第46卷第1 2期 201 7年12月 当 代 化 工 Vo1.46.No.1 2 Contemporary Chemical Industry December,201 7 柴油加氢装置过程模拟与节能研究 金学成,项曙光 (青岛科技大学过程系统工程研究所,山东青岛266042) 摘 要:针对某炼油厂处理量为3.5 Mt/a的柴油加氢装置,应用Aspen Plus流程模拟软件建立了装置的数 学模型,计算得出了与现场标定数据比较吻合的模拟结果。根据计算结果,利用夹点技术对其换热网络进行节 能分析与改造。首先以夹点温差为20℃,确定换热网络能量目标。该装置换热网络的夹点温度为95.4 oC,最 小热公用工程量为5 085.7 kW,最小冷公用工程量为20 613.9 kW,与现有换热网络热公用工程13 870.8 kW相 比,存在8 785.1 kW的节能潜力。然后消除违背夹点规则的不合理换热匹配,进一步优化,并提出了改造方案。 该方案新增7台换热器,可节约热公用工程8 450.5 kW,约降低了60.9%的能耗,取得了良好的节能效果。回 收期为0.67年。 关键词:夹点技术;换热网络;柴油加氢;节能 中图分类号:TE 624 文献标识码: A 文章编号: 1671—0460(2017)12—2538—05 Process Simulation and Energy Saving Method of Diesel Hydrotreating Unit JINXue—cheng,XIANGShu—guang (Qingdao University of Science&Technology,Shandong Qingdao 266042,China) Abstract: Aiming at 3.5 Mt/a diesel hydrotreating unit in a refinery,the mathematical mode1 of the device was established by Aspen Plus software,simulated results obtained by calculation were consistent with field calibration data.Based on calculation results,its heat exchanger network(HEN)was retrofitted by pinch analysis.When the pinch temperature difference was 20℃.energy target ofthe HEN was determined.The pinch temperature ofthe HEN in the unit was 95.4℃,the minimum thermal utility quantity was 5 085.7 kW,the minimum cold utility quantiy was t20613.9 kW,compared with 13 870.8 kW thermal utility quantiy of tthe HEN,there was energy—saving potential of 8785.1 kW.In order to eliminate irrational heat transfer matching that breached the pinch rule.the modification plan was put forward.In the plan,seven new heat exchangers were added,thermal utility quantiy 8 450.t5 kW was saved, the energy consumption was decreased by 60.9%. Key words:Pinch technology;Heat exchanger network;Diesel hydrotreating process;Energy saving 随着经济的发展,节能、全球变暖及温室气体 术方法、数学规划法和随机搜索方法。后面的两类方 第一类方法即夹点技术目前在 排放,已成为当今世界主要的技术、社会和政治问 法还在理论研究阶段,题” 。到目前为止,石油化工行业仍然是世界上最 大的能源消耗行业,约占世界工业总能源消耗的 30%‘ 。在中国,约15%的工业燃料油和10%的工 业煤炭用于炼油行业 。 工程技术中应用最广泛,是对换热网络改造很有效的 方法。夹点概念最早由Linnhoff和Umeda于1978年 提出的 ’ ,1983年Linnhoff和Hindmarsh基于几个试 探规则展开了夹点设计方法嘲。该方法的主要优点是 提高能源利用效率可以显著增加炼油企业经济 将现场情况和设计结合,容易实现设计结果。夹点 效益。随着原油的劣质化以及环保要求标准的严格 技术目前已经应用于很多炼油装置并实现了节能。国内一些研究者基于夹点技术对柴油加氢装置 化,石油加工深度不断提高,流程趋于复杂,致使炼 油行业在节能减排方面面临着很大压力。如何降低炼 进行了节能研究。