石油石化绿色低碳 2023年 第6期

发布时间:2024-1-18 | 杂志分类:其他
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石油石化绿色低碳 2023年 第6期

热点透视 专家观点1 SEPS 的结构表征与制备应用 / 莫锦涛低碳技术 碳核算8 油气开采行业产品碳足迹核算方法研究 / 田涛,尹迪,罗艺,马坤,李志刚,白凌云CO2 减排技术13 炼油企业系统节能降碳实践 / 冉晓锋绿色技术 过程优化20 芳烃装置余热蒸汽透平压缩机节能应用 / 尹志炜25 多效精馏在甲醇回收工艺中的应用 / 李凯30 浮顶储罐复合材料浮盘结构参数对力学性能影响研究 / 甄永乾,程庆利,李亮亮,杨珂, 王洁,李荣彬35 乙烯装置驱动国产化替代方案研究 / 朱明璋CONTENTS 目录2023 年 第 8 卷 第 6 期主管单位 :中国石油化工集团有限公司主办单位 :中国石化集团经济技术研究院有限公司编委会名单主 任 : 马永生副主任 : 赵日峰 张 涌 朱建民 孙焕泉 俞仁明 李成峰 戴宝华委 员 :(按姓氏笔画排序)王北星 王丽娟 王国清卞凤鸣 孔德金 吕亮功朱 兵 乔 凯 向文武邬智勇 孙丽丽 吴海君吴德荣 张建平 张新明陈广卫 陈清林 周 国周成平 周红军 洪剑桥聂 红 傅 军 焦 阳主 编 ... [收起]
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石油石化绿色低碳 2023年 第6期
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第2页

热点透视

专家观点

1 SEPS 的结构表征与制备应用 /

莫锦涛

低碳技术

碳核算

8 油气开采行业产品碳足迹核算方法研究 /

田涛,尹迪,罗艺,马坤,李志刚,白凌云

CO2 减排技术

13 炼油企业系统节能降碳实践 /

冉晓锋

绿色技术

过程优化

20 芳烃装置余热蒸汽透平压缩机节能应用 /

尹志炜

25 多效精馏在甲醇回收工艺中的应用 /

李凯

30 浮顶储罐复合材料浮盘结构参数对力学性

能影响研究 /

甄永乾,程庆利,李亮亮,杨珂,

王洁,李荣彬

35 乙烯装置驱动国产化替代方案研究 /

朱明璋

CONTENTS 目录

2023 年 第 8 卷 第 6 期

主管单位 :

中国石油化工集团有限公司

主办单位 :

中国石化集团经济技术研究院有限公司

编委会名单

主 任 : 马永生

副主任 : 赵日峰 张 涌 朱建民

孙焕泉 俞仁明 李成峰

戴宝华

委 员 :(按姓氏笔画排序)

王北星 王丽娟 王国清

卞凤鸣 孔德金 吕亮功

朱 兵 乔 凯 向文武

邬智勇 孙丽丽 吴海君

吴德荣 张建平 张新明

陈广卫 陈清林 周 国

周成平 周红军 洪剑桥

聂 红 傅 军 焦 阳

主 编 : 傅 军

常务副主编 : 王北星

责任编辑 : 马俊睿 葛函雯

第3页

41 环丁砜 - 芳烃抽提蒸馏过程模拟与优化 /

彭威建

47 天然气加压站电力控制系统优化运行 /

黄云龙

清洁生产

51 环己酮装置废水 COD 减排研究与应用 /

鲁华

56 硫磺回收装置废热锅炉泄露原因分析及预

防措施 /

胡文昊

61 CFB 锅炉启动过程中结焦原因分析 /

柴江华

企业巡礼

绿色低碳文化

66 某油田光热开发利用情况及效果分析 /

孙玉杰,邢建军,张爱民,顾永强

企业战略

71 CCUS 产业在海洋石油企业实施路径思考 /

饶伟,高波,张磊,闫晓东,郑继龙

Green Petroleum & Petrochemicals 双月刊 出版日期:2023 年 12 月 20 日

声 明

本刊已被 CNKI 中国期刊全文数据库收录,其作者文章著作

权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意文章被收录,请

在来稿时向本刊声明,本刊将做适当处理。未经本刊许可,不得

转载或复制本刊文章,本刊将保留追诉的权利。

编辑出版:《石油石化绿色低碳》编辑部

地址:北京朝阳区安外小关街 24 号

邮编:100029

电话:(010)52826306 52826187

传真:(010)52826200

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印刷:北京科信印刷有限公司

国内发行:北京报刊发行局

国内订阅:全国各地邮局

邮发代号:80-399

国外发行:中国国际图书贸易集团有限公司

国外发行代号:BM 9368

国际标准连续出版物号:ISSN 2096-126X

国内统一连续出版物号:CN 10-1378/TE

广告发布登记号:京朝工商广登字 20170204 号

国内定价:30.00 元

国外定价:50.00 元

第4页

CONTENTS Green Petroleum & Petrochemicals Bimonthly Vol.8, No.6, Dec. 20, 2023

Hotspot

· Expert View ·

1 Structural Characterization and Preparation Application of SEPS /Mo Jintao

Low-carbon Technology

· Carbon Accounting ·

8 Research on Carbon Footprint Accounting of Crude Oil Products /

Tian Tao,Yin Di,Luo Yi,Ma Kun,Li Zhigang,Bai Lingyun

· CO2 Reduction ·

13 Practice of Energy Conservation and Carbon Reduction in Refining Enterprises /Ran Xiaofeng

Green Technology

· Process Optimization ·

20 Energy-saving Application of Steam Turbine Compressor with Waste Heat in Aromatics Unit /

Yin Zhiwei

25 Application of Multi-effect Distillation in Methanol Recovery Process /Li Kai

30 Influence of Structural Parameters on Composite Floating Roof Mechanical Properties /

Zhen Yongqian,Cheng Qingli,Li Liangliang,Yang Ke,Wang Jie,Li Rongbin

35 Study on Domestic Substitution Scheme of Driving Turbines in Ethylene Plant /Zhu Mingzhang

41 Simulation and Optimization of Sulfolane-Aromatic Hydrocarbon Extractive and Distillation Process /

Peng weijian

47 Optimize Operation of Power Control System of Natural Gas Pressurized Station /

Huang Yunlong

· Clean Production ·

51 Research and Application of COD Emission Reduction in Wastewater from Cyclohexanone Plant /

Lu Hua

56 Reason Analysis and Preventive Measures of Waste Heat Boiler Leakage in Sulfur Recovery Unit /

Hu Wenhao

61 Analysis of Coking Causes in CFB Boiler Start-Up Process /Chai Jianghua

Panaroma

· Green/Low-carbon Culture ·

66 Analysis of the Utilization and Effectiveness of Photothermal Development in a Certain Oilfield /

Sun Yujie,Xing Jianjun,Zhang Aimin,Gu Yongqiang

· Enterprise Strategy ·

71 Discussion on CCUS Industry Implementation Path in Offshore Oil Companies /

Rao Wei,Gao Bo,Zhang Lei,Yan Xiaodong,Zheng Jilong

第5页

摘  要:概述了氢化苯乙烯–异戊二烯–苯乙烯嵌段共聚物(SEPS)的合成工艺、结构表

征方法及其改性方法和新的应用领域。采用阴离子聚合再经均相镍催化剂加氢是

SEPS最适宜工业化生产的合成方法。该文通过傅里叶转变红外光谱(FTIR)、核

磁共振谱(NMR)、动态热机械分析(DMTA)、差式扫描量热法(DSC)、扫描

电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等测试方法,系统地对SEPS的分

子链结构、微相分离结构及其他结构进行表征分析。无机材料、热塑性材料及热

固新材料改性SEPS可获得综合性能更优的复合材料。SEPS优异的综合性能使其

逐渐渗透到热熔胶、医疗制品、气体渗透膜、电池相变材料等应用领域。

关键词:氢化苯乙烯–异戊二烯–苯乙烯嵌段共聚物(SEPS) 热塑性弹性体 阴离子聚合

催化加氢 结构表征 改性

SEPS 的结构表征与制备应用

莫锦涛

(中国石化巴陵石化公司,湖南岳阳 414014)

