浆态床费托合成装置循环换热分离系统工艺优化_丁文瑶.pdf

第 39 卷第 1 期 化学反应工程与工艺 Vol 39,No 1 2023 年2 月 Chemical Reaction Engineering and Technology Feb.2023 收稿日期收稿日期：2021-12-09；修订日期修订日期：2023-01-13。作者简介作者简介：丁文瑶（1987），女，工程师。E-mail:。基金项目基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划资助项目（2019BFH02016）。文章编号：文章编号：10017631(2023)01009106 DOI:10.11730/j.issn.1001-7631.2023.01.0091.06 浆态床费托合成装置循环换热分离系统工艺优化浆态床费托合成装置循环换热分离系统工艺优化 丁文瑶，李 虎，温润娟，井云环 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750411 摘要：摘要：针对浆态床费托合成装置循环换热分离系统在日常操作中出现重质油带水、轻质油气夹带重质油的问题，对循环换热分离系统工艺流程及其关联的上下游工艺流程进行了分析，开展工艺流程模拟，研究循环换热分离器不同工艺条件对分离系统的影响趋势。结果表明：在不同的工艺条件下，循环换热分离器出口的操作条件应控制在水的露点温度以上，才能使重质油中的水含量明显减少；当循环换热分离器温度降低时，则反应器产蒸汽量升高、空冷器负荷降低；当高温油气的压力升高，水的露点温度则升高，但对反应器控温除氧水副产蒸汽量、空冷器负荷影响则较小；随着高温油气中重质油含量增高，水的露点温度亦升高。关键词：关键词：浆态床浆态床 费托合成费托合成 循环换热循环换热 工艺优化工艺优化 中图分类号：中图分类号：TQ021.8 文献标识码：文献标识码：A 煤炭液化是实现煤炭清洁转化、降低石油对外依存度的有效途径，对调整我国“富煤少油”的资源结构，缓解国家油气资源短缺、推进国家中长期能源发展战略，降低原油对外依存度、增强国家能源安全保障能力具有重大战略意义1-3。费托合成装置是煤间接液化项目的核心，采用高温浆态床费托合成技术，由费托反应、循环换热分离、油水分离和汽提等几部分组成，其中循环换热分离部分是核心反应和油气分离的交汇中心，是保证上游、下游工艺正常操作和产品质量的关键环节。然而，费托合成装置循环换热分离系统在日常操作中出现重质油带水、轻质油气夹带重质油的问题4-8。本工作将对循环换热分离系统及其关联的上、下游工艺流程进行分析，开展工艺流程模拟，通过灵敏度分析考察集换热分离一体的循环换热分离器的不同工艺条件对分离系统的影响趋势，以达到指导生产的目标。1 工艺流程工艺流程 1.1 循环换热分离系统循环换热分离系统及及上下游工艺流程关系简述上下游工艺流程关系简述 费托合成原料气在循环换热分离器中换热后进入浆态床反应器，在费托催化剂作用下发生反应，主要生成轻质油、重质油和重质蜡等物质，反应过程产生的大量热量通过除氧水汽化带走，控制反应器温度为 270，汽化的除氧水作为装置副产蒸汽并入蒸汽管网。费托反应生成的高温油气自反应器顶部采出，在循环换热分离器中温度由 270 降为 150，分离出的轻质油气自侧线采出，冷凝的重质油自循环换热分离器底部采出；来自净化单元合成气、循工业应用工业应用 92 化学反应工程与工艺 2023年2月 环气和来自尾气处理单元氢气的混合原料气进入循环换热分离器壳程，温度由 70 升至 170 后进入浆态床反应器9。来自循环换热分离器侧线的轻质油气经过油气空气冷却器后温度降至 50 以下，以低温油气的形式进入油气分离系统；来自循环换热分离器底部的重质油经加热后进入汽提塔中部。因此在该循环工艺中，循环换热分离器的工艺控制将影响费托反应器的进料温度及蒸汽产量，也影响轻质油气和重质油的品质，进而影响油气空冷器负荷及汽提塔的工艺操作。该循环换热分离系统及上下游工艺流程见图 19。图 1 循环换热分离系统及上下游工艺流程9 Fig.1 Process of the cycle heat exchange separation system and the related upstream and downstream process9 1.2 循环换热分离系统运行循环换热分离系统运行中中存在存在的的问题问题 循环换热分离系统在工艺控制过程中，反应器顶部采出的高温油气进入循环换热分离器换热后，易出现如下问题9-11：（1）重质油带水严重。大量含水的重质油进入汽提塔系统后，由于水的汽化潜热大，汽化时带走大量热量，造成汽提塔热量不平衡，塔底温度经常波动，调整不及时则会出现稳定蜡夹带水进入常压储罐后突沸，存在严重安全隐患；（2）轻质油气夹带重质油。夹带了重质油的轻质油气进入油气空冷器后，由于温度降低易出现堵塞换热管、油气空冷器换热效率降低的问题，增大了装置电力消耗，严重时堵塞管路，使装置压降增大，迫使装置降低负荷运行。2 工艺工艺流程模拟流程模拟及分析及分析 2.1 模拟模拟流程流程的建立的建立 由于费托合成反应生成复杂的产物，包括 C1C50+，且系统为中压系统，工艺模拟中的物性计算方法选用彭-罗宾森方程；循环换热分离系统采用两股物流换热器模块；浆态床反应器选用产率反应器模块，对轻质油、重质油、重质蜡和循环气体组分进行规定。模拟费托合成过程12得到的结果以及与实际值的比较如表 1 所示。结果表明，模拟值和实际值的误差较小，说明建立的模型能够真实反映装置的生产工况，可用于工艺优化研究。除氧水稳定蜡新鲜合成气轻质油气原料气T:150P:2.7MPaT:70,P:3.0MPa轻质油油气分离罐油水分离罐低温油气合成水油气空冷器蒸汽混合原料气T:170,P:2.9MPa重质油费托反应器蒸汽高温油气T:270,P:2.8MPa循环换热分离器脱碳尾气氢气合成尾气循环气压缩机脱碳单元第39 卷第1 期 丁文瑶等.