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[摘 要]对酮苯脱蜡装置溶剂回收系统进行节能优化研究，采用NRTL热力学模型及化工过程通用模拟软件PRO/Ⅱ模拟酮苯脱蜡溶剂回收过程流程，建立流程模拟程序，经模拟计算结果与工业试验标定数据对比分析，在保证出装置产品含溶剂合格的前提下，适当提高操作压力，并适当降低操作温度，能够达到降低酮苯脱蜡装置能耗的目的。
[关键词] 酮苯脱蜡 回收 模型 节能 标定
中图分类号： TE624. 53
前言：大庆石化公司炼油厂酮苯脱蜡装置分为轻油、重油两套系统，该系统采用溶剂脱蜡的方法，溶剂为丁酮-甲苯二元混合溶剂。原料与溶剂进行混合，由于混合溶剂在低温下对油和蜡的溶解度不同，特别对蜡的溶解度较低的特性，在冷冻降温过程中能够使蜡良好的结晶，经过滤系统后使油蜡分离，回收系统分别回收滤液和蜡液中的溶剂，回收得到的溶剂继续循环使用。回收系统主要利用1.0MPa蒸汽与3.6MPa蒸汽作为热源，这二级蒸汽的能量消耗约占整个装置的60%，根据酮苯脱蜡装置能耗特点，对溶剂回收系统进行节能优化。在保证出装置含溶剂合格的前提下，优化溶剂回收系统现行工艺条件，降低蒸汽加热器的蒸汽消耗，达到节能降耗的目的。
1 溶剂回收系统流程简述
溶剂回收系统采用五塔三效流程，即四个溶剂蒸发塔和一个汽提塔。依操作条件看，前三个溶剂蒸发塔的操作压力依次升高，四次塔及汽提塔为常压或微负压。一次蒸发塔产生的蒸汽用于加热该塔进料，二次塔产生的蒸汽用于加热一次塔进料，二次塔底物料经一、二级加热器后进入三次塔，而三次塔产生的蒸汽用于二次塔进料的加热。这样操作的目的是充分回收各蒸发塔所产生蒸汽的热能，三次塔内物料自压至四次塔，四次塔内物料自流至汽提塔，四次塔及汽提塔的作用是将三次塔底物流中剩余的溶剂更好地分离出来。
2 溶剂回收系统模拟
酮苯脱蜡溶剂回收过程中涉及到的油或蜡的碳原子数一般在16至30之间， 其沸点很高。以正构烷烃为例，当碳原子数为16时，其分子量为226，正常沸点约为280℃，相同分子量的环烷烃的正常沸点更高。而溶剂的正常沸点是丁酮为79.6℃，甲苯为110.6℃。所以在溶剂回收系统中，当操作温度低于200℃时，油及蜡基本不蒸发，只有溶剂蒸发。这样就可以把油及蠟看成一个重组分，使计算得到简化，同时计算精度并未受到影响。经对比分析确定，以C18作为虚拟重组份代替油及蜡，这样可大大简化计算。经过汽液平衡计算中几种方程的对比分析，结果得出NRTL方程是可行的，故研究采用NRTL热力学方程对回收系统进行汽液平衡计算，并结合通用模拟软件PRO/II建立了酮苯脱蜡装置溶剂回收系统基础模型。模拟计算了各主要设备的操作参数，以轻油系统为例，经调整后，模拟结果与标定结果对比见表1。表中蒸发量数据是根据各塔顶汽相质量流率与平均分子量之积所得，标定值来自2006年标定报告。
由表可知，各塔温度及蒸发量的模拟值与标定值基本吻合，其中一次塔及二次塔蒸发量误差小于2.5%，三次塔蒸发量误差较大，为11.3%，但仍可以满足节能优化分析的要求，由此可见，本项目所得模拟模型可以做为酮苯脱蜡溶剂回收系统工况研究和系统调优的基础。
2.1 模拟的回收系统主要参数变化对能耗的影响