收稿日期:2022-08-04

作者简介:莫锦涛,学士,工程师。目前从事全公

司生产调度工作。通讯联系人:莫锦涛,mojt.blsh@

sinopec.com。

氢化苯乙烯 – 异戊二烯 – 苯乙烯嵌段共聚物

(SEPS)是将苯乙烯–异戊二烯–苯乙烯嵌段共聚物

(SIS)中的共轭不饱和双键选择性加氢后得到的新

型热塑性弹性体[1]。目前仅美国科腾、日本可乐丽

公司及中国的巴陵石化及浙江众立具备SEPS工业

化生产能力 [2]。SEPS 优异的抗氧化能力,优良的

耐候、耐酸碱、耐磨和柔韧性,使得SEPS在实际

应用中比普通的星型和线性SIS更加优异,在医疗、

食品、5G通讯等领域前景广阔,研究价值巨大[3]。

由于国内 SEPS 研究起步较晚,对 SEPS 的合

成、结构表征方法及新的应用领域没有系统阐述。

该文进行相应综述,为该研究领域人员提供参考。

1   SEPS 的合成工艺

SEPS的合成工艺包括SIS的聚合和加氢两步。

SIS与SEPS的化学结构式见图1。

1.1   聚合

为得到 SEPS,首先需合成其前驱体 SIS,根

据引发剂不同,其合成方法也有所区别。若使用单

官能团的引发剂,如正丁基锂、仲丁基锂等在环己

烷、苯等非极性溶剂中,通过3步加料,即可得到

分子量分布窄、性能好的SIS;但多次加料增加了

体系中产生杂质的可能,影响性能[4]。若用双官能

团引发剂,如萘锂、萘钠先引发异戊二烯聚合,再

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 专家观点 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

