進料溫度提高在塔分離系統節能中的應用

吳玲瓏

（中國石油化工股份有限公司長嶺分公司，湖南岳陽 414012）

煉化工藝裝置最核心的部分是反應系統及蒸餾塔系統，其它裝置均圍繞這兩個系統運行。反應系統是將原料轉化為目標產品，而蒸餾塔系統則是將反應產物中的目標產品分離出來。蒸餾塔系統在分離過程所耗投資和操作費用占40%～70%，其中蒸餾過程占能耗費用60%[1]，因此分餾是占總能耗最大的化工分離過程。待分離物料中的分子量相差越小，其分離過程能耗越高。優化蒸餾塔系統工藝，提升蒸餾塔過程能效，是煉化企業節能降碳工作中最為重要的組成部分。

煉化裝置中，能耗占比較大的分離設備是起蒸餾作用的分餾塔，其顯著的特點是分離輕重烴組分，用能溫位高（加熱爐供熱），產品的低溫熱溫位也高，充分利用好分餾塔的低溫熱，使熱量能夠進行二次甚至三次利用，是提高能效的最有效手段[2]。塔分離系統節能可采用調整工藝參數、熱集成技術、設備優化等途徑[3]，調整工藝參數中提高進料溫度是最常見的節能手段，可進行深入研究。

1 提高塔進料溫度的常見技術

傳統分餾塔的典型流程如圖1 所示，塔分餾熱量來源于塔底再沸器和塔進料。塔頂的氣相產品和塔底的液相產品均通過空冷器和水冷器冷卻，塔頂和塔底熱量均未得到利用，且塔之間未進行熱聯合，導致塔系統能耗較高，不利于節能。

圖1 傳統分餾塔流程

常規的熱源來自于塔系統本身、塔附屬設備熱量、裝置內換熱以及裝置間熱集成。節能原則通常是利用能級最低的能源介質替換高能級介質，如以低溫熱替代蒸汽，以低等級蒸汽替代高等級蒸汽或者燃料氣。相比于塔底，提高塔進料溫度可采用低能級介質置換高能級介質，實現能源梯級利用。

1.1 提高塔進料溫度的方法

塔系統能夠提供的熱源主要是塔頂汽化產品的相變熱、塔底產品高溫位余熱、附屬設備余熱。利用塔系統的熱量加熱進料投資少見效快，也便于操作調整，因此被廣泛使用。

（1）塔底產品與進料換熱

利用塔底產品與進料換熱從而提高進料溫度的方式較為常見，如圖2 所示，通過增設塔進料換熱器，利用塔底物料加熱塔進料，提高進料溫度。這對于塔底產品占大多數的分離塔具有良好的效果，能夠充分利用塔自身熱量。

圖2 塔底產品于塔進料換熱

（2）塔頂產品熱量回收

當塔頂產品的量較大時，通過增設換熱器將塔頂產品與進料換熱以提升進料溫度，進而減少塔系統消耗的外部輸入熱負荷，如圖3 所示，通過在塔頂增設，利用塔頂氣加熱塔進料。如重整裝置預加氫的分餾塔，可以利用預分餾塔的塔頂相變熱提升塔的進料溫度，不僅可以避免塔頂余熱的浪費，同時能夠將這部分熱量提升進料溫度，減少塔底再沸器的蒸汽消耗。

圖3 塔頂產品與塔進料換熱

（3）塔系統的附屬設備熱源

當塔底采用蒸汽作為熱源時，由于再沸器主要是利用蒸汽的相變熱，因此凝結水仍具有相當高的溫位可以進一步利用。常規處理方法是將凝結水閃蒸降壓后用空冷器冷卻氣相蒸汽的方式將溫度降至100 ℃以下后送出裝置。如某MTBE裝置采用凝結水加熱催化蒸餾塔的進料，溫度可由65 ℃提高至75 ℃左右；某烷基化裝置的脫異丁烷塔利用裝置內的凝結水加熱進料，這兩種方式都屬于常見的提高進料溫度的措施。同時利用凝結水和塔底產品熱量進行換熱，流程如圖4所示，可顯著提高進料溫度。

圖4 凝結水和塔底產品熱量提高塔進料溫度

1.2 利用塔外部熱源進行熱集成提高進料溫度

目前煉化企業逐漸開展了熱集成，使用熱媒水、裝置間熱集成已經較為普遍，這些熱量均可用于提高塔的進料溫度，采用外部熱媒水加熱塔進料是常見的加熱方式，如圖5 所示。在乙烯裝置中回收急冷水塔的熱量，將急冷水塔的熱量用于乙烯裝置內部分餾塔的進料加熱?；蛘呃醚b置熱集成，利用外部熱源來加熱裝置的進料溫度，如某煉廠采用S-zorb裝置熱量加熱溶劑再生裝置進料，進料溫度提高至105 ℃左右，顯著減少塔底蒸汽的消耗。如圖6所示。