本项目采用系统综合分析法进行研究，提出设备零投资节能方案，对本系统换热网络进行夹点分析。夹点技术已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果，采用这种技术对新厂设计而言，比传统方法节能30%～50%，节省投资10%左右，对老厂改造而言，通常可节能20%～35%，改造投资的回收年限一般只有0.5～3年[1]。本项目研究了操作参数变化对能耗的影响以及产品指标与能耗的关系。
（1）回收系统参数主要是各蒸发塔的操作温度与压力，在三个溶剂蒸发塔中，三次塔的操作压力最重要，该塔蒸出的溶剂主要为甲苯，该塔压力决定了一次塔及二次塔的操作压力。在上述压力下，根据产品质量指标，可以由热力学方法计算相应的操作温度。经模拟计算发现：在现有操作条件下，三次塔操作温度明显偏高。我们重点研究了该塔操作压力、温度与产品溶剂含量之间的关系，图1为轻油系统三次塔操作压力一定情况下，操作温度变化对蒸汽加热器热负荷及甲苯蒸发量的影响，由该图可见，与产品中甲苯含量对温度变化的敏感程度相比较，三次塔加热器热负荷对温度的变化更为敏感，这就是说，在操作压力一定时，降低操作温度可以降低加热器热负荷，同时对产品中溶剂含量的影响不会太大。从图还可得知，三次塔温度越高，甲苯的蒸发量也越大。三次塔溶剂蒸发量偏大对能耗有很大影响。
（2）三次塔压力变化对一次塔前换热器及二次塔前换热器换热温差均有一定影响，但三次塔压力变化主要影响二次塔前换热器的换热温差。由模拟计算结果可得，对轻油系统来说，当三次塔压力为0.22MPa时，该换热器的平均对数换热温差为18.5℃；而三次塔压力为0.24MPa时，该换热器的平均对数换热温差为19.8℃；当三次塔压力为0.26MPa时，该换热器的平均对数换热温差为21.4℃。其他系统情况与之基本一致。
2.2 提出模型优化方案
三次塔操作温度偏高对降低产品中的溶剂量有利，但节能降耗也是目前必须考虑的问题。在保证产品质量合格的前提下，适当降低三次塔操作温度可以实现节能降耗。当三次塔操作压力较低时，操作温度也会相应较低。如果三次塔操作压力低到一定程度时，一次塔及二次塔前换热器的换热温差将减小，这对换热不利，由此造成各塔顶蒸汽余热利用率较低，所以，为了不使操作温度降低太多，与目前操作情况比较，应适当提高操作压力。为了找到适当的操作压力和与之匹配的操作温度，我们通过模拟计算，研究了三次塔操作压力变化时，该塔底物流量保持不变情况下温度的变化情况。以轻油装置为例，上述关系见图2。
由该图可知，在保持前三塔蒸发能力不变情况下，操作温度随压力升高而增大。其他系统情况与图类似。经过反复模拟计算，并经过数次试验，确定最终方案为：适当提高操作压力，并适当降低操作温度。 通过分析，三次塔操作压力与温度对能耗和三次塔底物流中溶剂含量的关系，得出了不同操作压力条件下，能达到节能目标的操作温度范围，详见表2。
3 溶剂回收系统运行参数标定
3.1 空白标定和参数优化后标定方案
对溶剂回收系统实际运行参数进行标定，标定期间，酮苯脱蜡轻油装置加工HVI200润滑油料，去蜡油凝固点≯-13℃，处理量34-35t/h。酮苯脱蜡重油装置加工HVI200反序蜡料，处理量33-34t/h。为使标定前后参数变化对比性强，对轻重油装置还要进行空白标定，并保证出装置产品含溶剂合格。由于优化回收系统运行参数对整个装置的电、循环水和软化水等物耗没有影响，故本次不对这些物耗进行统计和分析。轻重油两套装置空白标定时将蒸汽加热器出口温度控制在195±4℃，二次塔塔顶压力控制在0.08±0.02MPa，三次塔塔顶压力控制在0.18±0.02MPa的工况下。参数优化后将两套装置蒸汽加热器出口温度控制在188±4℃，二次塔塔顶压力控制在0.08±0.02MPa，三次塔塔顶压力控制0.20±0.02MPa（重油装置三次塔塔顶压力控制在0.24±0.02MPa）。分别对两套装置标定前和标定后的工况下采集三天数据，考察1.0MPa蒸汽与3.6MPa蒸汽的蒸汽总消耗情况。