C4H9 x CH2 1

x1

x2

x2

C CH2 CH2 CH H

CH3

CH2 CH CH

图1 SIS与SEPS的化学结构式

(a)SIS

(b)SEPS

C4H9 CH2 C CH2 CH2 CH H

CH3

CH2 CH CH2

y1

y1

第6页

- 2 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

添加苯乙烯单体,则只需要2步加料。但其引发剂

在非极性溶剂中溶解性较差,需添加极性调节剂来

提高聚合物中聚异戊二烯(PI)3,4–段的结构含量,

也会相应地影响[5]其性能。若使用单官能度引发剂

制得SI–

Li+

,再使用偶联剂如氯化钴、二氯乙烷得

到线性或星型SIS,可避免第三次加料可能带来的

杂质;但该种方法需要严格的化学计量,偶联剂过

多过少都会使力学性能下降[6]。此外,根据异戊二

烯、苯乙烯竞聚率的不同,在特定溶剂中将两种单

体混合加料,异戊二烯更倾向于自聚,全部聚合形

成嵌段后再引发苯乙烯,形成SIS;但异戊二烯并

非完全排斥与苯乙烯共聚,因此形成的异戊二烯嵌

段可能存在苯乙烯链而降低力学性能[7-10]。

除上述传统的合成SEPS方式外,研究者们利

用活性阴离子聚合的特点,为SEPS的制备与应用

提供了新的路线与建议。如崔维怡等 [11]将卤化的

乙丙橡胶与苯乙烯的活性阴离子聚合产物通过接枝

的方式偶联在一起,制得了具有更高润滑油黏度指

数的乙苯 / 丙烯 – 苯乙烯嵌段共聚物(SEP)改进

剂,其具有与SEPS相似的结构,显著提高了耐低

温能力和黏温性能。王东方等[12]将月桂烯引入SIS

体系中,制得了聚苯乙烯–月桂烯/异戊二烯–苯乙

烯(SIMS),并得到了氢化聚苯乙烯–月桂烯/异戊

二烯 – 苯乙烯(HSIMS),研究了月桂烯的含量对

HSIMS 力学性能、损耗因子的影响。任艳等 [13]将

丁二烯、异戊二烯与苯乙烯聚合成了多嵌段的苯乙

烯–丁二烯–异戊二烯–丁二烯–苯乙烯嵌段共聚物

(SBIBS)新型聚合物,其拉伸强度和断裂强度相较

无规的三嵌段聚合物有了很大提升,也为SEPS的

进一步发展提供了新的可能。

1.2   加氢

因SIS软段中存在的双键会对材料的耐热、耐

腐蚀以及抗氧化能力带来不利影响,为提高其耐老

化能力,通常需要通过催化加氢的方式,将含非共

轭双键的 PI 链段氢化,变成含短支链的烷烃链结

构。SIS的聚异戊二烯烃段在加氢过程中影响因素

较多,主要有催化剂种类、加氢温度、体系中的杂

质、氢气压力与质量、反应时间等[14],其中催化剂

种类对加氢反应影响最为明显。加氢催化剂可分为

非均相、均相两个体系。非均相催化剂容易从聚合

物中分离出来,但催化效率较低,且需要高温、高

压,用量多,选择性差 [15]。而均相催化剂包含茂

金属,如镍、钴等,其用料少、条件温和,选择性

也相应更好。目前所报道的 SIS 催化加氢文献中,

95%的选择都是均相催化剂,这说明均相催化剂是

该技术未来的发展方向[10]。其中,镍系催化剂虽然

活性较茂金属低,但其具有合成路径简单、廉价、

原料易得的优势,十分适用于SIS及SBIS加氢,也

是工业化中最常使用的催化体系。美国科腾、日本

可乐丽均采用镍系催化剂,说明该体系具有巨大的

活力与潜力[16]。

镍系催化剂是Ziegler型催化剂的一种。Yakubchik

等[17]率先使用Ziegler催化剂来进行聚合物加氢,并

拓展了商业化应用,此后,多种该类型催化剂逐

渐涌现。崔志勇等 [18]按照铝镍摩尔比6∶1 的比例

对质量分数为9%的SIS聚合物胶液在3.0 MPa下进

行催化加氢,并通过碘量法测得加氢产物中 PI 段

具有99.1%的高加氢度,而聚苯乙烯(PS)段仅为

1.3%。贺小进等[19]则以铝镍4∶1的摩尔比对质量

分数10%的SIS胶液在4.0 MPa下进行加氢,最终得

到加氢度98.0%的SEPS产品。朱家顺等[20]将环烷

酸镍与三异丁基铝配合作为均相催化剂,在环己烷

溶剂下成功对SIS加氢得到SEPS;讨论了其中PI链

节与PS链节以及3,4–聚异戊二烯和1,4–聚异戊

二烯链节对于加氢的选择性,并系统研究了铝镍摩

尔比、催化剂引入方式、溶液浓度、温度等因素对

加氢效果的影响,为SEPS工业化提供丰富的科学

数据与依据。梁爱民[9]使用异辛酸镍及三异丁基铝

催化SIS加氢,并确定了催化剂制备方式及加氢SIS

的工艺条件,最终得到SEPS的PI加氢度大于98%,

PS段则小于5%,材料的力学性能与耐老化性能得

到显著提高。

除镍系催化剂外,目前采用其他体系进行SIS

催化加氢的研究也有很多。如刘东妮等 [21]通过浸

渍还原法,以氯铂酸和尿素为基础制得了石墨相氮

化碳铂(Pt/g–C3N4),并用以进行非均相催化加氢,

该种方式的选择性与活性都十分优异,其中SIS加

氢度85%的情况下,PI链段的C=C键选择性高达

95%。Bhattacharjee等[22]用乙酸钯作为催化剂,在

1.4 MPa 氢压下获得了氢化度 90% 以上的 SEPS 产

品。虽然 SIS 的橡胶段较 SBS 多了一个甲基支链,

在茂金属下同条件的催化难度难得多;但由于其用

第7页

2023 年.第 6 期 莫锦涛.SEPS 的结构表征与制备应用 - 3 -

量少,浓度低,产物无需脱催化剂,依然具有巨大

的市场潜力。为此,Carma 等 [23]用氯化亚甲基双

(环戊二烯基)钛二甲基铝(Tebbe试剂)在仲丁基

锂助催化环境,每100 g SIS加入1.4 mmol催化剂

(锂钛摩尔比 20∶1)的条件下仅得到 33.8% 氢化

度的产品,也说明其在茂金属体系下加氢的难度。

Yasushi等[24]用二氯双(环戊二烯基)钛实现了对

氢化SIS的工业化,将1 000 g的SIS与质量分数5%

的无水环己烷溶液置于2 L高压釜中,加入20 mL

1.0 mmol/100 mL的加氢催化剂甲苯溶液(锂钛摩

尔比4∶1),再加压至0.5 MPa反应2 h后,得到加

氢度98%,PS段加氢度小于1%的产品,证明二茂

铁化合物选择性和加氢效果较好,但其催化剂用量

及催化条件依然说明茂金属催化剂催化SIS加氢的

困难。伊绍明等 [23]提出一种新型催化方式,四烃

基钛类作主催化剂,含酯基或羟基的化合物为助催

化剂,实现SIS的高效高选择性加氢。每100 g聚合

物,主催化剂仅需0.05~0.2 mmol,主、助催化剂

的摩尔比例为1∶0.1~1∶4.2。加氢1 h后,PI段加

氢度即达98%以上,而PS段加氢度小于2%。这解

决了催化过程中主催化剂活性逐渐下降的问题,具

有高度选择性。

2   SEPS 的结构及性能表征

SIS分子结构中的软段由异戊二烯组成,加氢

得到的SEPS中EP段甲基更短,不易结晶,其柔顺

性更佳,相较SBS的加氢产物具有更好的柔韧性以

及弹性[24]。高军等[25]发现,相同分子量和相同苯乙

烯含量情况下,其相较聚苯乙烯–乙烯–丁二烯–苯

乙烯(SEBS)模量更低,但拉伸强度和断裂伸长率

更高,黏合性和耐热性也更好,即使拉伸到5倍以

上,也不会因取向而结晶。同时,SEPS也具有苯

乙烯类热塑性弹性体独特的微相分离结构;其中PS

段为材料提供热塑性,EP段则作为橡胶段提供高弹

性。常温下,EP段形成连续相,PS段则作为分散

相起到物理交联点的作用,形成物理交联结构。因

二者互不相容,在材料中形成了两相结构。当温度

升至 PS 段的玻璃化转变温度(Tg)以上时,作为

硬段的PS段在剪切作用下发生流动,破坏其物理交

联结构,从而具有加工能力;温度降低时,其物理

交联点的作用重新恢复,为体系提供强度和硬度[8]。

在此基础上,FTIR、NMR、DMTA、DSC、SEM、

TEM等相关测试也常用来表征和了解SEPS的分子

链结构、微相分离结构及其他相关结构。

Munteanua 等 [26] 利用 FTIR、核磁共振碳谱

(13C–NMR)、DMTA 和 DSC 分析了线性和星型

SBS嵌段共聚物的结构与物理性质之间的关系,通

过分析线性和星型聚合物的FTIR谱图中,PS、PB

段的特征谱带消光系数的区别,可得到其星型与线

性的共聚物结构;同时根据 13C–NMR 谱图,可确

定星型和线性的共聚物组成。此外,通过 DSC 与

DMTA的热分析,对其超分子结构进行反映,检测

到微相分离结构的域破坏温度。该种方式同样可以

引入至 SIS 及 SEPS 体系中,对判断 SEPS 的星型、

线性结构,微相分离域破坏温度具有明确的指导

意义。Edge等[27]研究了臭氧对SEBS的氧化过程,

并通过 FTIR 监测双键及聚合物的氧化过程;对

SEBS臭氧环境下的氧化机理做出系统解释,提出

了SEBS氧化过程中的氧化活性位点,且证明氧化

主要在聚合物表面形成,为包含SEPS在内的SBC

的抗氧化及热稳定提供了理论支持。胡坪等[28]利用

尺寸排阻色谱法测定得到SBS、SIS三嵌段共聚物

及其氢化产品中 PS 单元的含量及分子量;利用共

聚物及共混物紫外光谱(UV)中在261 nm处PS单

元的峰面积,可以得到共混体系中掺杂的共聚物含

量;利用可测定UV和折射率(RI)的尺寸排阻色

谱仪,得到UV、RI信号与PS的良好线性关系;准

确测得共聚物及共混物中的 PS 单元含量,并建立

PS与共聚物重均分子量的函数关系,从而得出共聚

物中 PS 段的分子量。通过验证,该种方法的结果

比NMR方法更准确。Vega等[29]对嵌段共聚物的相

行为、黏弹性与缠结的关系进行研究,得出在聚合

物含量低时,通过对中间嵌段具有高度选择性的溶

剂,可以使三嵌段聚合物产生宏观相分离,再通过

在角鲨烷中向下调节桥连链密度,最终得到模量极

低,无相分离的光学透明凝胶,证明链缠结的重要

性。Politakos等[30]利用原子力显微镜对SIS、SEPS

及其他 SBC 的微观形态进行评估,并得到溶剂性

质、溶液浓度、退火温度等条件对包含SEPS在内

的SBC共聚物有序性的影响,建立其与共聚物纳米

结构的相关联系,从而获得具有不同取向和纳米结

构有序度的聚合物。Rankin等[31]利用小角X射线衍

第8页

- 4 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

射的方法从纳米尺度角度研究了三嵌段聚合物嵌段

比不同的情况下,凝胶网络连接的变化;证明增加

