常顶汽油生产溶剂油的分离流程模拟研究
发布时间：2014-08-26 09:01
第1章前言
1.1研宄背景及意义
近年来我国原油进口量不断增加。2006年我国原油进口量为1.45亿吨，成为仅次于美国和日本的世界第三大石油进口国，同时也是仅次于美国的世界第二大石油消费国。2010年突破2.39亿吨，进口依存度超过50%[1], 2011年进口增速减慢，但仍维持6%的增速，超过2.5亿吨，2012年突破2.7亿吨，到2013年突破了2.8亿吨的关口。在我国进口的原油中，中东原油的比例较高[2]。从原油评价看，中东原油一般具有较高含硫量，轻油收率和总拔也较高的特点，尤其是中东轻质原油，例如沙特轻油和伊朗轻油中的硫含量在1.5%以上，35(rC之前的馆分占50%左右[3]。常顶汽油是常压装置顶部抽出油，主要是直馆石脑油馈分，其具体馆程与装置的操作条件及上下游装置的需求有关，一般为初馆点至205(或215)°C,主要含C4至Cu的经类及少量硫化物。这种汽油主要含饱和烃类和少量的不饱和烃类，化学稳定性较高，是生产稀烃和芳烃的主要原料，也可作溶剂油的生产原料。溶剂油、汽油、煤油、柴油和润滑油是我国五大石油产品。随着食品加工、橡胶和涂料行业的快速发展，溶剂油成为各轻工业部门、工业部门不可或缺的原料；随着人们生活水平的不断提高和工业技术的发展，对溶剂油的种类和需求数量逐年增长，溶剂油的市场前景较好。从温州中油燃料石化有限公司所产的常顶汽油的恩氏馆程范围来看，用它可以生产液化石油气、30号发泡剂油、60号抽提溶剂油、120号建材溶剂油和200号油漆溶剂油，从而达到资源的合理应用。
1.2研究内容
本课题应用Aspen Plus软件，对10万吨/年规模的常顶汽油生产溶剂油过程中的分离流程进行模拟。模拟内容如下：(1)运用AspenPlus中的ADA/PCS法将原料划分为十个虚拟组分，选择合适的物性方法；(2)利用Aspen Plus软件中DSTWU模块，对14种不同分离序列的的分离流程进行简捷设计，再利用RadFrac模块对不同的分离流程进行精确计算和优化，综合对比分析模拟结果，找出较优分离序列；(3)对较优序列进行填料设计和热集成设计；(4)利用AspenPlus软件中的PetroFrac模块，进行有侧线釆出的复杂塔的摸索设计，并与上述较优序列进行综合对比分析。通过对模拟结果进行分离效果及经济核算的综合比较，选出最佳分离流程，以期获得经济效益的最大化及分离效果的最优化，为实验及工业化提供研究依据。
第2章文献综述
2.1常顶汽油概述
2.1.1原油蒸馆原油蒸馆f4]是原油加工的第一道工序，直接提供部分油品，并为二次加工装置提供原料，在石油炼制工艺过程中起着举足轻重的作用。根据原油性质和加工产品的不同，原油的加工方案大致可分为三类：一、燃料型，主要生成汽油、煤油、柴油等作燃料的石油产品，减压馏分油和减压澄油除了用于生产部分重油燃料油外，还通过各种轻质化过程生成各种轻质燃料；二、燃料一润滑油型，除了生产汽油、煤油、柴油等作燃料的石油产品外，相当一部分减压馆分油和减压渔油用于生产各种润滑油产品；三、燃料一化工型，除了生产燃料油产品外，还生产化工产品和化工原料，此种加工方案充分合理地利用了石油资源，提高了炼油厂的经济效益。原油蒸馆工艺包括原油预处理、常压蒸馆和减压蒸馆三个部分。原油预处理主要是脱除原油中所含的水、盐和固体杂质，一般应用电化学分离法或加热沉降法，目的是防止盐塘在管式炉炉管内沉积和盐类离解产生******腐烛设备。预处理后的原油加热到230-25(rC后进入常压蒸懼装置的初馆塔，塔顶蒸馆出大部分轻汽油。初馆塔底油称作拔头原油，经常压炉加热至360-37(rC进入常压塔，常压塔的塔顶产物为汽油馆分（又称为直馆石脑油），它与初馆塔塔顶的轻汽油一起可作汽油调合组分、石油化工原料或催化重整原料。常压塔通常开3-5根侧线，侧线出料进入汽提塔，用水蒸气或再沸器加热，蒸出轻组分，以此来控制轻组分含量。通常，侧一线为煤油馆分，侧二线为轻柴油，侧三线为重柴油馆分，塔底产物为常压澄油（又称重油）。
2.2溶剂油的相关介绍
2.2.1溶剂油的简述