3.2 轻油装置标定前后结果分析
轻油装置标定前后操作平稳，产品合格，各操作参数满足标定方案要求。根据标定前的三天数据和标定后的三天数据进行分析，选标定后的三天数据总和与标定前的三天数据总和作分析比较，如表3所示。
对轻油装置进行空白标定得到的蒸汽总消耗為34.44 kg.oil/t，参数优化后标定得到的蒸汽总消耗为32.51 kg.oil/t。与参数优化前的空白标定相比，蒸汽总消耗下降了1.93kg.oil/t。
3.3 重油装置标定前后结果分析
重油装置标定前后操作平稳，产品合格，各操作参数满足标定方案要求。根据标定前的三天数据和标定后的三天数据进行分析，选标定后的三天数据总和与标定前的三天数据总和作分析比较，如表4所示。
对重油装置进行空白标定得到的蒸汽总消耗为49.58 kg.oil/t，参数优化后标定得到的蒸汽总消耗为47.61 kg.oil/t。与参数优化前的空白标定相比，蒸汽总消耗下降了1.97kg.oil/t。
4 结论
（1）造成三次塔溶剂蒸发量偏大的原因是该塔操作温度偏高，而能耗对温度的敏感程度大于溶剂蒸发量对温度的敏感程度，这就有可能在溶剂蒸发量升高不太大的前提下，降低装置能耗，其中三次塔操作压力与温度对装置的能耗影响最大。
（2）酮苯脱蜡装置溶剂回收系统节能优化方案实施后，溶剂回收系统运行稳定，出装置产品含溶剂合格，与参数优化前装置标定能耗数据对比，在相同工况下，酮苯脱蜡装置的能耗有所下降。
参考文献：
[1] 冯霄.化工节能原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
[关键词] 酮苯脱蜡 回收 模型 节能 标定
中图分类号： TE624. 53
前言：大庆石化公司炼油厂酮苯脱蜡装置分为轻油、重油两套系统，该系统采用溶剂脱蜡的方法，溶剂为丁酮-甲苯二元混合溶剂。原料与溶剂进行混合，由于混合溶剂在低温下对油和蜡的溶解度不同，特别对蜡的溶解度较低的特性，在冷冻降温过程中能够使蜡良好的结晶，经过滤系统后使油蜡分离，回收系统分别回收滤液和蜡液中的溶剂，回收得到的溶剂继续循环使用。回收系统主要利用1.0MPa蒸汽与3.6MPa蒸汽作为热源，这二级蒸汽的能量消耗约占整个装置的60%，根据酮苯脱蜡装置能耗特点，对溶剂回收系统进行节能优化。在保证出装置含溶剂合格的前提下，优化溶剂回收系统现行工艺条件，降低蒸汽加热器的蒸汽消耗，达到节能降耗的目的。
1 溶剂回收系统流程简述
溶剂回收系统采用五塔三效流程，即四个溶剂蒸发塔和一个汽提塔。依操作条件看，前三个溶剂蒸发塔的操作压力依次升高，四次塔及汽提塔为常压或微负压。一次蒸发塔产生的蒸汽用于加热该塔进料，二次塔产生的蒸汽用于加热一次塔进料，二次塔底物料经一、二级加热器后进入三次塔，而三次塔产生的蒸汽用于二次塔进料的加热。这样操作的目的是充分回收各蒸发塔所产生蒸汽的热能，三次塔内物料自压至四次塔，四次塔内物料自流至汽提塔，四次塔及汽提塔的作用是将三次塔底物流中剩余的溶剂更好地分离出来。
2 溶剂回收系统模拟