网络连接会使凝胶模量显著增长,但对于纳米载体

的释放速率影响不大。Krishnan等[32]使用选择性共

溶剂化的方式测定了均聚物、两嵌段共聚物和形成

网络的三嵌段共聚物的时间成分叠加(tCS)能力,

可在等温条件下系统地改变成分来获得广泛拓展时

间(或频率)内的机械性能;并得出三嵌段共聚物

具有均聚物和两嵌段共聚物所不具有的优异tCS能

力与流变特性,且该种特性与共聚物的化学组成及

中间嵌段的选择性助溶剂具有良好的联系。吴芮

等[33]利用二维核磁分析的手段对SEBS、SEPS与苯

乙烯– [乙烯–(乙烯–丙烯)] –苯乙烯嵌段共聚物的

结构进行了表征,明确其软段结构中,氢化1,2–

丁二烯单元、氢化1,2–异戊二烯单元、氢化1,4–

异戊二烯单元及氢化 3,4– 异戊二烯单元的含量,

通过其在侧链上的区别,得到计算侧基含量及单元

含量的明确方法,建立了侧基比例与分子链柔性及

力学性能的关系。

3   SEPS 改性方法

虽然SEPS本身具有良好的综合性能,但在一

些特殊的应用场景下,其性能需要进一步强化。为

此,有必要对SEPS进行针对性的改性以获得满足

特定场合要求的复合材料。按照改性的材料种类可

将改性方法分为以下3大类。

3.1   无机纳米粒子改性

无机纳米粒子如二氧化硅、碳酸钙等经常用于

对聚合物的填充改性,以增加材料的机械性能、热

学性能,赋予聚合物功能性。Acevede等[34]将纳米

陶土加入SEPS材料中,而纳米填料较大的层间距

可增加弹性体与填料的接触面积,实现对聚合物的

良好填充。陆甲明等[35]引入纳米氧化锌填料,填料

的均匀分散增加了材料内部的物理交联点,有效提

高了SEPS材料的拉伸强度。

3.2   共混改性

SEPS作为一种新型热塑性弹性体,优异的特性

使其可以与各种材料进行改性,弥补性能缺陷、降

低成本的同时制备得到性能优异的共混材料。王炫

捷等[8]利用SEPS优异的耐水解、耐紫外老化和电气

绝缘性能,将热塑性聚醚弹性体(TPEE)与 SEPS

进行熔融共混,解决了TPEE柔顺性较差问题,得

到具有高强度高弹性的新型电缆保护套材料。宋晶

晶等[36]通过挤出成型方式,得到丙烯腈/丁二烯/苯

乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)与SEPS的共混材料,

并对共混物的多种性能进行表征测试,最终得到综

合性能优良的配方。张海涛等[1]将 SEPS与聚碳酸

酯(PC)材料共混,弹性体的加入使得材料缺口

在受到冲击时由典型的脆性断裂转变为韧性断裂,

进而大幅提高了 PC 厚制品的抗冲击性能。张通姗

等 [37]针对废弃高抗冲聚苯乙烯(HIPS)的处理问

题,选择使用SEPS等弹性体材料对其进行共混增

韧,此类弹性体与基体材料有良好的相容性,因此

在提升废弃HIPS方面具有极大优势。Donal等[38]将

SEPS与尼龙6进行共混,并对共混物的拉伸性能、

动态力学性能和流变性能进行了评价。结果表明,

将尼龙6加入到SEPS中,尼龙6提高了SEPS材料

在拉伸过程中的抗变形能力。因此可获得收缩性能

优异和更高抗拉强度的材料。

3.3   热固性材料改性

热固性材料例如乙烯基酯树脂(VER)因具有

极高的反应活性,优异的物化性能而被广泛关注。

陆甲明等 [35]在 SEPS 原有的物理交联网络基础上,

通过原位自由基聚合VER,得到一种新型的物理交

联与化学交联互穿的三维交联结构,有望在高性能

纤维树脂的复合材料中得到使用。刘沛莹等[39]考虑

到SEPS与环氧树脂之间较差的相容性,采用叔丁基

锂对SEPS中苯环进行锂化改性,随后开环聚合环氧

乙烷,增长聚乙二醇(PEG)支链,最后再与环氧

树脂进行混合改性,实现与热固性材料的良好结合。

4   SEPS 应用领域

SEPS 特殊的结构赋予其优异的综合性能,在

许多领域有广泛应用,包括热熔胶、医疗制品、气

体渗透膜、电池相变材料等等。

4.1   热熔胶领域

SEPS室温下的高强度和高温下的良好流动性,

非常适用于热熔胶领域;与其他材料良好的相容性

则可以让它作为胶黏剂的基底物质。陈品松等[40]以

SEPS为基体树脂,以丙烯基聚烯烃弹性体为改性材

料,制备出具有优异初黏性和低温柔性的热熔压敏

胶,具有良好的应用价值。

第9页

2023 年.第 6 期 莫锦涛.SEPS 的结构表征与制备应用 - 5 -

4.2   医用领域

SEPS 具有无毒环保的特点,可以与人体直接

接触使用,甚至广泛应用于欧美的化妆品市场。此

外,苯乙烯类热塑性弹性体在医疗器械领域也较为

常见,例如在医疗制品领域中广泛应用的外用贴

剂。白振民等[41]以SEPS和C5石油树脂为主体,利

用溶液涂膜法得到不同配比的基质膜,在得到溶液

浓度适宜的配比后,进一步引入聚氧化乙烯进行静

电纺丝得到双亲性的纤维膜材料,为SEPS类材料

在医疗制品领域内的应用提供了发展方向。

除了医疗器械以外,SBC在生物体内的药物与

血液的运输、软组织的替代和体内植入等方面也得

到应用。李晓萌等 [42]为了解决弹性体与组织血液

接触时的相容性问题,使用表面接枝策略,将PEG

与生物活性大分子透明质酸引至弹性体表面,构建

出具有良好生物相容性的SBC材料。Birgit等[43]将

SEPS在血管移植物的管腔表面覆盖一层薄层,进一

步通过与羧基的共聚过程进行功能化;羧基与硫酸

乙酰肝素类(HS)半合成分子共价结合,最后将半

合成硫酸肝素包被和未包被的移植物植入绵羊颈动

脉来检测内膜增生。

4.3   气体渗透膜领域

为扩展SEPS材料的应用领域,对SEPS材料的

本体化学改性同样引起人们注意。Maria等[44]以二

乙醇胺为载体分子对SEPS进行磺化改性处理,随

着磺化时间的延长和磺化基团的增加,采用溶液铸

造法制备的多孔膜的孔隙率也进一步增加,提高了

SEPS膜的渗透性和选择性。

4.4   电池相变材料领域

过去几十年中作为电动汽车的心脏,动力电池

如锂离子电池,因其能量、功率密度高的特性受到

极大关注,而锂离子电池的性能和安全性与温度密

切相关。在电池的热管理策略中,相变材料(PCM)

冷却一直受到高度关注。与传统形态稳定的PCM通

常表现出加工困难的缺点不同,热致柔性的PCM可

有效降低不良接触所引起的高接触电阻问题。2022

年,Lin 等 [45]采用 SEPS 作为支撑材料,简化了柔

性PCM的制备。在该柔性材料中,有机石蜡分子局

限于SEPS的空间结构中,因此在液态时表现为固

态凝胶;随后,通过保留膨胀石墨的整体结构,进

一步设计了一种高导热柔性PCM[46]。结果表明,导

热系数为2.67~10.02 W/mK的复合PCM在正常和

动态应力试验循环下,可以稳定地将电池温度控

制在50 ℃内。因此,利用SBC类材料例如SPES,

用于制备具有优异热性能和理想柔韧性的相变材

料,是电池热管理的发展趋势。

5   结论

(1)阴离子聚合是SEPS前驱体SIS传统的合成

方法,接枝具有特殊官能团的聚合物可以合成特殊

结构的SEPS。均相镍催化剂SEPS是最宜于商业化

生产的加氢催化剂。

(2)SEPS 的分子链结构、微相分离结构是主

要的分子结构,可以结合 FTIR、NMR、DMTA、

DSC、SEM、TEM等测试方法系统地进行表征。

(3)为拓宽SEPS的应用领域,无机材料、热

塑性材料及热固新材料改性方法已成为SEPS改性

最主要的方法。

(4)SEPS在热熔胶、医疗制品、气体渗透膜、

电池相变材料等新领域的应用呈逐渐增长趋势。

(5)国内对 SEPS 应用技术研究起步晚,加

工技术相对落后,在一定程度上制约了SEPS应用

领域的拓展。国内SEPS装置和产能的扩大会带动

下游制造成本的降低,SEPS 有望在更多领域得到

应用。

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Structural Characterization and Preparation Application of SEPS

Mo Jintao

(SINOPEC Baling Petrochemical Co., Ltd,Yueyang,Hunan 414014,China)

Abstract: This paper summarizes the synthesis process, structural characterization methods, modification

methods, and new application fields of hydro-styrene-isoprene-styrene block copolymers (SEPS). The use of anionic

polymerization followed by homogeneous nickel catalyst hydrogenation is the most suitable synthesis method for

industrial production of SEPS. This paper systematically characterizes and analyzes the molecular chain structure,

microphase separation structure, and other structures of SEPS through testing methods such as FTIR, NMR, DMTA,

DSC, SEM and TEM. Inorganic materials, thermoplastic materials, and thermosetting new materials modified SEPS

can obtain composite materials with better overall performance. The excellent comprehensive performance of SEPS

gradually penetrates into applications such as hot melt adhesives, medical products, gas permeation membranes, and

battery phase change materials.