溶剂油是一系列对某些物质起溶解、稀释、洗漆和抽提等作用的轻质石油产品的统称，其主要成分为焼径、环烧径和少量芳烃，不含任何添加剂，其沸程范围与汽油馆分比较接近。与汽油、煤油、柴油和润滑油一样，溶剂油是主要的石油产品之一。溶剂油的用途十分广泛，主要应用于食用油加工、橡胶、印刷油墨、农药、化妆品、皮革、香料、医药和化工聚合等诸多领域目前约有二百多种溶剂油在市场上销售，占市售溶剂的一半，随着人们生活水平的提高，对溶剂油产量及其品种的需求不断增加，溶剂油有较好的市场前景[2G]。
2.2.2溶剂油的分类
根据不同的分类标准，溶剂油的分类方法有很多种，大概可以归纳为以下几种。(1)按化学结构分溶剂油可以分为链焼经、环焼烃和芳香烃三大类，实际上除乙焼，甲苯和二甲苯等少数几种纯烃化合物溶剂油外，溶剂油都是各种结构烃类的混合物。通常所说的6号、120号、200号溶剂油，就是链焼径。芳香径指苯、甲苯、二甲苯等。(2)按沸程分一般情况下，可以分为低沸点溶剂油，中沸点溶剂油和高沸点溶剂油。低沸点溶剂油的馆程范围一般小于io(rc，如6号抽提溶剂油，其馈程范围为60-9crc，中沸点溶剂油的馆程范围一般为100-15(rc,如120号様胶溶剂油，其馆程范围为80-120°C，高沸点溶剂油的馆程范围为大于15(rc，如200号油漆溶剂油，其馆程范围为140-20(rc。目前还有更高沸点的溶剂油，其终馆点可达30(rc以上，广泛用于印刷油墨、气雾剂等行业。有时，馆程的切割各个企业也会有所不同，例如，6号溶剂油，有的厂家的馆程范围是60-75°C，通常称之为窄6号溶剂油，以示区别。根据生产实际，120号溶剂油的馆程往往会控制在90-120°C之间。(3)按用途分主要有用于抽出大豆油、莱籽油、花生油和骨油等动植物油脂的抽提溶剂油；用于抽提香料物质中的香精，油脂工业部门用于抽取油料中的油脂的70号香花溶剂油；用作工业溶剂和化学试剂，也用于抽提药物的有效组分，提取烟叶中烟碱，及抽取动植物中的油脂的90号石油醚；用于轮胎、胶鞋生产过程中溶解胶料和配制胶楽的120号橡胶溶剂油；用于洗漆航空发动机的机械零部件及精密仪器仪表的180号航空洗漆油；用于清洗各种机械零件，用作农药和医药工业的溶剂，及用作喷灯和打火机的燃料等的190号洗漆剂油；用作涂料工业的溶剂或稀释剂，也可作粗洗溶剂的200号油漆溶剂油；用于矿石萃取的260号特种煤油型溶剂『21]。
第3章传统精馏序列模拟.......................... 13
3.1 进料处理........................................ 13
3.1.1 原料物性..................................... 13
3.1.2原料的切割处理........................... 13
3.1.3产品方案...................................... 15
3.2物性方法的选择 ................................15
3.3流程简介及单元模块的选择 .................17
3.4流程模拟 .........................................17
3.4.1方案一简捷设计计算 .......................17
3.4.2方案一严格计算流程及模拟优化 ........22
3.4.3 方案一模拟结果 ............................26
3.4.4方案二到方案十四的模拟流程及结果.. 27
3.5 最优方案选择 .................................46
3.6 本章小结 .......................................47
第4章最优序列填料设计和热集成设计 .......48
4.1填料设计 ........................................48
4.1.1 填料的选择 .................................48
4.1.2填料的设计与校核 .........................49
