汽油萃取精馏脱硫工艺Aspen Plus模拟与优化

李佳园

摘要：萃取精馏脱硫不会降低汽油辛烷值，脱硫效果好，安全系数高，设备及操作成本低，有着重大的研究意义。本文应用Aspen Plus化工模拟软件，设计和优化流化催化裂化(FCC)汽油萃取精馏脱硫过程（使汽油含硫量由1581 ppm降到10 ppm以下），构建了萃取精馏脱除FCC汽油中含硫化合物并回收萃取剂的工艺路线。优化两塔的塔板数、回流比、萃取塔的剂油比和吸收塔的进料位置等操作参数，在溶剂回收塔后连接固定床反应器等对溶剂回收塔塔顶轻组分进行加氢脱硫，从而提高汽油收率。

关键词：FCC汽油  萃取精馏脱硫  加氢  耦合  模拟

本篇使用Aspen Plus化工模拟软件对FCC汽油萃取脱硫进行模拟，优化流程和操作参数，以达到生产合格的低硫汽油、提高装置效益、解决现有工艺存在的问题、降低成本的目的，为FCC汽油萃取精馏脱硫实际生产操作和优化提供技术基础与参考依据。

萃取精馏脱硫可以保护汽油辛烷值，脱硫率较高，但产品收率难以达到要求；加氢脱硫工艺成熟且收率高，但对汽油辛烷值有影响，需额外增添装置补充辛烷值，现将两种工艺结合，既弥补了加氢脱硫辛烷值的不足，又保证了汽油的收率，降低了生产成本。

1流程简介

1.1基础数据

原料为FCC汽油，其密度为0.6960 g/cm3，黏度为0.7262 mm2/s，实沸点蒸馏数据见表1。

表1   FCC汽油实沸点蒸馏数据

Table 1 FCC gasoline true boiling point distillation data

馏出（体积分数）/%	IBP	10	30	50	70	90	FBP
温度/℃	40	53	71	97	131	173	204

FCC汽油中硫含量1581 μg/g。

设计FCC汽油处理量50万吨/年，约为55000 kg/h。进料温度压力分别为25℃和150 kPa。以NFM为萃取剂，剂油比为 l（质量比），换算得萃取剂的质量流量为55000 kg/h，进料温度和压力为40 ℃和125 kPa。

1.2 流程介绍

图1  萃取精馏脱硫工艺流程图

Fig.1  Extraction distillation desulfurization process flow diagram

汽油萃取精馏脱硫的工艺流程如图1所示。

1.2.1 萃取精馏脱硫系统

汽油和萃取剂分别从不同塔板进入萃取精馏塔：汽油不经过换热，常温进料，由第35层塔板进入；NFM萃取剂经过换热器换热至40 ℃后，由第10层塔板进入。汽油在萃取精馏塔中实现脱硫，汽油中的含硫组分在塔1中被NFM萃取剂吸收，随后NFM萃取剂与含硫组分从塔1底端输出，出塔之后经过泵（B2）输送由第20层塔板进入溶剂回收塔（T2）。

1.2.2 溶剂回收系统

塔2（T2）是萃取剂回收塔。NFM萃取剂和含硫组分的混合物在塔2中通过精馏而分离，塔底经过回收的NFM萃取剂返回萃取精馏塔循环使用，含硫组分由塔2塔顶出。

1.2.3 加氢脱硫系统

溶剂回收塔(T2)塔顶馏出含硫重馏分进入加氢脱硫装置，在固定床反应器（REAC）中与氢气反应将含硫重馏分转化为H2S。低硫汽油进入闪蒸罐（FLASH）进行闪蒸。闪蒸罐顶气体进循环氢装置，罐底低硫汽油与萃取精馏塔(T1)塔顶低硫汽油进行调和得到产品。

2 流程模拟与参数优化

2.1 原料来源及性质

FCC汽油组成复杂，难以模拟，所以需要对其进行简化。已知FCC汽油以C4-C10烷烃、C5-C9烯烃、C6-C8环烷烃和C6-C10芳香烃为主。含硫化合物则选取噻吩类，硫醇类和硫醚类等作为模拟汽油的含硫量。见表2。