奚西峰等针对某柴油加氢流程中 存在的阈值问题进行了研究 ;王伟等对柴油加氢 油工业中的能源消耗是目前最为迫切解决的问题。 柴油加氢装置是炼油厂里能耗比较大的装置。换 装置换热网络改造研究中,首次考虑了压力因素 ;热网络改造是提高现行装置节能的重要的途径之一。 换热网络节能方法可分为三类;基于热力学的夹点技 刘铁成等对柴油加氢换热网络口袋热的利用问题进 行了研究 基金项目:国家自然科学基金项目,项目号:214061 24。 收稿日期:201 7-03—07 作者简介: 金学成(1990一),男,朝鲜族,硕士研究生,研究方向:过程系统工程。E-mail:khsl024@1 63.corn。 通讯作者: 项曙光(1964一),男,教授,博士,研究方向:过程系统工程。E-mail:xsg@qust.edu.cn。 第46卷第12期 金学成,等:柴油加氢装置过程模拟与节能研究 2539 本文利用夹点技术对柴油加氢装置的换热网络 分馏部分:由高压、低压闪蒸分离罐和一座塔 进行节能分析,对其不合理的换热匹配提出优化改 构成。反应部分来的物流进入热高压分离器进行气 造方案,评估改造投资回收期。 液分离,热高分气冷却后进人冷高压分离器。冷高 1柴油加氢装置过程模拟 压分离器顶出来的气体先经循环氢脱硫塔脱除硫化 氢,再进入循环氢压缩机。热高压分离器油相送至 1.1 柴油加氢装置简介 低压分离器再次进行气液分离。低分油经过脱硫化 正文柴油加氢工艺是以改善劣质二次加工柴油 氢汽提塔除去H:s。塔顶产品送至吸收稳定部分回 质量为目标,一方面原料油和氢气在催化剂的作用 收干气,塔底油经分馏塔分离石脑油和精制柴油。 下进行反应,降低原料油中的硫、含氮化合物等杂 1.2柴油加氢装置流程模拟 质含量,改善油品颜色,同时大幅度提高柴油十六 1.2.1建立流程模拟模型 烷值 。 Aspen Plus是由Aspetech公司开发的一款当今普 柴油加氢装置工艺过程可分为加氢反应、分馏、 遍应用的流程模拟软件。该软件由反应器、换热器, 换热网络三个部分””。装置工艺流程示意图如图1 泵等众多单元操作模块和大量物性数据库组成。本文 所示。 利用Aspen Plus建立了柴油加氢装置的数学模型。 首先按照工艺流程图将对应的单元模块放在 模拟流程中。模型中汽提塔和分馏塔选用RadFrac 模块,各换热器采用HeatX模块,加热器和冷却器 分别用Heater和Cooler,闪蒸分离罐用Flash单元 模块。基于装置运行操作参数设定模块参数。然后 利用现场提供的化验分析资料输入原料组分,组成 和流量。选择Peng—Rob作为全局物性方法,利用 Aspen数据库里的参数计算单元模块及各种物流的 图1 柴油加氢装置工艺流程示意图 Fig.1 Process flow diagram of the diesel hydrotreating 物性。 process 1.2.2模型验证 加氢反应部分:原料油自装置外来,先进入原 将流程模拟得到的计算结果和现场实际数据进 料油缓冲罐,经过换热器与产品柴油换热至一定温 行比较。各塔操作参数对比见表1,各换热器进出 度,然后由反应进料泵抽出升压后与混氢混合,先 口温度对比见表2,产品收率对比见表3,精制柴油 与加氢精制反应产物进行换热,再经反应进料加热 产品馏程对比见图2。 炉加热至要求温度,自上而下流经加氢反应器。在 由图表对比可知,该流程模拟模型能够反映柴 金属催化剂的存在下发生柴油加氢反应,产生硫化 油加氢装置实际情况。可以用模拟物流数据进行换 氢、氨气和饱和烃等。从反应器出来的物流(反应 热网络节能研究。 产物、未反应原料和氢气)通过换热器冷却后送到 分馏部分。 表1各塔操作条件对比 Table 1 Comparison between actual data and simulation result of the columns 2540 当 代 化 工 表2各换热器温度对比 Table 2 Comparison between actual data and simulation result of heat exchangers 热物流/℃ 日 入口 出口 入口 冷物流/℃ 出口 实测值 E1 E2 382.9 360.7 模拟值 382.9 360.7 实测值 360.7 330.3 模拟值 360.7 330.0 实测值 174.9 300.3 模拟值 175.6 297.3 实测值 367.0 342.5 模拟值 367.0 342.4 E3 E4 E5 330.3 231.8 269.3 330.0 232.0 270.4 23 1.8 153.9 243.3 232.0 154.9 244.3 152.8 82.5 222.4 152.1 81.4 221.8 300.3 174.9 244.6 297 3 175.5 246.1 E6 E7 E8 243.3 201.0 158.9 243.3 201.0 158.9 201.0 158.9 122.0 201.0 158.9 122.0 105.8 103.5 62.5 1O5.8 103.6 64.3 192.0 152.6 1O3.5 192.0 150.2 103.6 表3各产品收率对比 Table 3 Comparison between actual data and simulation result of product yields 实测值 精制柴油 石脑油 模拟值 产量/(kg・h-I) 374808.2 3250.2 收率,% 95.7 0.8 产量/(kg・h。。