基于Aspen Plus的柴油加氢装置分馏系统的模拟与优化

隗小山，余柳丽，赵 克，彭贵斌，吴 飞，罗 言，贾金锋

(湖南石油化工职业技术学院，湖南 岳阳 414000)

在当前碳达峰与碳中和战略目标的背景下，我国成品油市场的改革也在不断深入。为了减少碳排放，需要对一些劣质原料油进行清洁处理，常用的途径是进行柴油加氢处理[1]。柴油加氢装置主要用于直馏柴油、焦化汽油、焦化柴油等混合油原料的加氢，以生产得到精制柴油和石脑油[2]。该装置由反应、分馏、气体脱硫及公用工程设施等组成，其中分馏系统对柴油加氢装置的产品质量尤为重要。在保证产品质量的前提下，如何实现装置的低能耗、高产出，成为极具研究性的课题[3-4]。本文利用Aspen Plus软件，对柴油加氢装置的分馏系统进行模拟计算，并研究了汽提蒸汽量、分馏塔进料温度、回流比等控制参数的变化，对分馏系统的油品产量、质量及能耗等方面的影响。

1 柴油加氢装置分馏系统的过程模拟

1.1 分馏系统工艺流程简介与模型建立

采用某炼化公司2.40Mt·a-1柴油加氢装置分馏系统的工艺原则流程图，进行简化的Aspen Plus模拟[5]，模拟流程见图1。该工艺采用双塔汽提流程，包含脱H2S汽提塔（利用水蒸汽汽提）和产品分馏塔（利用塔底重沸炉供热）。自柴油加氢反应部分来的冷热低分油与渣油加氢装置来的不稳定石脑油混合后，进入脱H2S汽提塔（T-201）塔顶，汽提蒸汽从塔底进入。T-201塔顶的油气经换热冷却后，进入塔顶回流罐（V-201），进行油、气、水三相分离。其中油相作为塔顶回流液，气相至干气脱硫塔，液相为含硫污水出装置。T-201的塔底油经换热器换热后进入产品分馏塔（T-202）。T-202的塔顶油气经换热冷却后，进入产品分馏塔塔顶的回流罐（V-202）进行油气水分离。其中油相为石脑油，一部分作为塔顶回流液，另外一部分作为产品出装置；气相为燃料气至火炬，液相为含油污水至注水罐。T-202塔底油的一部分经重沸炉（F-201）加热后返回产品分馏塔（T-202），另一部分经换热后作为精制柴油产品出装置。

图1 分馏系统Aspen Plus工艺流程模拟图Fig. 1 Aspen Plus process flow simulation diagram of fractionation system

基于装置现场稳定运行的物料数据和相关操作参数，使用Aspen Plus软件，对柴油加氢装置分馏系统进行了主工艺流程模型的建立和模拟数据的输入，其中物性方法选择了适用于石油炼制体系的PENG-ROB方法，模型中的脱H2S汽提塔（T-201）和产品分馏塔（T-202），采用了塔的严格计算模块Rad Frac，换热器采用Heater和Heat X两种模块，回流罐采用闪蒸Flash 3模块。

1.2 模型的可行性验证

对上述建立的柴油加氢装置分馏系统流程进行模拟运行处理，模拟结果为收敛，可得到分馏系统相关的物料平衡、热量平衡及相平衡数据等。将模拟结果与某炼化公司的标定数据进行比较，实际数据、模拟参数及误差值见表1。由表1可知，模拟前后，各模块的温度、流量、压力及油品产量值基本相符，表明本模型的准确性较高，能够再现装置的实际生产运行状况。为了进一步验证模型的可行性，分别对模拟前后产品精制柴油和石脑油的TBP曲线进行比较，结果见图2。由图2可知，模拟得到的精制柴油与石脑油的初馏点、终馏点及各馏程所对应的温度，基本与实际数值相符，再次证明该模型可较准确地反映实际的生产过程。