表2 模拟FCC汽油组成

Table 2  Simulated FCC gasoline composition

物流名称	组分	质量分数/%	物流名称	组分	质量分数/%
T	噻吩	0.0341	TOLUE-01	甲苯	3.64
2MT	2-甲基噻吩	0.0335	C10H22	正癸烷	0.2
3MT	3-甲基噻吩	0.0398	YIC5H12	2-甲基丁烷	13.47
BENZO-01	苯并噻吩	0.0469	P-XYL-01	对二甲苯	6.33
ETHYL-01	乙硫醇	0.0019	1:3:5-01	1,3,5-三甲基苯	4.76
C4H10	正丁烷	0.39	2-MET-02	2-甲基戊烷	9.63
XINXI	1-辛烯	2.37	1:4-D-01	1,4-二乙苯	2.52
C5H12	正戊烷	1.53	2:3-D-01	2,3-二甲基戊烷	3.79
1-NON-01	1-壬烯	1.48	2-MET-03	2-甲基庚烷	3.31
C6H14	正己烷	1.25	4-MET-01	4-甲基辛烷	2.99
METHY-01	甲基环己烷	2.73	1-BUT-01	1-丁烯	1.62
C7H16	正庚烷	0.76	2-MET-06	2-甲基-2-丁烯	16.56
1:1-D-01	1,1-二甲基环戊烷	1.29	2-MET-04	2-甲基-2-戊烯	11.18
C8H18	正辛烷	0.38	CYCLO-01	环己烷	2.09
C6H6	苯	0.82	1-MET-01	甲基环戊烷	4.53
C9H20	正壬烷	0.22	DIMET-02	二甲基二硫醚	0.0038

2.2 物性方法

物性方法是ASPEN模拟计算的基础。物性方法选择不当，结果就不可靠。常用的物性方法有NRTL、NRTL-RK、SRK、UNIQUAC、PENG-ROB等。萃取精馏通常采用UNIQUAC物性方法，但由于原料为FCC汽油，则用BK10物性方法较好。

由于后半部分有加氢过程，氢气为超临界组分，在闪蒸罐分离过程中需要将其设置为亨利组分，利用亨利定律进行计算，闪蒸罐物性方法设定为IDEAL。

2.3 重要参数的确定

2.3.1定义进料物流参数

联系实际，FCC汽油处理量55000 kg/h，约为50 万吨/年。进料温度压力分别为25 ℃和150 kPa。以NFM为萃取剂，剂油比为1（质量比），换算得萃取剂的质量流量为55000 kg/h，进料温度和压力为40 ℃和125 kPa。

2.3.2 定义模块参数

（1）萃取精馏塔：计算类型选择平衡级模型（Equilibrium），塔板根据经验设定为50块，溶剂进料为第10块，汽油进料为第35块，冷凝器选择全凝器（Total），再沸器选择釜式再沸器（Kettle），有效相态选择汽-液-冷凝器（Vapor-Liquid），进料方式选择Above-Stage，压力设置为塔顶/塔底（Top/Bottom），其中冷凝器压力设定为110 kPa，回流比设为2。

（2）溶剂回收塔：计算类型选择平衡级模型（Equilibrium），塔板根据经验设定为30块，进料为第12块，冷凝器选择全凝器（Total），再沸器选择釜式再沸器（Kettle），有效相态选择汽-液-冷凝器（Vapor-Liquid），进料方式选择Above-Stage，压力设置为塔顶/塔底（Top/Bottom），其中冷凝器压力设定为101.3kPa，回流比设为1。

2.4 工艺流程模拟及优化

2.4.1 萃取精馏塔模拟及优化

萃取精馏塔单塔模拟流程见图2。

图2 萃取精馏塔单塔模拟流程示意图

Fig.2  Schematic diagram of single tower simulation process for extractive distillation column

2.4.1.1 初始参数值设定

由经验值确定萃取精馏塔模块的初始参数后，用RadFrac模块对萃取精馏塔严格计算，其中，萃取精馏塔塔底产品流率设定为34000 kg/h，即萃取后汽油的回收率（wt）为61.82%。由物流组成计算结果可知，萃取后FCC汽油的噻吩含量为0.249 kg/h，换算成硫含量为7 μg/g，达到汽油含硫量低于10 μg/g的要求，分离效果较好。

萃取精馏塔的分离效果可由塔顶汽油中含硫化合物含量来判断，含量越低，分离效果越好。为了进一步优化分离效果，本文下面以萃取精馏塔塔顶汽油中含硫化合物（质量流率）为指标，在确定好的初始参数下，结合Sensitivity灵敏度分析模块，分别对进料方式、剂油比、塔板数和回流比等工艺条件进行优化设计计算。

2.4.1.2萃取精馏塔计算过程优化

A. 回流比的优化

保持其他条件不变，利用Senstivity模块对萃取精馏塔进行质量回流比的优化结果，由上文可知，噻吩是最难脱除的含硫化合物，所以将以它为关键做优化。设定质量回流比为自变量,设定噻吩质量分率为因变量,设定因变量顺序为1。