4.2热集成设计 .....................................50
4.2.1 热集成概述 .................................50
4.2.2热集成优化模拟 ............................50
4.3 本章小结 ......................................54
第5章复杂塔模拟 .................................55
5.1 模型简介 ......................................55
5.2模拟流程 .......................................55
5.2.1输入参数及流程图 ........................55
5.2.2 丰旲拟结果 ................................56
5.3 本章小结 ......................................58
第5章复杂塔模拟
5.1模型简介
Aspen Plus流程软件中的石油蒸馏模块（PetroFrac)是严格计算的模型，可以用来模拟石油炼制工艺中复杂类型的汽液分离操作，例如：预闪蒸塔、常压塔、减压塔、延迟焦化主分馏塔、催化裂化主分馏塔、急冷塔组合及乙烯装置初馏塔等。PetroFrac模块可模拟有一个主塔、任意数目的中段回流、任意数目的侧线汽提塔和一个加热炉组成的塔结构，此模块可以检测出塔的冷凝器或任意位置的自由水，并能在任意塔板上析出自由水。
5.2模拟流程
5.2.1输入参数及流程图
由于工业数据的缺乏，复杂塔的理论塔板数、进料位置及方式、汽提塔抽出位置、汽提蒸汽压力及温度等初始参数均未知。根据原油蒸馏的经验数据，估算常顶汽油切割生产溶剂油的精馏塔初始参数，釆用原油蒸馏中常压塔从塔底经加热炉进料的方式，进行模拟，结果不理想，产品流程范围太宽。经过各种探索尝试，得到的较好的模拟结果如下。本模拟釆用有三个侧线采出的复杂塔，根据传统精馏模拟的最优序列方案五的模拟结果，可以得到各产品流量。为了提高侧线产品质量，可以釆用侧线汽提塔。在汽提塔底部吹入适量水蒸气，降低侧线产品的油气分压，使产品中的轻馏分汽化，返回蒸懷塔内，提高分离要求，操作简便。选择侧线汽提所用的水蒸汽量为侧线产品的2% (质量分数)，釆用420°C、0.3MPa的过热水蒸汽，汽提塔塔板数为4层。
第6章结论
本文运用Aspen Plus软件对常顶汽油生产溶剂油工艺中的切割流程进行了模拟优化，根据原料的馏程范围确定了五种产品的生产方案。对于五种产品的分离流程，可以采用传统精馏方式，几个精馏塔串联分离，或釆用一塔多釆的方式。通过用虚拟组分处理进料，选择合适的物性方法；对十四种分离序列的设计，模拟和优化，对模拟结果进行综合分析对比，选出最优分离序列，并对其进行填料设计与校核；对一塔多采的复杂塔进行探索性模拟计算，得到如下的结论。(1)在石油炼制工艺模拟流程中，对于成分复杂、组分繁多等原因而无法得到其详细化学组成的原料，可以釆用Aspen Plus软件化验数据分析（ADA)和虚拟组分系统(PCS),利用已有的油品性质数据对其进行虚拟组分处理，将原料切割成有限数目的窄馏分，每个窄馏分都视为一个纯组分。(2)在石油炼制体系中，物性方法BK10、GRAYSON和CHAO-SEA均可用于压力较低的常减压塔模拟，通过分析每种物性方法的适用温度、压力范围及适用体系，结合原料的性质，本模拟选用CHAO-SEA物性方法比较合适。(3)在简捷设计模块DSTWU中，通过设置关键组分的回收率、操作压力等条件可以得到各个塔的基本参数、回流比与理论塔板数的关系曲线等，通过分析回流比与理论塔板数的关系曲线可以选择合适的塔板数。DSTWU模块模拟所得的结果数据可作为严格计算模块RadFmc的输入数据，运用RadFmc模块分离流程进行校核和优化，得到每个精馏塔的最优设计参数及每股物流的详细信息。从设备费用、操作费用及分离效果等因素综合考虑，选择方案五为最优分离序列。
参考文献（略）
本文编号：8448