圖5 熱媒水提高塔進料溫度

圖6 裝置間熱聯合提高塔進料溫度

當多個塔在一起進行分離時，可以對多塔進行耦合，從而提升進料溫度，即利用某一個塔的塔頂熱量加熱另外一個塔的進料。同樣可以達到回收塔頂氣余熱，并減少另外塔的塔底蒸汽消耗的目的，如圖7所示。

圖7 多塔熱耦合提高塔進料溫度

2 最佳進料狀態的優化

進料狀態對塔熱平衡有一定影響，不同的進料熱狀態會有不同的塔內氣液相流率，會影響最小回流比，進而影響分離效果及塔頂、塔底的冷熱負荷。進料熱狀態的變化會影響蒸餾過程的投資和操作費用，因此與塔系統優化有直接的關系。

一般塔的進料可以分為以下幾種狀態：過冷液體（進料熱狀況系數q ＞1）、泡點（q ＝1）、氣液混合（0 ＜q ＜1）、露點（q ＝0）和過熱氣體（q＜0）。通常按照塔進料的泡點溫度進行設計，但實際上對于不同體系的蒸餾塔，泡點進料不一定是最佳的進料狀態。按照塔頂和塔底產品物料比例可將分餾塔分為兩類，一類是塔頂產品占主要比例的蒸餾塔，另一類是塔底產品占主要比例的蒸餾塔，不同的類型對進料溫度的要求并不一致。

2.1 塔底產品占主要比例

對于塔底產品占主要比例的蒸餾塔，進料氣化率對塔底再沸器熱負荷影響十分顯著。隨氣化率上升，再沸器熱負荷不斷下降，塔頂冷凝器的熱負荷逐漸上升。以某進料量為15 t/h 酸性水汽提裝置為例，進料溫度對塔頂和塔底熱負荷有顯著影響，進料的泡點溫度為124 ℃，進料中H2S和NH3的摩爾分率均按照1.2%進行考慮。進料的壓力為0.23 MPaG，塔底凈化水要求氨氮含量小于50 mg/kg。塔底產品和進料的比值D/F ＝0.97，屬于典型的塔底產品占比大的分離過程。

如圖8 所示，利用流程模擬軟件，在進料位置不變，限定塔底酸性水中NH3和H2S 含量一定的情況下，通過改變進料溫度進行工況分析，得出塔底加熱和塔頂冷負荷的變化。

圖8 酸性水汽提裝置進料溫度提升對冷熱負荷的影響

從圖中可以看出，隨著進料溫度提高，塔底再沸器熱負荷下降，110℃以后塔底蒸汽負荷降幅趨緩，但塔頂冷凝熱負荷仍呈線性增加。因此，隨著塔進料溫度提升，能夠減少塔底蒸汽負荷，從而減少操作成本，但隨著帶來的塔頂冷負荷增加的操作成本也應該一起考慮。

提高進料溫度的效益V如式（1）所示。

式中：Fs為蒸汽流量，t/h；X為蒸汽價格，元/噸；Fc為塔頂循環水量，t/h；Y為塔頂循環水價格，元/噸。

按照0.4 MPaG 蒸汽價格為160 元/噸，循環水價格為0.21 元/噸，公式（1）可簡化為V ＝160×△FS－0.21×△FC。從圖中選取典型數值進行簡單的成本測算，結果如表1所示。

表1 酸性水汽提塔熱負荷及費用

從表1 可以看到，隨著溫度升高，塔底操作費用不斷減少，塔頂操作費用相應增加。

操作費用變化見表2。從表2 可以看出，塔底操作費用隨著進料溫度的提升下降趨勢減緩，塔頂操作費用增加的趨勢加快，總操作費用減少的趨勢逐漸減緩，這表明節能效益隨進料溫度的提升而減少，但是減小的趨勢逐漸減緩。因此進料溫度的提高有利于降低能耗，但是超過某一個區間，塔頂冷卻系統的冷負荷增量超過塔底熱負荷節約量。由于蒸汽價格與循環水價格存在較大差異，因此塔進料超過泡點溫度以后，塔底產生的節能效益遠超塔頂冷負荷升高引起的操作費用的增加，仍具節能經濟性。因此對于塔底產品為主的分離塔，雖然泡點進料或過冷態進料對于塔的冷熱負荷有利，但當塔頂冷卻介質的價格較低時，進料溫度超過泡點溫度以后，仍具有節能效益。

