-0. 0065-2. 09×107

80

三中

5-0. 0070-2. 09×107

100

　　　　注:常减压塔受3个中段冷却循环的影响, 其简称为一中, 二中, 三中。

4　流程模拟结果

　　本文是以某炼油厂由于加工原料及其加工量的改变, 需要在原有的常减压蒸馏装置上进行扩容和改造为研究背景的, 为了使得原常减压蒸馏装置能够适应混合原油组分和加工量改变的需要, 在原装置的基础上对其进行设计和改造, 有必要对常减压蒸馏流程进行模拟, 工工艺要求, 结果与改造后的现场工艺要求进行对比, 证实流程模型的有效性。　　表5对初馏塔、, , 。

表　初馏塔关键参数模拟结果与现场工艺要求的比较

T able 5　of key parameter betw een simulation result and spot technological requirement

塔名位置塔顶

参数温度/℃压力/MPa

模拟值

117. 20. 131236. 30. 1502450. 150400. 127354. 30. 147188. 00. 124267. 980. 138327. 70. 143

工艺要求

117～1380. 13～0. 14230～2480. 151～0. 160245～2500. 145～0. 152

38～410. 125～0. 140348. 5～355. 30. 122～0. 150173. 4～189. 50. 12～0. 13258～2690. 134～0. 140326. 9～334. 60. 141～0. 150

初馏塔塔底

压力/MPa

原油进料

压力/MPa

塔顶

温度/℃压力/MPa 温度/℃

塔底

压力/MPa 温度/℃温度/℃

温度/℃

常压塔常压一线C1X

压力/MPa

常压二线C2X

压力/MPa

常压三线C3X

压力/MPa 温度/℃温度/℃

38石油化工高等学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

　　　　　　　续表5

塔名

位置塔顶油

压力/MPa

塔底

压力/MPa 温度/℃

减压一线J 1X

减压塔

温度/℃

减压二线J 2X

压力/MPa 温度/℃

减压三线J 3X

压力/MPa 温度/℃

减压四线J 4X

压力/MPa

0. 56

0070

0. 00611342. 6

0. 0060～0. 0062345. 2

0. 00567390. 65

0. 0053～0. 0060306. 4～310. 2

266. 94

260. 3～268. 3

0. 007150. 810. 00522

0. 0068～0. 0070148. 2～152. 30. 0050～0. 0054

0. 005355. 75

0. 0049～0. 0051352. 4～357. 1

参数温度/℃

模拟值

95

工艺要求

94～97

温度/℃

压力/MPa

　　图3-5分别描述了初馏塔、温度和气液流量沿塔板的分布。图) , , 组分越轻, 其沸点也就越低第块塔板实际为冷凝器, 其冷凝温度较低。初馏塔的第16块塔板处为进料位置, 由于有大量的热量加入, 温度较高, 加之塔底有蒸气的汽提作用, 塔底重组分沸点温度较高, 从进料位置到塔底的温度都保持在较高的水平。　　图3(b ) 说明了初馏塔气液流量沿塔板的分布情况。可以看出, 从塔顶到第13块塔板, 向上上升的蒸气流量和向下流动的液体流量均保持在相对稳定的范围内。由于受第16块塔板处进料的影响, 进料位置上下两块塔板处的蒸气和液体流量出现明显的变化。在靠近塔底段, 受塔底蒸气汽提作用, 蒸气流量较低, 而液体流量较高。在气液相平衡作用下, 进料位置以上的塔板上, 气液流量保持协同的增减趋势。　　图4(a ) 描述了常压塔温度沿塔板数的分布情况。与初馏塔类似, 因为越往塔顶, 组分越轻, 其沸点也就越低, 所以常压塔温度自上而下温度由低到高。常压塔的第1块塔板也为冷凝器, 其冷凝温度较低。常压塔靠近塔底的第43块塔板处为进料位置, 由于进料携带了大量的热量和塔底蒸气汽提作用, 使得塔底温度较高。在常压塔第10,22

和32块塔板处开有侧线, 以及在塔中部有

3个中段冷却循环(见表4) , 根据侧线流量和循环流量的大小, 或多或少地带走了一些热量, 从图4(a ) 中可以看出在开侧线的塔板处和塔中段循环处均有不同程度的温度

　　(a ) 温度

　　(b ) 气液流量

Fig. 3　T emperature and rate distribution of vapor and liquid

　　in topping distillation column with tray number

图3　初馏塔温度和气液流量沿塔板数分布

　　图4(b ) 描述了常压塔气液流量沿塔板的分布情况。从图4(b ) 中可以看出, 由于受常压塔第10, 22和32块塔板处开有侧线的影响, 在相应位置液体流量都有较大幅度的下降, 同时由于受3个中段冷却循环的影响, 在循环抽取塔板的液体流量都有所降低, 但在循环返还塔板位置的液体流量呈现阶跃式增长。由于受开侧线和中段冷却循环的影响, 常压塔气液流量沿塔板呈现锯齿形分布。第43块

　第2期　　　　　　　　　　　　　　葛玉林等. 原油常减压蒸馏过程流程模拟39

塔板处为进料位置, 与初馏塔类似, 受进料和塔底蒸气汽提作用的影响, 进料位置附近塔板处的蒸气和液体流量出现明显的变化, 靠近塔底处蒸气流量较低, 而液体流量较高。受气液相平衡作用, 进料位置以上的蒸气流量与液体流量增减趋势相类似

。

料和汽提等的共同作用, 越往塔顶, 组分越轻, 其沸点也就越低, 所以减压塔温度自上而下温度由低到高。　　图5(b ) 描述了减压塔气液流量沿塔板的分布情况。可以看出, 与常压塔类似, 受减压塔第2,4,6和8块塔板处开有侧线与塔中段冷却循环(见表4) 以及进料和汽提作用的共同影响, 减压塔气液流量沿塔板呈现锯齿形分布

。

　　(a )

温度

a ) 温度

　　(b ) 气液流量

Fig. 4　T emperature and rate distribution of vapor and liquid 　　in atmosphere distillation column with tray number

图4　常压塔温度和气液流量沿塔板数分布　(b ) 气液流量

　　图5(a ) 说明了减压塔温度沿塔板数的分布情况。与初馏塔和常压塔类似, 受侧线、冷却循环、进

参考

Fig. 5　T emperature and rate distribution of vapor and liquid

　　in vacuum distillation column with tray number

图5　减压塔温度和气液流量沿塔板数分布

文献

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(Ed. :YYL ,Z )