表1 分馏系统模拟前后操作参数的对比表Table 1 Comparison of operating parameters before and after fractionation system simulation

图2 产品精制柴油和石脑油的馏程实际值与模拟值的对比(a) refined diesel oil; (b) product naphthaFig. 2 Comparison of actual and simulated distillation range value

2 模型分析与优化

在上述建立的模型上，通过调节汽提蒸汽量、分馏塔进料温度和分馏塔回流比等控制参数，优化汽提塔和分馏塔的操作工艺。分别研究了汽提蒸汽量对汽提塔塔顶蒸汽和塔底油中H2S含量的影响，分馏塔的进料温度对塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷以及产品精制柴油和石脑油产量的影响，分馏塔塔顶的回流比对精制柴油产量、石脑油产量、柴油闪点、石脑油干点及石脑油/柴油重叠度的影响。

2.1 汽提蒸汽量的影响

脱H2S汽提塔以1.0MPa的水蒸汽作为汽提蒸汽，水蒸汽的用量会影响脱H2S汽提塔（T-201）分离H2S的效果，进而影响塔底油的质量[6]。本文分析了T-201塔底汽提蒸汽的输入量，对T-201塔顶蒸汽和塔底油中H2S含量的影响，利用Aspen Plus软件，模拟250～5500 kg·h-1不同的汽提蒸汽量对分离H2S的影响，结果见图3。

图3 汽提蒸汽量对T-201分离H2S效果的影响Fig. 3 Effect of stripping steam volume on H2S separation effect of T-201

由图3可知，随着T-201塔底汽提蒸汽的输入量增大，T-201塔顶蒸汽中的H2S含量增加，塔底油中H2S的含量减小，说明随着蒸汽量增大，汽提塔脱出H2S的效果越好，生产的油品的含硫量越低。从图中2条曲线的趋势可以看出，汽提蒸汽量小于2000kg·h-1时，塔顶蒸汽中H2S含量的增加速度较快，塔底油中H2S含量减小的速度较快；汽提蒸汽量大于2000 kg·h-1后，蒸汽中H2S的增加量趋于平缓，塔底油中H2S的含量趋于平缓。综合分析可知，将汽提蒸汽量从2490kg·h-1调整到2000kg·h-1，塔底油中H2S的含量从0.158mg·h-1增加至0.289mg·h-1，硫化氢含量的增加幅度较小，而蒸汽用量减少了490kg·h-1。

2.2 分馏塔进料温度的影响

按照单一变量原则，保持产品分馏塔（T-202）的塔顶温度和回流量不变，改变T-202的进料温度，分析T-202的进料温度对塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷及产品精制柴油和石脑油产量的影响，结果见表2和图4。

表2 T-202进料温度对塔负荷的影响Table 2 Effect of T-202 feed temperature on tower load

由表2可知，当T-202的进料温度从220℃上升到250℃，分馏塔冷凝器的热负荷从2.93MW增加到3.27MW，再沸器的热负荷从25.25MW下降到17.01MW。随着分馏塔的进料温度升高，塔顶冷凝器的热负荷会有少量增加，而塔底再沸器的热负荷减少量则相对较大，总体而言，分馏塔的热负荷在下降。进料温度每升高5℃，塔内负荷会减少1.256MW，因此，T-202的进料温度可适当升高，以减少重沸炉的燃料气使用量，从而节省燃料，降低生产成本。由图4可知，随着T-202的进料温度增加，产品精制柴油的产量从168.23t·h-1下降到167.48t·h-1，产品石脑油的产量则从12.99t·h-1上升到13.45t·h-1。