Keywords: hydro-styrene-isoprene-styrene block copolymer (SEPS);thermoplastic elastomer anionic

polymerization;catalytic hydrogenation;structure characterization;modification

第12页

摘  要:开展原油生产过程的碳足迹核算方法研究对推动石化行业及其下游产业碳足迹评

价、完善全产业链核算具有重要意义。该文以原油开采与生产过程的注水井、油

井、集输管线和联合站构成的基本单元流程为基础,分析了注水环节、机械采油

环节物料的投入产出情况,不同生产环节之间的物料构成关系,提出了原油生

产过程碳足迹核算方法。以某油田采油厂数据为基础,计算其碳足迹为154.090

kgCO2/t;对比了集输环节水分配碳排放的不同方法对碳足迹结果的影响,分析认

为,按照采出水不分配碳排放的评价结果更体现碳足迹影响。

关键词:碳足迹 原油 驱油物 采出液 机械采油 集输

油气开采行业产品碳足迹核算方法研究

田涛1

,,尹迪 2

,罗艺 2

,马坤 2

,李志刚 3

,白凌云 1

(1. 中石化节能技术服务有限公司,北京 100120;2. 中国石化胜利油田分公司,山东东营 257001;

3. 石化盈科信息技术有限责任公司,北京 100007)

“双碳”目标的提出对石油化工行业形成巨大

挑战,在此背景下,越来越多的石油公司绘制了碳

中和路线图,制定了碳中和战略路径,其中开展碳

足迹核算是实现碳中和目标的重要措施。作为一项

评价产品或服务生命周期内直接和间接温室气体排

放总量的指标,碳足迹日益受到社会各界的高度重

视,众多学者开展了石化产品碳足迹研究。田涛[1–4]

等依据PAS2050提出了以总流程为基础、以工艺装

置为单元、以质量分配为规则的石化产品碳足迹评

价方法,并研究己内酰胺、聚丙烯、航煤、对二

甲苯等产品碳足迹;孙潇磊[5]研究了沥青产品碳足

迹,以某企业生产的沥青产品为评价对象,计算沥

青产品碳足迹为2.957 5 tCO2/t;王陶[6-7]等研究了汽

油、柴油等产品碳足迹。上述研究的内容中侧重于

炼化生产环节,对上游原料生产过程碳足迹评价研

究较少。原油作为石化工业的重要原材料,其碳足

迹数据存在于各类数据库中,但该数据是针对行业

平均水平,对具体企业进行原油碳足迹评价的核算

方法尚未有相关报道。

目前,我国70%原油产量来自已经进入高含水、

高采出程度开发阶段的老油田,地下油水关系复杂,

研究原油注水开采过程的碳足迹核算方法对建立我

国原油产品碳足迹核算方法具有重要意义。

1   碳足迹核算方法

碳足迹评价的对象是为获取单位功能产品所

产生的碳排放量,主要包括原料带入排放、能源消

耗排放以及工艺排放,其碳足迹核算可按以下过程

进行。

1.1   构建单元流程

基于B2B模式的碳足迹评价以客户(销售至下

游油库)获取的产品为追溯界区,建立原油生产的

单元流程,包括注水、机械采油、油气集输、污水

处理等过程。

其生产过程包括:驱油物(水、气、CO2)注

入环节,例如注水是通过高压泵将介质水注入地

层,以补充油藏能量;机械采油环节以潜油电泵、

收稿日期:2023-06-19

作者简介:田涛,硕士,正高级工程师。从事石油石

化行业能量系统优化、绿色低碳等相关研究。通讯联

系人:田涛,tiantao.sem@sinopec.com。

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 碳核算 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第13页

2023 年.第 6 期 田涛,等.油气开采行业产品碳足迹核算方法研究 - 9 -

合物等,可暂时忽略。目前,虽然有各种数据库公

布了部分原料和辅助材料的碳排放因子,但这些数

据多属于行业级数据,对企业而言依然无法获取具

体材料的排放数据,因此现阶段进行组织盘查基础

上的碳足迹评价是较为可行的方法。

能源消耗排放是指原油生产过程中采油泵的

电耗、输油管线保温、输油泵电耗等产生的碳排

放[8,9,10],可根据能源消耗量与能源介质的碳排放

因子计算。

1.4   排放分配

碳足迹评价需要对单元过程的碳排放在共生

产品之间进行分配,其中集输环节产出原油、伴生

气和采出水,其碳排放为输油泵和处理设施消耗电

力,可按照质量分配原则进行分配。

1.5   碳足迹计算

对生产流程中的任意加工过程,依据物料平

衡和排放清单可以计算原油碳足迹,公式如式(1)

所示。

CFP,i= MP,i

∑CFF,j

×MF,j

×ƞj+ECO2

×ƞi j (1)

式中:CFP,i为某生产过程内产品 i 的碳足迹,

kgCO2/t;CFF,j为某生产过程内投入原材料j的碳足

迹,kgCO2/t;MF,j为某生产过程内投入原材料j的

投入量,t;ƞj为该生产过程原料j的碳排放在产品

i中的分配系数,%;ECO2为该生产过程产生的碳排

放量,包括能耗排放、工艺排放以及各种辅助材料

排放,kgCO2;ƞi为该生产过程因生产产品i的碳排

放在总排放量中的分配系数,%;MP,i为该生产过

程的产品i的数量,t。

由于原油生产过程具有流程性特点,即上游

生产过程的产品,会作为下游生产过程的原料,这

种流程性特点体现了物料在生产过程的生命周期。

因此,基于 B2B 的产品碳足迹评价需要依据原油

生产中物料依次经过的不同环节累计碳排放,如

下式:

CFi=∑j=1

j=i–1CEj (2)

式中:CFi为第i个过程的产品碳足迹,kgCO2/t;