表2 酸性變化水汽提塔操作費用

2.2 塔頂產品占主要比例

以脫丁烷塔為例，操作壓力1.1 MPaG，進料量4 977 kg/h，塔頂液化氣和低分氣的流量之和為3 039 kg/h，塔頂產品和進料的比值D/F＝0.61，塔頂產品占主要比例。進料的泡點溫度51 ℃，露點溫度91 ℃。

利用流程模擬軟件，塔頂產品和塔底產品的分離精度不變，通過改變進料溫度進行不同工況的分析，進料溫度對冷熱負荷的影響如圖9所示。

圖9 脫丁烷塔進料溫度對塔頂和塔底熱負荷的影響

從圖9 可以看出，隨著進料溫度的提升，當物料在泡點進料時，再沸器負荷下降趨勢加快，塔頂的冷卻負荷增速緩慢；物料在露點進料時，塔底再沸器負荷的降低趨勢減緩，塔頂的冷卻負荷增長明顯。用公式（1）計算進料溫度變化對塔頂和塔底操作費用的影響，如表3所示。

表3 脫丁烷塔負荷及費用

從上表可以看出，隨著溫度升高，塔底操作費用減少，塔頂的操作費用不斷升高[4]。

脫丁烷塔操作費用變化見表4。隨著進料溫度的提升，在泡點進料之前，隨著溫度的提高塔底再沸器操作費用下降趨勢不明顯，當進料溫度超過泡點，操作費用下降趨勢較明顯；但是當進料溫度達到露點溫度時，操作費用的下降逐漸減緩。同樣，塔頂操作費用增加的趨勢與塔底相反，雖然呈同步反向趨勢，但是塔底操作費用的減小量遠遠超過塔頂的增加量，這是由于蒸汽和循環水的價格差值所決定的。當塔頂產品占主要比例時，根據操作費用的變化，超過泡點以后仍具有一定的節能效益。超過泡點以后繼續提升進料溫度，存在的問題是所需要的能源介質可能與塔底的能源介質一致，此時利用能級相同的介質加熱進料溫度時已經不適宜。

表4 脫丁烷塔操作費用變化

根據上述結論，當進料溫度為露點時操作費用比較節省，同時對降低蒸餾塔的能耗具有良好的效果，因此當蒸餾塔進料來自前一塔的塔頂采出，且該蒸餾塔頂出料占主要比例時，則可以采取如圖10所示的流程。

圖10 雙塔分離中的過熱進料流程

原有T1 塔的塔頂物料經冷卻后，一部分作為T1 塔的回流，另一部分作為T2 進料（流程如虛線所示）。當T2塔的操作壓力高于T1塔時，一部分需要作為回流的氣相冷卻成為液相后仍作為T1塔的回流液，另一部分塔頂氣可利用壓縮機M1 來壓縮提升壓力，提升壓力以后直接以氣相的過熱態進入T2塔。這樣不僅減少了T1 塔的塔頂冷卻負荷，并且保持T2 塔之前的進料在露點之上的過熱態，T2 塔底的加熱負荷顯著減少。該流程僅需要利用壓縮機的電耗來避免兩塔之間的壓力差，相當于利用電能換取較高能級的能源介質。當T1塔的操作壓力高于T2塔，可以直接做到氣相進料，在不需要壓縮機的情況下，兩塔之間的能耗盡可能減少。

3 結論

煉化企業節能降碳新技術不斷涌現，對于傳統的簡單優化仍有潛力可挖掘。不同塔系統內部進料溫度的選取仍具可優化空間。

當蒸餾塔塔底出料占主要比例，隨著進料溫度的提升，塔頂冷凝負荷增加較快，塔底再沸器的加熱負荷減少較慢，此時進料溫度的提升對于塔頂的冷卻負荷更加敏感，但是當塔頂的冷卻能源介質與塔底加熱能源介質價差很大時，即使超過泡點溫度，仍具有一定的節能效益。

當蒸餾塔的塔頂出料占主要比例，進料溫度的提升對于塔底再沸器的熱負荷減少的趨勢比較明顯，而塔頂的冷卻負荷增加的速率趨勢沒有塔底的趨勢明顯。當塔頂的冷卻能源介質與塔底的加熱能源介質的價格有很大差價時，即使塔頂冷卻負荷增加，但是仍具有一定的節能效益。同時對于當蒸餾塔進料來自前一塔的塔頂采出，且該蒸餾塔的塔頂出料占主要比例時，則上游塔的塔頂采出以氣相為宜，而不應取泡點出料，這樣前后兩個塔都可以節省能耗。