柴油吸收高浓度原油油气的工艺模拟及优化_齐光峰.pdf

72化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2023年第 43卷第 1期废 气 处 理柴油吸收高浓度原油油气的工艺模拟及优化齐光峰1，王雨雨2，王之茵3，宋泓霖1，郑炜博1，王观军1（1.中国石化胜利油田 技术检测中心，山东 东营 257000；2.常州大学 江苏省油气储运技术重点实验室，江苏 常州 213000；3.中国石化集团公司 能源管理与环境保护部，北京 100728）摘要 为了揭示吸收法处理高浓度原油油气机制，选取3种特性柴油（Abs-、Abs-和Abs-），利用Aspen Plus建立吸收系统模型，研究了柴油对高浓度原油油气的吸收特性，模拟分析了不同操作参数对吸收性能的影响，并对吸收塔进行了优化设计。结果表明，Abs-I对原油油气的吸收效果最佳，对重烃（C3以上）组分的回收率接近100%，且低温高压有助于提高Abs-I的吸收性能，综合考虑确定最佳操作参数为吸收剂流量50 m3/h、吸收剂温度25、吸收压力0.20 MPa。Abs-I对油气S3的回收效果最为理想，针对原油油气S3进行了吸收塔优化设计，优化后填料高度和塔径分别为5.0 m和0.75 m，为实际工业装置的设计提供数据参考。关键词 吸收；原油油气；Aspen Plus；模拟优化 中图分类号 X742 文献标志码 A 文章编号 1006-1878（2023）01-0072-07 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.01.011Process simulation and optimization of high concentration crude oil vapor absorbtion by diesel oilQI Guangfeng1，WANG Yuyu2，WANG Zhiyin3，SONG Honglin1，ZHENG Weibo1，WANG Guanjun1（1.Technology Inspection Center，Sinopec Shengli Oilfield，Dongying 257000，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou University，Changzhou 213000，China；3.Sinopec Energy Management and Environmental Protection Department，Beijing 100728，China）Abstract：In order to reveal the mechanism of high concentration crude oil vapor treatment by absorption method，3 types of diesel oil（Abs-，Abs-and Abs-）were chosen to establish an absorption system model by Aspen Plus.The absorption characteristics of high concentration crude oil vapor in diesel oil were studied，the effects of different operating parameters on absorption were simulated and analyzed，and the absorption tower was optimized.The results show that Abs-I has the best effect on crude oil vapor absorption with nearly 100%of heavy hydrocarbon（above C3）recovery，and low temperature and high pressure can effectively improve the absorption ability of Abs-I.After overall consideration，the optimal operating parameters are determined s follows：absorbent flow 50 m3/h，absorbent temperature 25，absorbent pressure 0.20 MPa.The absorption effect of Abs-I to crude oil vapor S3 is the best，so the absorption tower is optimized for crude oil vapor S3，and the optimized packing height and tower diameter are 5.0 m and 0.75 m，which provide data reference for practical industrial device design.Key words：absorption；crude oil vapor；Aspen Plus；simulation and optimization 收稿日期 2022-02-18；修订日期 2022-11-26。作者简介 齐光峰（1979），男，山东省德州市人，硕士，高级工程师，电话 18654637676，电邮 。通讯作者：宋泓霖，电话 18654669967，电邮 。挥发性有机物（VOCs）在氮氧化物和阳光作用下易形成光化学烟雾，是导致大气污染的主要前体，随着化石能源及有机原料消耗量的持续增长，VOCs排放导致的大气环境污染问题日益突出1-2。