酮苯脱蜡溶剂回收过程中涉及到的油或蜡的碳原子数一般在16至30之间， 其沸点很高。以正构烷烃为例，当碳原子数为16时，其分子量为226，正常沸点约为280℃，相同分子量的环烷烃的正常沸点更高。而溶剂的正常沸点是丁酮为79.6℃，甲苯为110.6℃。所以在溶剂回收系统中，当操作温度低于200℃时，油及蜡基本不蒸发，只有溶剂蒸发。这样就可以把油及蠟看成一个重组分，使计算得到简化，同时计算精度并未受到影响。经对比分析确定，以C18作为虚拟重组份代替油及蜡，这样可大大简化计算。经过汽液平衡计算中几种方程的对比分析，结果得出NRTL方程是可行的，故研究采用NRTL热力学方程对回收系统进行汽液平衡计算，并结合通用模拟软件PRO/II建立了酮苯脱蜡装置溶剂回收系统基础模型。模拟计算了各主要设备的操作参数，以轻油系统为例，经调整后，模拟结果与标定结果对比见表1。表中蒸发量数据是根据各塔顶汽相质量流率与平均分子量之积所得，标定值来自2006年标定报告。
由表可知，各塔温度及蒸发量的模拟值与标定值基本吻合，其中一次塔及二次塔蒸发量误差小于2.5%，三次塔蒸发量误差较大，为11.3%，但仍可以满足节能优化分析的要求，由此可见，本项目所得模拟模型可以做为酮苯脱蜡溶剂回收系统工况研究和系统调优的基础。
2.1 模拟的回收系统主要参数变化对能耗的影响
本项目采用系统综合分析法进行研究，提出设备零投资节能方案，对本系统换热网络进行夹点分析。夹点技术已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果，采用这种技术对新厂设计而言，比传统方法节能30%～50%，节省投资10%左右，对老厂改造而言，通常可节能20%～35%，改造投资的回收年限一般只有0.5～3年[1]。本项目研究了操作参数变化对能耗的影响以及产品指标与能耗的关系。
（1）回收系统参数主要是各蒸发塔的操作温度与压力，在三个溶剂蒸发塔中，三次塔的操作压力最重要，该塔蒸出的溶剂主要为甲苯，该塔压力决定了一次塔及二次塔的操作压力。在上述压力下，根据产品质量指标，可以由热力学方法计算相应的操作温度。经模拟计算发现：在现有操作条件下，三次塔操作温度明显偏高。我们重点研究了该塔操作压力、温度与产品溶剂含量之间的关系，图1为轻油系统三次塔操作压力一定情况下，操作温度变化对蒸汽加热器热负荷及甲苯蒸发量的影响，由该图可见，与产品中甲苯含量对温度变化的敏感程度相比较，三次塔加热器热负荷对温度的变化更为敏感，这就是说，在操作压力一定时，降低操作温度可以降低加热器热负荷，同时对产品中溶剂含量的影响不会太大。从图还可得知，三次塔温度越高，甲苯的蒸发量也越大。三次塔溶剂蒸发量偏大对能耗有很大影响。
（2）三次塔压力变化对一次塔前换热器及二次塔前换热器换热温差均有一定影响，但三次塔压力变化主要影响二次塔前换热器的换热温差。由模拟计算结果可得，对轻油系统来说，当三次塔压力为0.22MPa时，该换热器的平均对数换热温差为18.5℃；而三次塔压力为0.24MPa时，该换热器的平均对数换热温差为19.8℃；当三次塔压力为0.26MPa时，该换热器的平均对数换热温差为21.4℃。其他系统情况与之基本一致。
2.2 提出模型优化方案