图3  萃取精馏塔回流比灵敏度分析结果

Fig.3  Sensitivity analysis results of reflux ratio in extractive distillation column

已知回流比既不能过大也不能过小，过小分离效果不好，过大冷凝器和再沸器的热负荷大，耗能且效率低下。则由上图可以看出，噻吩含量自回流比0.5~1时陡降，4.5以后逐渐趋于平缓，综合考量当回流比为3时脱硫率较好，为最佳回流比。

B. 剂油比优化

剂油比也是影响萃取精馏脱硫效果的关键因素，剂油比过小萃取脱硫效果不明显，剂油比过大原料及设备投资大，设备负荷高。因此保证其他条件不变，改变剂油比观察其对噻吩脱除效果的影响。设定NFM萃取剂进料量为自变量，设定噻吩质量分率为因变量，设定因变量顺序为1。

图4  萃取精馏塔剂油比灵敏度分析结果

Fig.4  Sensitivity analysis results of extractant-oil ratio in extractive distillation column

由图4可知，剂油比越大，脱硫效果越好。溶剂进料量在54000 kg/h之后减势略有放缓，考虑到脱硫效果和生产成本，溶剂进料量选择55000 kg/h，即剂油比为1。

C. 塔板数的优化

采用Sensitivity灵敏度分析模块，综合分析塔板数对塔顶产物含硫化合物含量（质量流率）和塔顶萃取剂含量（质量流率）影响的结果。萃取精馏塔塔板数灵敏度分析输入界面设定T1塔板数为自变量，设定噻吩和NFM的质量流率为因变量，设定因变量先后顺序，噻吩的质量流率顺序为1。由图5可看出，随着塔板数的增加，塔顶物流中含硫化合物和NFM的含量逐渐减少，在50块塔板以后这种减少趋势逐渐放缓，考虑到设备造价等问题，选择50作为最佳塔板数。

图5  萃取精馏塔塔板数灵敏度分析结果

Fig.5  Sensitivity analysis results of plate number of extractive distillation column

D. 萃取精馏塔优化设计结果

表3  萃取精馏塔参数优化结果汇总

Table 3  Summary of optimization results of extraction distillation column parameters

项  目	优化数据
进料方式	FCC汽油进料
塔板数	50
汽油进料板	10
NFM萃取剂进料板	35
回流比（质量）	3
NFM萃取剂用量/kg/h	55000
剂油比（质量比）	1

经优化计算后，塔板数为50块，汽油进料板为第10块，质量回流比为3，脱硫后的FCC汽油硫含量为5 μg/g，回收率(wt)为61.82%。脱硫效果非常好，回收率的问题将会在之后连接加氢脱硫来解决。

2.4.2 溶剂回收塔模拟及优化

溶剂回收塔模拟流程见图6。

图6  溶剂回收塔模拟流程图

Fig.6  Simulation flow chart of solvent recovery tower

与萃取精馏塔的模拟相同，溶剂回收塔同样采用RADFRAC模块。初步设定溶剂回收塔的塔板数为30块，进料位置为塔的中部，质量回流比为2，塔底蒸出率根据萃取精馏塔塔釜萃取剂的含量填为0.724（质量），塔顶压力设为101.3 kPa。模拟结果溶剂回收塔回收率为99.998%（质量），苯并噻酚458ppm含量略高，在下方进行优化。

A.回流比优化

溶剂吸收塔以NFM和苯并噻吩的含量作为关键组分，对回流比进行灵敏度分析。回流比阈值1~5，步长为0.1，优化结果见图7。设定质量回流比为自变量，设定苯并噻吩和NFM质量流率为因变量，设定NFM质量流率因变量顺序为1，苯并噻吩质量流率因变量顺序为2。

图7  溶剂回收塔回流比优化结果

Fig.7  Optimization results of reflux ratio of solvent recovery tower

由图7可知，回流比越大，塔釜NFM含量越多，苯并噻吩含量先增加后减小，对溶剂回收越有利，但回流比不能太大，NFM在4之后趋于平稳，所以选择最佳回流比为4。

B.塔板数优化

与回流比优化相同，选取NFM和苯并噻吩作为关键组分，设定塔板数从20模拟到50，步长为1，设定T2塔板数为自变量，设定NFM和苯并噻吩质量流率为因变量，设定NFM质量流率因变量顺序为1，苯并噻吩质量流率因变量顺序为2。