CEj为上游第j个过程的碳足迹,kgCO2/t。

最终碳足迹是物料产品流出企业边界为止的碳

排放数据。

螺杆泵、抽油机为举升设施完成地层油气水的举

升;集输环节则是将油井采出液输送至联合站并进

行油气水分离、处理和外输。辅助生产系统的碳排

放较小,主要由修井作业、办公等环节产生。

1.2   物料平衡

对于原油生产过程,油气集输和油水分离环节

的物料平衡关系较为明确,但注水和机采环节需要

做一定处理。

油气生产虽具有一定连续性,但与一般流程

工业又存在较大差异:一是高含水油田生产过程存

在大量采出水、注入水的循环,注水环节的原料投

入为水(包括采出水、新鲜水等),产出则为注入

地层的水,这与流程工业中,所处理物料存在显著

工艺变化有所不同;二是机采环节投入的原料是地

层的油气水混合物,产出是地面井口的油气水混合

物,机采过程实现油气水混合物由地层到地面的空

间转移;三是驱油物注入环节所注入的驱油物与

机采环节的原料并非完全平衡与对应。虽然油田

生产过程会通过注水、蒸汽、聚合物、CO2等措施

促进原油开采,但实际注入水和各种驱油物与地

层水和油藏的关系极为复杂,注入环节的产出——

即注入地层的各种驱油物与机采环节的原料——地

层油气水混合物并无明确物料上的投入–产出连接

关系。

另一方面,由于油田生产过程注入驱油物的

作用是维持和补充地层压力,促进原油在地层的流

动,其效果是实现压力由注水泵到油井的传递,注

入水和地层水是机采环节的重要加工对象;同时,

我国目前大部分油田的含水率超过 70%,部分达

到90%以上,虽然驱油物作为补充地层能量和改善

油藏条件的介质并未构成产品主体,但机采环节在

举升地层油水混合物的能耗中,采出水所占比例较

大。因此基于上述情况,将原油产量与注入水量作

为机采环节的原料投入量,采出液作为机采环节的

产出,以此构建不同生产环节的物料连接关系。

1.3   排放清单

原油生产过程的碳排放包括原料排放、辅助材

料排放、能源消耗排放以及工艺排放。原料排放和

辅助材料排放是指原料或辅助材料获取过程产生的

碳排放。对原油生产而言包括注入油井的各种驱油

物获取过程的排放,对数量较小同时缺乏数据的聚

第14页

- 10 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

2   应用案例

某油田采油厂年生产原油167.5万t,生产天然

气10 231万m3

,年注水量2 665.7万m3

,能源消耗约

合6.8万tce/a。油气生产过程包括驱油物注入、油气

举升、油气集输、油气处理和污水处理。以该采油

厂原油生产过程为例,计算其碳足迹。

2.1   构建单元流程

该采油厂下设 8 个管理区、1 个油气集输管理

中心,共有7座联合站,生产运行油井2.4万口、注

水井1.1万口。

将该厂所有注水井、油井、联合站归并为一个

生产单元,其中联合站是该采油厂原油产品最终的

流出环节,同时也是采出液的重要处理环节。

2.2   物料平衡

该采油厂各生产环节物料平衡数据可以由主要

生产数据统计计算,如表1所示。

表 1 原油生产环节物料平衡

生产环节 投入 /t 产出 /t

驱油物注入

采出水 26 656 790 注水量 26 656 790

注蒸汽量 1 001 注蒸汽量 1 001

机采环节

采出水 25 711 327 采出液 27 468 051

原油 1 675 200 – –

天然气 81 524 – –

辅助环节 采出液 27 468 051 采出液 27 468 051

集输环节

采出液 27 468 051 原油 1 675 200

– – 采出水 25 711 327

– – 天然气 81 524

表 2 原油生产环节碳排放

生产环节 能源介质 单位 消耗量 碳排放量 /t

注汽系统

天然气 万 m3 7.0 151.3

小计 tce 9.1 151.3

集输系统

天然气 万 m3 707.42 15 294.4

电 万 kW·h 1 368.0 7 797.6

小计 万 tce 1.09 23 092.0

机采系统 电 万 kW·h 26 538.0 151 266.6

注水系统 电 万 kW·h 15 555.0 88 663.5

作业、办公及

辅助系统

柴油 万 t 0.011 3 356.0

汽油 万 t 0.019 3 590.6

天然气 万 m3 184.43 3 987.4

电 万 kW·h 908.0 5 175.6

热力 万 tce 0.16 559.9

小计 万 tce 0.56 10 669.4

合计 万 tce 6.83 273 842.8

图1 原油生产过程碳足迹评价结果

(水不作为集输环节产品)

采出液 单位:kgCO2/t 天然

原油

回注

辅助系统 联合站

油藏 油井

注水井

3.332

8.626

9.014 154.090

采出

2.4   计算碳足迹

由上述碳排放和物料平衡数据可以计算原油生

产过程碳足迹,如图1所示。

表1中,机采环节的采出水由该环节的采出液

量与原油和天然气产量差值计算,该值与注水量并

不完全一致。机采环节原料包括原油、天然气和注

水,注水排放因子由注水环节的碳排放计算,而原

油和天然气作为油藏自然资源,其排放因子为 0。

另外,对比机采环节采出水量和注水环节注水量,

其相差945 463 t即为注入地层而未被采出的水。

2.3   排放清单

该采油厂各生产环节碳排放量可以由能源消耗

与相应排放因子计算,结果如表2所示。

由表2可知,该采油厂全年合计消耗能源6.8万t

标煤,碳排放量为27.38万t。

由图1可以看出,驱油物注入环节、机采环节

和辅助系统环节碳足迹均小于10 kgCO2/t,主要原

因在于这些生产环节的输出物——产品(完成工业

生产)包含大量水,其产量大于2 000万t,因此碳

足迹并不大;但在集输环节,采出液中的水被分离,

产品仅包括原油和天然气,因此其碳足迹明显增加,

达到154.090 kgCO2/t。

由图 1 可知,对于联合站的油气水分离过程,

如果将水作为该过程产品,则需要分配该过程的碳

第15页

2023 年.第 6 期 田涛,等.油气开采行业产品碳足迹核算方法研究 - 11 -

合站构成的注入、机械采油和集输环节是原油开采

与生产的基本单元流程,在该单元流程内不同碳排

放源的生产功能具有组合性,以此进行碳足迹评价

体现了产品获取过程的碳排放代价。

高含水油田生产过程存在大量采出水、注入水

的循环,注水环节的原料投入为水(包括采出水、

新鲜水等),该环节的产出则为注入地层的水,水

作为注入环节的原料由地面经注水泵注入地下,即

完成该环节的生产;机械采油环节的生产对象是自

然界的地层油藏,该环节将地层油气水混合物举升

到地面,其投入的原料是地层的油气水混合物,其

产出是地面井口的油气水混合物;虽然驱油物并未

构成原油产品的主体,但机采环节在举升地层油水

混合物的能耗中,采出水所占比例较大,因此可将

原油与注入水作为机采环节的原料投入,采出液作

为机采环节的产出,由此构建不同生产环节的物料

连接关系。

计算某油田某采油厂碳足迹为154.090 kgCO2/t,

对于集输环节水是否进行碳排放分配对该结果并

无影响,但不同分配方法对各生产环节碳足迹会有

较大差别,水不作为产品分配的评价结果更具有体

现性。

参考文献

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迹评价研究 [J].石油石化绿色低碳,2016,1(2):

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究现状及应用展望[J].石油石化绿色低碳,2021,6

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代化工,2020,49(7):1428-1432+1436.

图2 原油生产过程碳足迹评价结果

(水作为集输环节产品)

采出液 单位:kgCO2/t 天然

原油

回注

辅助系统 联合站

油藏 油井

注水井

157.422

152.861

154.090

153.249 154.090

采出

由图2可知,机采环节碳足迹小于注水环节,主

要是由于水作为注入环节输入物的碳足迹后,对于

注入地层而未开采出来的水(合计945 463 t),存在

“原料”损失,使得机采环节采出液碳足迹降低。

以上两种方法计算的原油产品碳足迹均为

154.090 kgCO2/t。但该采油厂的碳排放量273 842.8 t,

油气产量计算的单位油气碳排放强度155.883 kgCO2/t,

与碳足迹略有不同;这主要是由于注入水携带的碳

足迹注入地层后未分配到原油产品所致。实际对原

油生产的基本单元流程而言,注入地层而未被采出

的水是该流程的“产品”,因此注入水未采出会导

致注水环节的无效电耗。

由上述两种方法可知,水是否作为集输环节产

品参与过程碳排放分配,对最终计算的油气产品碳

足迹并无影响,但水作为集输环节产品参与过程碳

排放分配时需要迭代计算碳足迹,同时由此计算的

过程物流碳足迹数据与过程能耗相比相差较大,因

此水不作为产品分配的评价结果更加符合评价的实

际情况。

3   结论及建议

油气生产行业是重要的资源开采部门,提出原

油生产过程的碳足迹核算方法对推动石化行业及其

下游产业碳足迹评价、完善全产业链核算具有重要

意义;同时,产品作为经济体系中连接生产侧和消

费端的中间纽带,评价其碳足迹数据对于引导石油

石化行业供、需两端的低碳转型具有重要作用。

对含水油田而言,由注水井、油井、集输和联

排放,并且该碳排放会作为注入环节的原料排放,

由此方法计算的原油碳足迹需要对注入水和产出水

进行迭代计算,其收敛的结果如图2所示。

第16页

- 12 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

Research on Carbon Footprint Accounting of Crude Oil Products

Tian Tao1

,Yin Di2

,Luo Yi2

,Ma Kun2

,Li Zhigang3

,Bai Lingyun1

(1. SINOPEC Energy Management Co., Ltd,Beijing 100120,China;

2. SINOPEC Shengli Oilfield Company,Dongying,Shandong 257001,China;

3. Petro-CyberWorks Information Technology Co., Ltd,Beijing 100007,China)

Abstract: Proposing a carbon footprint accounting method for the crude oil production process is of great

significance for promoting the carbon footprint evaluation of the petrochemical industry and its downstream

industries, and improving the entire industry chain accounting. This article is based on the basic process of water

injection wells, oil wells, gathering pipelines, and joint stations in the process of crude oil extraction and production.

The material input and output of the water injection process and mechanical oil extraction process was analyzed in

this paper, as well as the material connection relationship between different production processes. A carbon footprint

accounting method for crude oil production process is proposed. Using data from an oil extraction plant in a certain

oilfield, the carbon footprint was calculated to be 154.090 kgCO2/t, and the impact of different methods of watersaving distribution of carbon emissions in the gathering and transportation environment on the carbon footprint

results was compared.

Keywords: carbon footprint;crude oil;oil displacement products;produced fluids;mechanical oil

recovery;gathering and transportation

[8] 陈洪波,杨来.“双碳”目标和能源安全下中国油气

资源开发利用的战略选择[J].城市与环境研究,2022

(3):56-69.

[9] 邴绍献,赵伟,李振泉,等.油田注水开发系统能耗

整体优化方法[J].油气地质与采收率,2019,5(26):

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[10] 邹昌明,马金喜,黄岩,等.渤海边际油田开发碳排

放影响[J].中国海洋平台,2019,34(2):54-58.