1.1研宄背景及意义
近年来我国原油进口量不断增加。2006年我国原油进口量为1.45亿吨，成为仅次于美国和日本的世界第三大石油进口国，同时也是仅次于美国的世界第二大石油消费国。2010年突破2.39亿吨，进口依存度超过50%[1], 2011年进口增速减慢，但仍维持6%的增速，超过2.5亿吨，2012年突破2.7亿吨，到2013年突破了2.8亿吨的关口。在我国进口的原油中，中东原油的比例较高[2]。从原油评价看，中东原油一般具有较高含硫量，轻油收率和总拔也较高的特点，尤其是中东轻质原油，例如沙特轻油和伊朗轻油中的硫含量在1.5%以上，35(rC之前的馆分占50%左右[3]。常顶汽油是常压装置顶部抽出油，主要是直馆石脑油馈分，其具体馆程与装置的操作条件及上下游装置的需求有关，一般为初馆点至205(或215)°C,主要含C4至Cu的经类及少量硫化物。这种汽油主要含饱和烃类和少量的不饱和烃类，化学稳定性较高，是生产稀烃和芳烃的主要原料，也可作溶剂油的生产原料。溶剂油、汽油、煤油、柴油和润滑油是我国五大石油产品。随着食品加工、橡胶和涂料行业的快速发展，溶剂油成为各轻工业部门、工业部门不可或缺的原料；随着人们生活水平的不断提高和工业技术的发展，对溶剂油的种类和需求数量逐年增长，溶剂油的市场前景较好。从温州中油燃料石化有限公司所产的常顶汽油的恩氏馆程范围来看，用它可以生产液化石油气、30号发泡剂油、60号抽提溶剂油、120号建材溶剂油和200号油漆溶剂油，从而达到资源的合理应用。
1.2研究内容
本课题应用Aspen Plus软件，对10万吨/年规模的常顶汽油生产溶剂油过程中的分离流程进行模拟。模拟内容如下：(1)运用AspenPlus中的ADA/PCS法将原料划分为十个虚拟组分，选择合适的物性方法；(2)利用Aspen Plus软件中DSTWU模块，对14种不同分离序列的的分离流程进行简捷设计，再利用RadFrac模块对不同的分离流程进行精确计算和优化，综合对比分析模拟结果，找出较优分离序列；(3)对较优序列进行填料设计和热集成设计；(4)利用AspenPlus软件中的PetroFrac模块，进行有侧线釆出的复杂塔的摸索设计，并与上述较优序列进行综合对比分析。通过对模拟结果进行分离效果及经济核算的综合比较，选出最佳分离流程，以期获得经济效益的最大化及分离效果的最优化，为实验及工业化提供研究依据。
第2章文献综述
2.1常顶汽油概述
2.1.1原油蒸馆原油蒸馆f4]是原油加工的第一道工序，直接提供部分油品，并为二次加工装置提供原料，在石油炼制工艺过程中起着举足轻重的作用。根据原油性质和加工产品的不同，原油的加工方案大致可分为三类：一、燃料型，主要生成汽油、煤油、柴油等作燃料的石油产品，减压馏分油和减压澄油除了用于生产部分重油燃料油外，还通过各种轻质化过程生成各种轻质燃料；二、燃料一润滑油型，除了生产汽油、煤油、柴油等作燃料的石油产品外，相当一部分减压馆分油和减压渔油用于生产各种润滑油产品；三、燃料一化工型，除了生产燃料油产品外，还生产化工产品和化工原料，此种加工方案充分合理地利用了石油资源，提高了炼油厂的经济效益。原油蒸馆工艺包括原油预处理、常压蒸馆和减压蒸馆三个部分。原油预处理主要是脱除原油中所含的水、盐和固体杂质，一般应用电化学分离法或加热沉降法，目的是防止盐塘在管式炉炉管内沉积和盐类离解产生******腐烛设备。预处理后的原油加热到230-25(rC后进入常压蒸懼装置的初馆塔，塔顶蒸馆出大部分轻汽油。初馆塔底油称作拔头原油，经常压炉加热至360-37(rC进入常压塔，常压塔的塔顶产物为汽油馆分（又称为直馆石脑油），它与初馆塔塔顶的轻汽油一起可作汽油调合组分、石油化工原料或催化重整原料。常压塔通常开3-5根侧线，侧线出料进入汽提塔，用水蒸气或再沸器加热，蒸出轻组分，以此来控制轻组分含量。通常，侧一线为煤油馆分，侧二线为轻柴油，侧三线为重柴油馆分，塔底产物为常压澄油（又称重油）。
2.2溶剂油的相关介绍
2.2.1溶剂油的简述