图8  溶剂回收塔塔板数优化结果

Fig.8  Optimization results of plate number of solvent recovery tower

由图8可知，在塔釜物流中，NFM在30块板左右含量就不再变化，但苯并噻吩自第45块板含量下降趋势逐渐减缓，考虑到设备造价等问题，选择40为最佳塔板数。

C.进料位置优化

通过灵敏度分析，对溶剂回收塔进料位置进行优化，使塔釜中NFM含量达到最大，苯并噻吩含量最小。由图9可知，当进料位置不断降低，NFM的含量先不变后突然减小，苯并噻吩的含量先减少后增加，在39块板处产生交点。所以为了保证循环萃取剂的回收率，最佳进料位置为第20块板。

图9  溶剂回收塔进料位置优化结果

Fig9  Optimization results of feed position of solvent recovery tower

D. 优化结果

将以上参数优化结果汇总于下表4。由物流组成计算结果可知，溶剂回收塔萃取剂回收率(wt)为99.9998%，收率较好且质量达标。

表4  溶剂回收塔优化结果汇总

Table 4  Summary of optimization results of solvent recovery tower

塔板数	进料位置	回流比（质量）
40	20	4

2.4.3 闪蒸罐模拟及优化

A. 闪蒸罐温度优化

通过灵敏度分析优化闪蒸罐温度，以氢气流量，硫化氢流量，辛烯流量为监控，使辛烯含量在闪蒸罐顶尽量小，氢气、硫化氢含量在闪蒸罐底尽量小。设定闪蒸温度为自变量，设定氢气、硫化氢和辛烯质量流率为因变量，设定因变量先后顺序。

由图10可知，随着温度的不断升高，闪蒸罐顶辛烯含量越来越高，闪蒸罐底氢气含量先升高后减小，硫化氢含量逐渐减小直到平稳。所以为了保证汽油收率的同时使氢气和硫化氢含量尽可能少，最佳闪蒸温度为10℃。

图10  闪蒸温度优化结果

Fig10  Optimization results of flash temperature

B. 闪蒸罐压力优化

通过灵敏度分析优化闪蒸罐压力，以氢气流量，硫化氢流量，辛烯流量为监控，使辛烯含量在闪蒸罐顶尽量小，氢气、硫化氢含量在闪蒸罐底尽量小。Define和Tabulate的填写同温度优化。

由图11可知，随着温度的不断升高，闪蒸罐顶辛烯含量越来越低，闪蒸罐底氢气和硫化氢含量越来越高。所以为了保证汽油收率的同时使氢气和硫化氢含量尽可能少，最佳闪蒸压力为3 MPa。

图11  闪蒸压力优化结果

Fig11  Optimization results of flash pressure

C. 优化结果

经优化后，闪蒸罐最佳闪蒸温度为10℃，最佳闪蒸压力为3 MPa。

3 结论

目前环境指标控制越来越严格的趋势下，汽油脱硫将会一直是热门话题，对汽油脱硫的技术研究仍旧需要不断改进不断深入。通过本文的研究，对萃取精馏脱硫过程进行模拟，满足其产品的要求。得到的结论如下：

（1） FCC原料汽油含硫量为1581 ppm，进料为55000 kg/h，约为50万吨/年。萃取剂采用N-甲酰吗啉（NFM）。N-甲酰吗啉具有选择性好，稳定性好，毒性小，相对于其他萃取剂造价低廉等优势，是性能优良的萃取剂。设定剂油比为1，即NFM进料量同样为55000 kg/h。氢气进料量设定为500 kmol/h，即氢油比（体积）为295.65。

（2） 经过优化，萃取精馏塔塔板数为50，萃取剂自第10块板进料，FCC汽油自第35块板进料，回流比（质量）设为4。溶剂回收塔塔板数为40，萃取精馏塔塔底物流自第20块板进入，回流比（质量）为3。反应器采用固定床反应器，模拟中用RStoic模块，反应温度500 K，反应压力5 MPa,液时空速2 h-1。闪蒸罐用于分离氢气及反应副产物，闪蒸温度10 ℃，压力3 MPa。

（3） 萃取精馏塔塔顶低硫汽油含硫量为5 ppm，质量流率为34000 kg/h。闪蒸罐底低硫汽油含硫量为15.985 ppm，质量流率为20180.5 kg/h。调和后产品含硫量为9.367 ppm，质量流率为54180.5 kg/h，质量收率为98.51%。达到国5排放标准。

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作者简介： 李佳园（1997.07—），女，满族，辽宁锦州人，本科学历，辽宁石油化工大学，助理工程师，研究方向：石油加工。

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