图4 T-202进料温度对产品产量的影响Fig. 4 Effect of T-202 feed temperature on product output

综上所述，T-202进料温度的升高，不仅会使分馏塔的总体热负荷下降，还会导致精制柴油的产量下降，石脑油的产量增加。表2和图4的结果表明，适当升高分馏塔的进料温度，可以减小塔负荷，但温度过高会降低精制柴油的产量。将柴油产量与石脑油产量的曲线交点240℃作为进料温度，比优化前的进料温度235℃提高了5℃，分馏塔的热负荷减小了1.256MW，精制柴油的产量减少了0.12t·h-1，石脑油的产量增加了0.07t·h-1，可见进料温度取240℃，能耗减少的同时，精制柴油产量的减小量也较小。但精制柴油和石脑油的价格会随市场的需求发生变化，考虑节能的同时，也要考虑油品的性价比，可适当调整油品的产出比，以增加产品收益[7]。

2.3 分馏塔回流比的影响

在保证产品质量的前提下，可以适当调节分馏塔塔顶的回流比，以优化产品质量，提高经济效益。产品分馏塔（T-202）塔顶的回流比对产品产量和质量的影响，主要是影响精制柴油产量、石脑油产量、柴油闪点、石脑油干点及石脑油/柴油的重叠度（石脑油终馏点与精制柴油初馏点的差值）等参数[8]，结果见表3、图5和图6。

由表3、图5和图6可知，随着T-202塔顶的回流比增大，精制柴油的产量升高，石脑油的产量下降，柴油的闪点下降，石脑油的干点及石脑油/柴油的重叠度增大，可见增大回流比，有利于柴油产量的增加和产品分离精度的提高。从图6可知，回流比为0.91时，各曲线的变化幅度减小，继续增加回流比，意义不大。优化前，塔顶的回流比为0.86，回流比增加至0.91时，精制柴油的产量增加了1.67t·h-1，柴油闪点减小了0.8℃，石脑油/柴油的重叠度增加了0.56℃。

表3 T-202回流比对油品产量和质量的影响Table 3 Effect of T-202 reflux ratio on oil production and quality

图5 回流比对产品产量的影响Fig. 5 Effect of reflux ratio on product output

图6 回流比对产品质量的影响Fig. 6 Effect of reflux ratio on product output

2.4 优化结果

1）随着汽提蒸汽量增大，汽提塔脱出H2S的效果越好，生产油品的含硫量越低，汽提蒸汽量大于2000kg·h-1后，塔底油中H2S的含量趋于平缓。优化前的汽提蒸汽量为2490kg·h-1，优化后为2000kg·h-1，蒸汽量减少了490kg·h-1，全年按8400h计算，可节省蒸汽4116t，全年可节约生产成本约57万元人民币（按蒸汽价格138元·t-1）。

2）分馏塔的进料温度升高，分馏塔的热负荷下降，精制柴油的产量下降，石脑油的产量增加。选取进料温度为240℃进行优化，模拟结果表明，分馏塔热负荷减小了1.256MW，精制柴油的产量减少了0.12t·h-1，石脑油产量增加了0.07t·h-1。可根据市场需求并考虑节能要求，适当调整油品的产出比，以实现收益最大化。

3）分馏塔塔顶的回流比增大，有利于柴油产量的增加和产品分离精度的提高。当回流比增加至0.91，精制柴油的产量增加了1.67t·h-1，柴油闪点减小了0.8℃，石脑油/柴油的重叠度增加了0.56℃。

3 结论

使用Aspen Plus软件，对某炼化公司2.40Mt·a-1柴油加氢装置分馏系统进行了流程模拟，结果表明，模拟前后的各参数值基本相符，能够再现装置的实际生产状况。对汽提塔和分馏塔工艺进行了优化，汽提塔优化后，全年可节省蒸汽4116t，可节约生产成本约57万元人民币。分馏塔优化后，塔的热负荷减小了1.256MW，精制柴油的产量增加了1.67t·h-1，柴油闪点减小了0.8℃，石脑油/柴油的重叠度增加了0.56℃。结果表明，可以根据市场及节能需求，调节分馏塔的进料温度和回流比，从而适当调整油品的产出比，以实现收益的最大化。