2017年我国VOCs人为排放量达2 850万吨，预计到2030年将增加30%3-4。为打赢蓝天保卫战，2020年6月我国制定了2020年挥发性有机物治理攻坚方73第1期案，并在全国范围内实施5。2021年，生态环保部将VOCs取代SO2作为新的空气质量指标之一6。油气是典型的VOCs，对油气进行高效回收践行了双碳目标，具有重大意义7。原油在装卸过程中极易挥发，产生高浓度原油油气（油气的一种），不仅造成资源浪费，还污染了环境，如何对其进行高效治理已成为亟待解决的关键问题8-9。目前，油气回收处理技术主要分为销毁型与回收型，前者运行成本低，但造成资源严重浪费，难以体现碳减排效应10-11；后者降污减碳效应明显，主要包括吸收法、冷凝法、吸附法、膜分离法以及几种方法的综合应用12。其中，吸收法依据相似相溶原理对油气进行回收再利用，投资成本低，被广泛应用于工程实践13。目前，利用吸收法处理单组分油气的研究层出不穷，如以废植物油和润滑油为吸收剂吸收苯系物，采用聚二甲基硅氧烷净化甲苯废气，采用离子液体溶液吸收甲苯或丙酮，采用生物柴油回收甲苯，采用相变纳米流体捕集CO2等14-19。为了高效处理实际工业中大流量、高浓度的原油油气（浓度高于300 g/m3），揭示吸收机理，本研究以柴油作为吸收剂，利用Aspen Plus建立了吸收系统模型，优化了工艺操作参数，并对吸收塔进行了优化设计，以期为实际工业装置设计提供数据参考。1 吸收系统模型的建立1.1 物性方法的选择Aspen Plus提供的物性方法可以准确判断混合物体系的物性20，计算气液相之间的相平衡关系。模拟气液相平衡常用的物性方法包括状态方程、活度系数模型、亨利常数等。基于物性方法选择原则21并参考相关文献22，物性方法选择Peng-Robinson状态方程。Peng-Robinson作为立方型状态方程的典型代表，因其简单性与可靠性，被广泛应用于工程实践。1.2 模拟流程的建立利用Aspen Plus中RadFrac模块建立吸收系统模型，其模拟流程如图1所示。选取3种特性柴油（Abs-、Abs-和Abs-，分别为中石化某公司的直馏柴油、催化柴油和焦化柴油，用于商品柴油调合）作为吸收剂。高浓度原油油气组成和吸收剂相关性质分别见表1和表2。原油油气进料温度25，进料压力0.10 MPa，体积流量1 000 m3/h。油气回收率按式（1）计算。=Qm in-Qm outQm in100%（1）式中：为油气回收率，%；Qm in和Qm out分别为吸收塔进口和出口的油气质量流量，kg/h。表1 原油油气组成油气样品体积分数/%总质量浓度/（gm-3）C1C2C3C4C5C6COCO2其他1）S10.601.093.374.533.572.030.010.1284.68363.36S21.273.096.367.632.722.230.030.2376.44502.62S31.042.286.249.267.235.260.080.2968.32769.98 1）指混合气中N2、O2、H2O和H2的体积分数之和。图1 吸收回收工艺模拟流程1 进口物流；2 加压出口物流；3 吸收剂；4 吸收塔出口尾气；5 吸收塔富液3吸收塔压缩机1245表2 柴油吸收剂相关性质吸收剂馏程/平均分子量API重度初馏点10%馏出温度50%馏出温度90%馏出温度95%馏出温度终馏点Abs-217.8263.4296.4338.4351.4364.4231.039.03Abs-190.6240.4276.6348.6363.8373.6237.020.73Abs-191.0246.2295.8347.2356.6367.2200.031.14齐光峰等.柴油吸收高浓度原油油气的工艺模拟及优化742023年第 43卷化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2 模拟结果分析2.1 溶解度溶解度（100 g溶剂所溶解的溶质质量）作为衡量吸收剂性能的重要指标之一，不仅与吸收剂和油气组分特性有关，且与温度、压力等参数密切相关。以油气S1为例，不考虑油气组分与吸收剂流率对溶解度的影响，探究不同温度、压力下油气S1在3种吸收剂中的溶解度变化，结果如图2所示。可以看出，油气S1在Abs-中溶解度最大，表明Abs-对油气S1回收率最高。压力恒定，油气S1在3种吸收剂中的溶解度与温度呈负相关关系，说明温度对油气吸收过程影响显著，但温度降低会使吸收剂黏度增大、流动性变差，阻碍溶质分子与吸收剂逆流接触，增加传质阻力，降低吸收速率；温度恒定，油气S1在3种吸收剂中的溶解度随压力增加而升高，特别是低压范围内，温度对溶解度影响更加显著。综上，吸收温度和压力的确定非常关键。溶解度/g0102030400.400.440.480.520.56a(0.1 MPa)温度/溶解度/g0.400.440.480.520.56b(15)0.100.150.200.250.30压力/MPaAbs-IAbs-Abs-Abs-IAbs-Abs-图2 温度（a）和压力（b）对油气溶解度的影响2.2 不同吸收剂的油气吸收性能对比吸收效果很大程度上取决于吸收剂与油气之间的相平衡关系，而吸收剂的诸多特性决定了对油气的回收效果。图3显示了吸收剂流量对油气S1、S2回收率和非甲烷总烃出口浓度的影响（吸收剂温度25、吸收压力0.1 MPa）。由图3可知，3种吸收剂对油气S1、S2的回收率几乎相同，这主要是因为3种吸收剂对油气S1、S2的溶解度相差不大，即为等量吸收剂，溶解于吸收剂中的油气质量基本相同，根据物料守恒及式（1）计算可得回收率几乎相同。相较而言，Abs-对油气S1、S2的回收效果最为理想，图2的溶解度变化曲线亦说明此问题。从非甲烷总烃出口浓度角度考虑，吸收剂Abs-吸收油气S1、S2后非甲烷总烃出口浓度远小于Abs-和Abs-，且随着吸收剂流量的增加非甲烷总烃出口浓度的降幅增大，这主要是因为Abs-和Abs-比Abs-的轻组