八面来风

背接触微米光伏电池显著提高太阳能电池性能

据报道,渥太华大学的研究人员与国内和国际合作伙伴共同制造了首个背接触微米光伏电池。该

电池的尺寸是头发丝厚度的两倍,与传统太阳能技术相比,具有显著优势,可以减少95%的电极产生

的阴影,并可能将能源生产成本降低三分之二。微型光电电池的制造工艺涉及渥太华大学、魁北克舍

布鲁克大学和法国格勒诺布尔微型电子技术实验室之间的合作。微米级光伏电池具有极小尺寸和显著

减少阴影的优势,使其可以应用于多种领域,例如电子设备的致密化和太阳能电池等,可用于太空探

索的轻型核电池以及电信和物联网设备的小型化。该技术突破将为社会带来重大利益。更廉价、更强

大的太阳能电池将有助于加速能源转换。轻量化核电池将促进太空探索,设备小型化将有助于物联网

的发展,并推动更强大的计算机和智能手机发展。

第17页

摘  要:该文以某中等规模炼油企业为例,结合当前“双碳”目标背景,介绍了该企业能

源消耗情况与碳排放现状,概括了炼油企业节能降碳的三个方向。从技术方面系

统介绍炼油企业节能降碳的实施过程,列举了部分已完成的节能降碳项目实例,

如对柴油加氢装置实施增加热高低分流程节能改造,对常减压装置新增初馏塔侧

线改造,通过装置间热联合停运航煤加氢装置反应进料加热炉,实施加热炉余热

回收改造,进行炉内强化传热改造、炉外壁喷涂保温涂料,实施低温热系统优化,

提升转动设备能效等。企业通过系统性实施节能降碳举措,炼油综合能耗降低了

11.98%,单因能耗降低了7.3%,碳排放总量降低了5.13%,节能管理水平大幅提升。

关键词:炼油企业 能耗 节能 降碳 碳排放

炼油企业系统节能降碳实践

冉晓锋

(中韩(武汉)石油化工有限公司,湖北武汉 430000)

炼油行业的发展为人类社会现代化奠定了坚实

的物质基础,石油及石化产品已应用到现代社会的

各个领域[1]。石油化工企业以技术密集、能源消耗

集中为特点[2],既是生产二次能源的行业,又是流

程工业领域的耗能及碳排放大户,其耗能量在我国

行业耗能中仅次于冶金、建材、化工和电力[3]。由

于目前油源紧缺化、原油劣质化、环保苛刻化、油

品质量国际化、石化产品高附加值化和市场竞争激

烈化趋势[4],做好节能降耗工作对提高企业的节能

管理水平、增强企业竞争力有着重要的现实意义。

1   形势及背景

越来越多的人认为大量使用化石能源造成大气

中二氧化碳浓度快速升高是全球气候变暖的主要原

因。加快发展可再生能源,推动能源低碳化转型已

不可逆转[5]。2020年9月,我国提出了二氧化碳排

放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前

实现碳中和的目标。这一目标的提出,将加快我国

能源需求结构向可再生能源转型[6]。石油化工产业

是国民经济的基础和支柱产业,同时也是高耗能高

排放行业之一,石化产业除有与能源相关的直接碳

排放外,还有生产工艺本身产生的过程碳排放 [7]。

2019 年我国石化产业能耗总量约 1.7 亿 t 标煤,碳

排放总量约4.7亿t

[8],约占工业部门碳排放比例的

10%[9],是我国实现减排降碳的重要工业部门。

在此背景下,炼油企业必须采取有效措施,以

碳达峰、碳中和为目标导向,加强节能管理,提高

能源利用效率,控制能源消费总量,践行绿色低碳发

展战略,积极推进碳达峰、碳中和行动,持续推进

生产过程低碳化,努力迈向净零排放的终极目标。

2   企业能耗及排放现状

某企业炼油部分综合配套能力为850万t/a,主

要加工胜利原油和阿曼原油的混合油(混合比为

1∶1),共有 25 套主要生产装置,生产汽煤柴油、

石油焦、硫磺芳烃及聚丙烯等产品。

该企业能耗的主要组成为水、电、蒸汽、燃料

收稿日期:2022-02-13

作者简介:冉晓锋,学士,高级工程师。目前主要从

事炼油节能节水降碳管理工作。通讯联系人:冉晓锋,

ranxf.zhsh@sinopec.com。

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >>CO2 减排技术 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第18页