溶剂油是一系列对某些物质起溶解、稀释、洗漆和抽提等作用的轻质石油产品的统称，其主要成分为焼径、环烧径和少量芳烃，不含任何添加剂，其沸程范围与汽油馆分比较接近。与汽油、煤油、柴油和润滑油一样，溶剂油是主要的石油产品之一。溶剂油的用途十分广泛，主要应用于食用油加工、橡胶、印刷油墨、农药、化妆品、皮革、香料、医药和化工聚合等诸多领域目前约有二百多种溶剂油在市场上销售，占市售溶剂的一半，随着人们生活水平的提高，对溶剂油产量及其品种的需求不断增加，溶剂油有较好的市场前景[2G]。
2.2.2溶剂油的分类
根据不同的分类标准，溶剂油的分类方法有很多种，大概可以归纳为以下几种。(1)按化学结构分溶剂油可以分为链焼经、环焼烃和芳香烃三大类，实际上除乙焼，甲苯和二甲苯等少数几种纯烃化合物溶剂油外，溶剂油都是各种结构烃类的混合物。通常所说的6号、120号、200号溶剂油，就是链焼径。芳香径指苯、甲苯、二甲苯等。(2)按沸程分一般情况下，可以分为低沸点溶剂油，中沸点溶剂油和高沸点溶剂油。低沸点溶剂油的馆程范围一般小于io(rc，如6号抽提溶剂油，其馈程范围为60-9crc，中沸点溶剂油的馆程范围一般为100-15(rc,如120号様胶溶剂油，其馆程范围为80-120°C，高沸点溶剂油的馆程范围为大于15(rc，如200号油漆溶剂油，其馆程范围为140-20(rc。目前还有更高沸点的溶剂油，其终馆点可达30(rc以上，广泛用于印刷油墨、气雾剂等行业。有时，馆程的切割各个企业也会有所不同，例如，6号溶剂油，有的厂家的馆程范围是60-75°C，通常称之为窄6号溶剂油，以示区别。根据生产实际，120号溶剂油的馆程往往会控制在90-120°C之间。(3)按用途分主要有用于抽出大豆油、莱籽油、花生油和骨油等动植物油脂的抽提溶剂油；用于抽提香料物质中的香精，油脂工业部门用于抽取油料中的油脂的70号香花溶剂油；用作工业溶剂和化学试剂，也用于抽提药物的有效组分，提取烟叶中烟碱，及抽取动植物中的油脂的90号石油醚；用于轮胎、胶鞋生产过程中溶解胶料和配制胶楽的120号橡胶溶剂油；用于洗漆航空发动机的机械零部件及精密仪器仪表的180号航空洗漆油；用于清洗各种机械零件，用作农药和医药工业的溶剂，及用作喷灯和打火机的燃料等的190号洗漆剂油；用作涂料工业的溶剂或稀释剂，也可作粗洗溶剂的200号油漆溶剂油；用于矿石萃取的260号特种煤油型溶剂『21]。
第3章传统精馏序列模拟.......................... 13
3.1 进料处理........................................ 13
3.1.1 原料物性..................................... 13
3.1.2原料的切割处理........................... 13
3.1.3产品方案...................................... 15
3.2物性方法的选择 ................................15
3.3流程简介及单元模块的选择 .................17
3.4流程模拟 .........................................17
3.4.1方案一简捷设计计算 .......................17
3.4.2方案一严格计算流程及模拟优化 ........22
3.4.3 方案一模拟结果 ............................26
3.4.4方案二到方案十四的模拟流程及结果.. 27
3.5 最优方案选择 .................................46
3.6 本章小结 .......................................47
第4章最优序列填料设计和热集成设计 .......48
4.1填料设计 ........................................48
4.1.1 填料的选择 .................................48
4.1.2填料的设计与校核 .........................49
4.2热集成设计 .....................................50