1 374798.6 3324.3 收率/% 95.7 0.8 气体 轻烃 2015 6 6291 8 0.5 1.6 2332.5 6106.2 0.6 1.6 用问题表法计算出系统所需的最小热公用工程量为 5 085.7 kW,最小冷公用工程量为20 613.9 kW。而 现有换热网络热公用工程量为1 3 870.8 kW,冷公用 工程量为29 399 kW,因此节能潜力为8 785.1 kW, 约占现有换热网络热公用工程的63.3%。系统冷热 组合曲线如冈3所示。 表4物流数据 Table 4 Streamdata 馏程,% 图2精制柴油产品馏程对比 Fig.2 Comparison between actual data and simulation result of distillation range of product diesel 2现有换热网络分析 2.1 物流提取 本文利用加氢装置的实际操作数据确定过程物 流的温度和流量。而每股物流的热负荷则从Aspen Plus工艺流程模拟结果得到。冷物流c8是经过蒸 汽发生器,发生相变化,因此分了两段。最终提取 出11股热物流,9股冷物流,各物流的相关性质如 表4所示。 2.2能量目标 正文夹点温差△ 是换热网络的一个重要参 数△r,m。 越小,可回收热量越多,所需的加热和冷却 公用工程量越少,但会致使换热面积增加,从而增 加设备投资费用 。 考虑到公用工程用量和换热器面积与夹点温差 之间的关系,本文选取夹点温差△ 为20℃。采 第46卷第12期 金学成,等:柴油加氢装置过程模拟与节能研究 2541 上冷公用工程用量为1 339 kW。综上所述,现有的 换热网络中不合理的换热为8 788.9 kW。 3换热网络改造方案 3.1 柴油加氢装置换热网络改造 针对现有换热网络中存在的不合理换热匹配, 提出改造方案。方案如图5所示。 将冷物流c6分流成2股,分别与热物流H5、 H6进行匹配,把冷物流C6的温度加热到ll1℃。 Hfk 图3柴油加氢装置组合曲线 Fig.3 Composite curve 2.3不合理换热分析 现有装置的换热网络如图4所示。 \ £} —— —— ∞、 —A3 29 7 、 一: ∞9一 E7、 I .5L6— 、, \ i \ .5^ 3\ L_J 八 L_J 图4现行换热网络网格图 Fig.4 Grid diagram of current heat exchanger network 根据夹点设计三原则(不要跨越夹点传递热量; 夹点之上不要使用冷却公用工程;夹点之下不要使 用热公用工程),分析现有换热网络存在的不合理换 热匹配 :(1)换热器E4、E8跨越夹点传热,违 反了不能有热量穿过夹点的原则。物流H2与C6通 过E4换热,跨越夹点换热量为298 kW;物流H7 与c1通过换热器E8换热,跨越夹点换热量为4 907 kW。(2)夹点之上有2台冷却器和4台空冷器, 违反了夹点上方不设冷公用工程的原则。物流H4 经过A2由229℃冷却至29 ,夹点之上冷公用 工程用量为39.2 kW;物流H5经过A3由148.6℃ 冷却至29.7℃,夹点之上冷公用工程用量为1 300 kW;物流H6经过C2、A4由152.1℃冷却至43.9 ℃,夹点之上冷公用工程用量为905.7 kW;物流 H7经过C3、A5由121 cC冷却至51.6℃,夹点之 为了防止能量惩罚,将位于夹点以上的冷却器c3 的入口温度改为85-2 ,同时将冷物流c2分流成 两股,一股经换热器N3与H2进行换热,一股经换 热器N4与H7进行换热,将冷物流C2加热到172.1 ℃。热物流H1经过换热器N5把冷物流C4的温度 加热到280.8 cC,接着通过换热器N6把过热蒸汽 物流加热到目标温度。在热物流H7原有的换热器 E5、E6之间新增换热器N7,使N7将冷物流c7加 热到220.1℃。改造后新增换热器数为7台,节约 热公用工程8 450.5 kW。 3.2换热网络改造的经济评价 本方案新增7台管壳式换热器。用下面的方程 式来计算新增换热器投资费用: 换热器价格(万元)=a+b・A。 其中:A——换热面积,m。; a,b,c一换热器价格参数 。 考虑安装费(包括劳动费用、管道费用、运输 费用、税额)之后设备价格如下: 设备费用=模块因子X换热器费用 换热器模块因子的范围3.09~3.29,本文中模块因子 取3(表5) 。 表5经济效益计算参数 Table 5 Data to calculate economical efifciency 运行时间8 000 h/year 燃料气价格 2015元/t 换热器价格 200200+4875×A m 万元 模块因子 3 本次改造投资费用为801.5万元。该厂燃料油 的燃烧热取40 700 MJ・t~,可节约操作费用为 1 204-3万元・a~。回收期=投资费用/节约操作费用 来计算本次改造的投资回收期仅为0.67 a” 。 