浆态床费托合成装置循环换热分离系统工艺优化 93 表表 1 费托合成装置产出物料模拟值费托合成装置产出物料模拟值和和实际值实际值 Table 1 Simulated value and actual value of Fischer-Tropsch synthesis plant output material Output material Light oil Heavy oil Heavy wax Tail gas Coagulated liquia Synthetic water Total Simulated value/(th-1)2.0 12.5 48.7 100.0 1.0 74.0 238.2 Actual value/(th-1)12 1.7 14.5 47.5 98.0 2.0 77.0 240.7 Error/(th-1)0.3-2.0 1.2 2.0-1.0-3.0-2.5 Error ratio,%17.65-13.79 2.53 2.04-50.00-3.90-1.04 2.2 工艺参数对循环换热分离系统的影响工艺参数对循环换热分离系统的影响 采用灵敏度分析方法分析了循环换热分离器温度、高温油气压力及高温油气组成对循环换热分离系统的影响。2.2.1 循环换热分离器管程出口温度对分离系统的影响 在高温油气压力为 2.75 MPa、高温油气中重质油质量分数为 3.03%的条件下，分析了循环换热分离器管程出口不同温度时高温油气换热分离后的轻质油气产率、重质油产率、分离器出口重质油中水含量、油气空冷器负荷及反应器控温除氧水副产蒸汽量，结果如图 2 和图 3 所示。120130140150160170180190051015202530 Mass fraction of water in heavy oil,%Circulating heat transfer temperature/water in heavy oil light oil heavy oil95969798Mass fraction of light oil,%1234Mass fraction of heavy oil,%12013014015016017018080100120140160 Steam yield/(th-1)Circulating heat transfer temperature/steam yield air cooler load100110120130140150160Air cooler load/MW 图 2 循环换热分离器管程出口温度对分离结果的影响 Fig.2 Effect of outlet temperature of tube side of circulating heat transfer separator on separation results 图 3 循环换热分离器管程出口温度对系统能耗的影响 Fig.3 Effect of outlet temperature of tube side of circulating heat transfer separator on system energy consumption 由图 2 所示，当循环换热分离器管程出口温度由 122 升高至 125.5 时，重质油中的水含量快速降低，当温度继续升高亦不能降低重质油中的水含量，且趋于恒定，这是因为在该工艺条件下，高温油气温度降至 125.5 时，达到了水的露点，低于该温度时水以液体的形式被夹带至重质油中。而随着循环换热分离器管程出口温度降低，分离出的轻质油气产率逐渐下降，重质油产率逐渐升高，这是因为在该工艺条件下，高温油气中更多的烃类被冷凝作为重质油，在 125.5 有明显的拐点，则是因为水达到露点后轻质油、重质油的分压发生了明显变化。由图 3 所示，随着循环换热分离器管程出口温度由 185 降低至 122，使得 122 时费托反应器控温除氧水副产蒸汽量较 185 时的增加 80.02%，这是因为来自费托反应器的高温油气将更多的热量传递至原料气，进入反应器的原料气温度升高了。同时，低温时分离出的轻质油气温度、流量均减小，随后的空冷器负荷也相应降低了 30.28%，节约了装置能耗。然而很明显，125.5 也是明显拐点，需要同时考虑重油的水含量要求，应控制循环换热分离器管程出口温度略高于 125.5。若温度过高，则夹带了重质油的轻质油气进入油气空冷器后，由于温度降低易出现堵塞换热管、油气空冷器换热效率降低的问题，增大了装置电力消耗，严重时堵塞管路，使装置压降增大，迫使装置降低负94 化学反应工程与工艺 2023年2月 荷运行。2.2.2 高温油气压力对分离系统的影响 在循环换热分离器管程出口温度为 125.5、高温油气中重质油质量分数为 3.03%的条件下，分析了高温油气压力对分离器出口重质油中水含量、油气空冷器负荷以及费托反应器控温除氧水副产蒸汽量的影响，结果如图 4 和图 5 所示。1251261271281291300.0040.0060.0080.0100.0120.014 Mass fraction of water in heavy oil,%Dew point temperature of water in heavy oil/2.60 MPa 2.65 MPa 2.70 MPa 2.75 MPa 2.80 MPa 2.85 MPa 2.90 MPa 2.95 MPa 3.00 MPa 3.05 MPa 3.10 MPa 2.62.72.82.93.03.194.5694.6094.6494.68 Steam yield/(th-1)High temperature oil-gas pressure/MPa steam yield air cooler load116.18116.22116.26116.30Air cooler load/MW 图 4 高温油气压力对分离系统的影响 Fig.4 Effect of high temperature oil-gas pressur