4.2.1 热集成概述 .................................50
4.2.2热集成优化模拟 ............................50
4.3 本章小结 ......................................54
第5章复杂塔模拟 .................................55
5.1 模型简介 ......................................55
5.2模拟流程 .......................................55
5.2.1输入参数及流程图 ........................55
5.2.2 丰旲拟结果 ................................56
5.3 本章小结 ......................................58
第5章复杂塔模拟
5.1模型简介
Aspen Plus流程软件中的石油蒸馏模块（PetroFrac)是严格计算的模型，可以用来模拟石油炼制工艺中复杂类型的汽液分离操作，例如：预闪蒸塔、常压塔、减压塔、延迟焦化主分馏塔、催化裂化主分馏塔、急冷塔组合及乙烯装置初馏塔等。PetroFrac模块可模拟有一个主塔、任意数目的中段回流、任意数目的侧线汽提塔和一个加热炉组成的塔结构，此模块可以检测出塔的冷凝器或任意位置的自由水，并能在任意塔板上析出自由水。
5.2模拟流程
5.2.1输入参数及流程图
由于工业数据的缺乏，复杂塔的理论塔板数、进料位置及方式、汽提塔抽出位置、汽提蒸汽压力及温度等初始参数均未知。根据原油蒸馏的经验数据，估算常顶汽油切割生产溶剂油的精馏塔初始参数，釆用原油蒸馏中常压塔从塔底经加热炉进料的方式，进行模拟，结果不理想，产品流程范围太宽。经过各种探索尝试，得到的较好的模拟结果如下。本模拟釆用有三个侧线采出的复杂塔，根据传统精馏模拟的最优序列方案五的模拟结果，可以得到各产品流量。为了提高侧线产品质量，可以釆用侧线汽提塔。在汽提塔底部吹入适量水蒸气，降低侧线产品的油气分压，使产品中的轻馏分汽化，返回蒸懷塔内，提高分离要求，操作简便。选择侧线汽提所用的水蒸汽量为侧线产品的2% (质量分数)，釆用420°C、0.3MPa的过热水蒸汽，汽提塔塔板数为4层。
第6章结论
本文运用Aspen Plus软件对常顶汽油生产溶剂油工艺中的切割流程进行了模拟优化，根据原料的馏程范围确定了五种产品的生产方案。对于五种产品的分离流程，可以采用传统精馏方式，几个精馏塔串联分离，或釆用一塔多釆的方式。通过用虚拟组分处理进料，选择合适的物性方法；对十四种分离序列的设计，模拟和优化，对模拟结果进行综合分析对比，选出最优分离序列，并对其进行填料设计与校核；对一塔多采的复杂塔进行探索性模拟计算，得到如下的结论。(1)在石油炼制工艺模拟流程中，对于成分复杂、组分繁多等原因而无法得到其详细化学组成的原料，可以釆用Aspen Plus软件化验数据分析（ADA)和虚拟组分系统(PCS),利用已有的油品性质数据对其进行虚拟组分处理，将原料切割成有限数目的窄馏分，每个窄馏分都视为一个纯组分。(2)在石油炼制体系中，物性方法BK10、GRAYSON和CHAO-SEA均可用于压力较低的常减压塔模拟，通过分析每种物性方法的适用温度、压力范围及适用体系，结合原料的性质，本模拟选用CHAO-SEA物性方法比较合适。(3)在简捷设计模块DSTWU中，通过设置关键组分的回收率、操作压力等条件可以得到各个塔的基本参数、回流比与理论塔板数的关系曲线等，通过分析回流比与理论塔板数的关系曲线可以选择合适的塔板数。DSTWU模块模拟所得的结果数据可作为严格计算模块RadFmc的输入数据，运用RadFmc模块分离流程进行校核和优化，得到每个精馏塔的最优设计参数及每股物流的详细信息。从设备费用、操作费用及分离效果等因素综合考虑，选择方案五为最优分离序列。
参考文献（略）
本文编号：8448
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