2542 El9 当 N6 N5 代 化 工 201 7年l 2月 ㈣ 32l B09n 、 232 N4 — 弋 2"8 …! 43 Ⅲ m m m m m m £; ∞ 凹 髓 0 29. Ⅲ4 29 __-lE lo5 4 . —— 43.9. ’ E7 E8 19 3 、 164 8 85 2 5 弋 —弋 ]日I ”’ .’ 基U 45 ’ 43 2 3 、 U 64 2 — F1 。、】72I/ \ \ 3452 .八 U 5284 7kV, 八 L_j 135 W 、 1 —’ …/ \ 、 《 —\81 4 y 、 2201 、 、 367 95 266I 、 l899 图5换热网络改造方案 Fig.5 Grid diagram of the improved heat exchanger network improve energy eficifency in the globM chemical and petrochemical 4结论 本文以某炼厂柴油加氢装置的实际换热网络为 对象进行节能研究,得出以下结论: (1)利用Aspen Plus流程模拟软件建立柴油加 sector[J].Energy,201 1,36(9):5779—5790. [3]Xiaoyu Liu,Dingjiang Chen,et al An assessment of the energy—saving potential in China’S petroleum refining industry from a technical perspective[J].Enery,2013,59:38-49.g 1 4 j Linnhoff B,Flower J R.Synthesis of heat exchanger networks[J].AIChE , 1978,24(4):633. 氢装置的数学模型,计算结果与现场数据比较吻合, 可以用作节能研究的基础数据。 (2)依据经验选择夹点温差为20℃,从而确 [5]Umeda T,honn J,Shioko rK.Heat Exchange System Synthesis[J].Chem Eng.Prog.,1978,74:70. [6]Linnhoff B,Hindmarsh E.The pinch method for heat exchanger networks .Chemical Engineering Science,1983,38(5):745—763. [7]奚西峰,冯霄,王黎.柴油加氢装置的集成改造fJ1.化学工程,2001, 29f41:36—39. 定夹点温度为95.4℃,该装置节能潜力为 8785.1kW,约占现有换热网络热公用工程的63.3%。 (3)基于夹点设计规则分析现有换热网络不 合理的环节,提出了改造方案。该方案在尽可能利 用现有设备的基础上增加7台换热器,冷却器c3 的人口温度由121 oC改为85-2℃。可节约热公用 工程8 450.5 kW,占现行热公用工程的60.9%。 (4)改造方案总投资费用为801.4万元,可 [8]王伟,冯霄.考虑压力因素的柴油加氢改质装置换热网络改造叭 化工进展,2013,32(1):227—232. [9]刘铁成,刘欢,冯霄.柴油加氢装置换热网络优化 计算机与应 用化学,2016,33(1 1):1 187—1 191. [1O]张坤,李付兴,牛红林.国内柴油加氢改质技术与催化剂研究与应 用现状『J].中国石油和化工标准与质量,2011,11(5):27. [1 1]Gary J,Handwerk G.Petroleum Refining Technology and Economics[M]. 4th edition.2001. [12]项曙光,等.能量的有效利用[M].北京:化学工业出版社,2010:22. [13]孙琳,赵野,罗雄麟.多管程换热器网络的最小温差分析与夹点 设计【J].化工学报,2012,63(9):2991—2999. [14]支鲁,庄芹仙,项曙光.夹点技术在润滑油加氢装置节能中的应 用研究fJ].计算机与应用化学,2012,29(1):1 17—121. [15]Sung-Geun Yoon,Jeongseok Lee.Heat integration analysis for an industrial ethylbenzene plant using pinch analysis[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(5):886—893. 节约操作费用为1 204.3万元,投资回收期仅为 0.67年。 参考文献: [1]Friedler F.Process integration,modelling and optimisation for energy saving and pollution reduction[J].Applied Thermal Engineering,2010, 30(16):2270-2280. [2]Saygin D,Patel M K,et a1.Potential of best practice technology to