三次塔操作温度偏高对降低产品中的溶剂量有利，但节能降耗也是目前必须考虑的问题。在保证产品质量合格的前提下，适当降低三次塔操作温度可以实现节能降耗。当三次塔操作压力较低时，操作温度也会相应较低。如果三次塔操作压力低到一定程度时，一次塔及二次塔前换热器的换热温差将减小，这对换热不利，由此造成各塔顶蒸汽余热利用率较低，所以，为了不使操作温度降低太多，与目前操作情况比较，应适当提高操作压力。为了找到适当的操作压力和与之匹配的操作温度，我们通过模拟计算，研究了三次塔操作压力变化时，该塔底物流量保持不变情况下温度的变化情况。以轻油装置为例，上述关系见图2。
由该图可知，在保持前三塔蒸发能力不变情况下，操作温度随压力升高而增大。其他系统情况与图类似。经过反复模拟计算，并经过数次试验，确定最终方案为：适当提高操作压力，并适当降低操作温度。 通过分析，三次塔操作压力与温度对能耗和三次塔底物流中溶剂含量的关系，得出了不同操作压力条件下，能达到节能目标的操作温度范围，详见表2。
3 溶剂回收系统运行参数标定
3.1 空白标定和参数优化后标定方案
对溶剂回收系统实际运行参数进行标定，标定期间，酮苯脱蜡轻油装置加工HVI200润滑油料，去蜡油凝固点≯-13℃，处理量34-35t/h。酮苯脱蜡重油装置加工HVI200反序蜡料，处理量33-34t/h。为使标定前后参数变化对比性强，对轻重油装置还要进行空白标定，并保证出装置产品含溶剂合格。由于优化回收系统运行参数对整个装置的电、循环水和软化水等物耗没有影响，故本次不对这些物耗进行统计和分析。轻重油两套装置空白标定时将蒸汽加热器出口温度控制在195±4℃，二次塔塔顶压力控制在0.08±0.02MPa，三次塔塔顶压力控制在0.18±0.02MPa的工况下。参数优化后将两套装置蒸汽加热器出口温度控制在188±4℃，二次塔塔顶压力控制在0.08±0.02MPa，三次塔塔顶压力控制0.20±0.02MPa（重油装置三次塔塔顶压力控制在0.24±0.02MPa）。分别对两套装置标定前和标定后的工况下采集三天数据，考察1.0MPa蒸汽与3.6MPa蒸汽的蒸汽总消耗情况。
3.2 轻油装置标定前后结果分析
轻油装置标定前后操作平稳，产品合格，各操作参数满足标定方案要求。根据标定前的三天数据和标定后的三天数据进行分析，选标定后的三天数据总和与标定前的三天数据总和作分析比较，如表3所示。
对轻油装置进行空白标定得到的蒸汽总消耗為34.44 kg.oil/t，参数优化后标定得到的蒸汽总消耗为32.51 kg.oil/t。与参数优化前的空白标定相比，蒸汽总消耗下降了1.93kg.oil/t。
3.3 重油装置标定前后结果分析
重油装置标定前后操作平稳，产品合格，各操作参数满足标定方案要求。根据标定前的三天数据和标定后的三天数据进行分析，选标定后的三天数据总和与标定前的三天数据总和作分析比较，如表4所示。
对重油装置进行空白标定得到的蒸汽总消耗为49.58 kg.oil/t，参数优化后标定得到的蒸汽总消耗为47.61 kg.oil/t。与参数优化前的空白标定相比，蒸汽总消耗下降了1.97kg.oil/t。
4 结论
（1）造成三次塔溶剂蒸发量偏大的原因是该塔操作温度偏高，而能耗对温度的敏感程度大于溶剂蒸发量对温度的敏感程度，这就有可能在溶剂蒸发量升高不太大的前提下，降低装置能耗，其中三次塔操作压力与温度对装置的能耗影响最大。
（2）酮苯脱蜡装置溶剂回收系统节能优化方案实施后，溶剂回收系统运行稳定，出装置产品含溶剂合格，与参数优化前装置标定能耗数据对比，在相同工况下，酮苯脱蜡装置的能耗有所下降。
参考文献：
[1] 冯霄.化工节能原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2009.