- 14 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

表 1 2022 年炼油能耗统计

序号 项目 单位 实物量 实际能量换算系数 能耗 /(kgEO/t) 能耗占比

1

水 t 335 360 024 – 1.750 3.17%

其中:新鲜水 t 563 5103 0.061 4 0.041 –

循环水 t 329 828 399 0.044 1 1.721 –

除氧水 t 0 6.5 0 –

除盐水 t -103 478 1 -0.012 –

2 电 kW·h 436 567 406 0.23 11.881 21.50%

3

蒸汽 t 518 253 – 5.326 9.64%

其中:39 kg t 516 852 88 5.382 –

10 kg t -55 980 76 -0.503 –

3.5 kg t 57 381 66 0.448 –

4

工艺炉燃料 t 187 409 – 20.103 36.38%

其中:燃料干气 t 0 1 000 0 –

脱乙烯干气 t 187 409 – 20.103 –

制氢吸附废气 t 133 109 950 14.963 –

煤 t 54 300 800 5.140 –

石油焦 t 0 200 0 –

5 催化烧焦 t 0 480 0 29.32%

6 能耗合计 – 0 800 0 –

表 2 2022 年主要装置能耗 kgEO/t

序号 装置 能耗 耗水 耗电 耗蒸汽 耗燃料 烧焦 热输入

1 1# 常减压蒸馏 8.78 0.34 1.36 0.86 6.54 0 -0.31

2 2# 常减压蒸馏 9.03 0.20 1.44 0.57 7.50 0 -0.69

3 1# 催化 50.19 3.06 3.07 15.73 0 59.26 -30.94

4 2# 催化 50.51 5.12 5.14 -3.86 0 71.41 -27.29

5 1# 延迟焦化 32.05 1.88 8.39 9.47 13.31 0 -1

6 2# 延迟焦化 20.85 1.05 6.83 3.56 10.40 0 -1

7 汽油吸附脱硫 4.90 0.27 1.41 0.14 3.08 0 0

8 2# 柴油加氢 14.75 1.23 5.55 5.72 2.24 0 0

9 3# 柴油 +1# 航煤加氢 10.06 0.86 3.96 1.02 4.23 0 0

10 加氢裂化 15.61 0.93 9.65 1.02 4.91 0 -0.91

11 蜡油加氢 5.63 0.58 4.42 -0.09 0.72 0 0

及催化烧焦,其中水耗、电耗、蒸汽消耗、燃料消耗

及催化烧焦占总能耗的比例分别为3.17%、21.50%、

9.64%、36.38%和29.32%。能耗统计见表1,主要

装置能耗见表2。

第19页

2023 年.第 6 期 冉晓锋.炼油企业系统节能降碳实践 - 15 -

表 3 2022 年主要排放设施排放情况

排放设施 排放量 / 万 t 排放占比

催化烧焦 51.80 29.70%

燃料燃烧 41.92 24.04%

外购电力 30.17 17.30%

制氢装置 27.36 15.69%

外购热力 19.84 11.38%

硫磺 2.38 1.36%

火炬 0.85 0.49%

逸散 0.04 0.02%

移动 0.02 0.01%

S Zorb 0.01 0.01%

汇总 174.39 100%

序号 装置 能耗 耗水 耗电 耗蒸汽 耗燃料 烧焦 热输入

12 焦化汽油 +2# 航煤加氢 10.30 0.97 3.46 3.43 2.43 0 0

13 重整 49.68 3.39 11.39 -9.85 44.74 0 0

14 苯抽提 20.40 1.01 3.25 16.14 0 0 0

15 1# 制氢(停工状态) – – – – – – –

16 2# 制氢 599.86 6.17 16.41 -364.11 907.36 0 34.03

17 氢气提纯 2 254.46 19.22 737.79 1497.45 0 0 0

18 气体分馏(五塔) 30.1 4.34 3.77 1.92 0 0 20.07

19 烷基化(离子液) 0 – – – – – –

20 MTBE(在建) 177 10.27 8.22 158.51 0 0 0

21 2# 硫磺回收 125.05 27.25 69.45 -1.82 30.17 0 0

22 3# 硫磺回收 -52.69 37.14 87.8 -212.21 34.58 0 0

23 溶剂再生 3.74 0.07 0.45 3.22 0 0 0

24 常压污水汽提 9.71 -0.12 0.44 9.38 0 0 0

25 干气提浓 34.57 2.42 31.48 0.68 0 0 0

续表

该企业2022年度温室气体排放总量为174.39万t,

排放类别包含固定排放、移动排放、制程排放、逸

散排放和间接排放。主要排放源是催化烧焦、燃料

燃烧、外购电力、制氢装置及外购热力,占排放总

和的98.11%。主要排放设施排放情况见表3。

程、生产操作进行了深入调整,炼油装置的技术改

造和新装置陆续投产,原有的工艺流程、运行参数

发生了变化,产生了诸多优化需求。且随着节能工

作不断深入,企业节能潜力逐步降低,单套装置节

能潜力更是难以挖掘,企业本身亦存在节能管理不

成体系、节能项目投入不够、职工节能意识不足等

问题。为了进一步降低企业能源消耗,提高企业用

能水平和综合竞争力,企业利用大检修及专项行动

契机,开展全面的用能分析与优化工作,大力推进

系统性节能降碳举措。

3   节能降碳实践

化学工业的节能方法主要包括以下三方面:结

构节能、管理节能、技术节能。

3.1   结构节能

结构节能指对产业结构、产品结构、企业结构

和地区结构进行优化调整,以达到节能目的,主要

适用于政府宏观调控及企业自身发展规划。

3.2   管理节能

管理节能主要有:宏观调控和企业经营管理

两个层次。宏观调控层次的节能管理主要是指国家

通过法律、法规对企业发展进行规范,通过价格政

策、税收等手段对产业发展进行调控,以降低能源

2020 年以前,该企业炼油综合能耗及单因耗

能对比先进企业还存在不小差距。近年来,严苛的

排放标准和质量标准陆续出台,企业对全厂工艺流

第20页

- 16 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

消耗。企业经营管理层次的节能管理主要包括建立

健全能源管理机构、建立企业的能源管理制度、合

理组织生产、加强计量管理等。

3.3   技术节能

技术节能主要通过对反应部分、分离部分及换

热网络进行优化,以达到节能目的。技术节能方法

主要有化工单元操作设备节能技术及系统节能方法。

化工单元操作设备节能技术指对单台设备进行优化

或更新;系统节能方法是指以能量系统为对象,通

过一定的策略和方法来处理能量系统的设计、控制

及运行等问题,使获得的结果最优。

3.3.1   核心用能环节优化

核心用能环节一般指反应器和分馏塔等,通过

优化反应条件、优化分馏塔的中段回流取热分配等

措施,提高装置内高温位能量的利用率,以达到降

低能量消耗的效果。

示例1:160万t/a汽柴油加氢精制装置增加热

高低分流程节能改造项目。优化提高对热量的回收

利用,对原有冷高分流程进行增加热高低分流程改

造,回收反应产物空冷器耗费的部分热量,降低原料

油和混合氢进入反应炉的温升,节省燃气消耗,并利

用余热发生蒸汽,达到节能减排目的。经核查,该项

目年节能量为8 386 t标准煤,碳排放降低21 802 t。

示例 2:投用新增的常减压装置初馏塔侧线。

在满足初常顶石脑油质量前提下,将初馏塔侧线引

至常压塔顶循,可降低常压加热炉负荷,节约瓦斯

30 kg/h,每年降低碳排放量554 t。

示例3:S Zorb再生器取热盘管以前采用热水

取热,因取热量小,易导致再生器内取热盘管水击

现象,甚至干烧,导致盘管泄漏,造成吸附剂结

块。后将热水取热改为氮气取热,并将原直排氮气

改为返回总管。改造后每年节约氮气 252 万 Nm3

节电50 400 kW·h,创效92万元。

示例4:蜡油加氢装置停运分馏塔。蜡油加氢

装置未生产柴油,可以停运分馏塔,脱气塔底泵出

口跨至分馏塔底泵出口,停用分馏塔底泵、回流

泵、水泵、分馏塔顶空冷,停分馏塔汽提蒸汽。每

年节约电费94.3万元,碳排放降低912 t。

3.3.2   系统能量回收及升级利用

(1)装置换热网络优化及余热回收

通过“夹点技术”分析装置的最优夹点温差,

并根据现状及经验对换热网络进行调整,通过不断

尝试调整,使装置改造工程量最小,夹点温度达到

或接近最优夹点温差,减少冷、热公用工程用量[10]。

(2)装置联合优化

将全厂视为一个大系统,在大系统内寻找合适

的热匹配,达到能量优化利用目的,而不是将装置

孤立起来进行内部热量利用,避免“高热低用”以

及反复加热、冷却所带来的能源消耗[11],提高能量

与热量使用的效率,减少浪费。

示例5:充分利用常减压、加氢裂化装置之间

的热联合,经调整,常减压减二线汽包减少蒸汽发

汽2.0 t/h,提高轻蜡油至加裂进料温度,加氢裂化

装置加热炉瓦斯耗量减少约300 Nm3

/h。

示例 6:汽柴油混合加氢装置改造为 30 万 t/a

焦化汽油加氢装置后,在确保焦化汽油产品质量的

前提下,优化调整临氢系统换热流程。充分利用热

联合换热器,将航煤反应进料直接加热至正常反应

温度,熄灭航煤反应进料加热炉,每月减少燃料气

260 t。同时焦化汽油加氢装置改原料热直供,停运

原进料加热炉,每月减少燃料气108 t。

(3)储运系统用能优化

对储运系统的用能进行优化,通过降低储量、

优化储运参数、改变加热介质等措施,达到降低工

艺总用能、回收低温热、减少蒸汽消耗和节省泵功

耗的目的。主要措施包括降低储量,加强保温,提

高进罐温度和用低温热加热,降低维温蒸汽用量;

通过优化扬程和流量、缩短混合时间和提高调合效

率等措施,节约机泵用电等[12]。

(4)低温热大系统优化利用

在热出料和热联合基础上,以“温度对口,梯

级利用”的能量利用原则为指导[13],构建低温热回

收利用大系统。以除盐水为中间介质,从热源回收

热量用于热阱,可以替代热阱装置部分更高品质的

热量消耗,通过能量的梯级利用,节约蒸汽或燃料。

示例7:催化低温热流程优化,解决气分热源

不足问题。气分停脱异丁烷塔后,催化低温热水热

量富余较大,同时气分丙烯塔热源不足,装置操作

受限。通过流程优化,将催化低温热水并入常减压

低温热水系统,向气分丙烯塔供热。解决了气分丙

烯塔热源不足的问题,丙烯精度提高至99%。同时

停用了催化空冷以及热水泵,降低了装置电耗。

第21页

2023 年.第 6 期 冉晓锋.炼油企业系统节能降碳实践 - 17 -

示例8:S Zorb装置低温热水通过换热器的升

温,低温热项目施工完后,装置内原有蒸汽伴热全

部改为低温热水伴热,降低了装置伴热用低压蒸汽

消耗约2.0 t/h,年伴热投用按4个月算,每年节约蒸

汽5 760 t,降低碳排放2 160 t。

示例 9:对低温热相关装置(S Zorb、催化、

气分)换热流程进行优化,至气分低温热水温度由

94 ℃提高至100 ℃,气分减少热水旁通量,更换凝

结水泵出口调节阀,蒸汽凝结水调节阀为小流量调

节阀,对凝结水流量孔板量程进行调整优化,将气

分低压汽消耗量由10 t/h降至3.5 t/h,节约蒸汽消耗

6.5 t/h,每年降低碳排放20 475 t。

(5)公用工程系统优化

针对热出料、低温热、储运优化后全厂蒸汽的

新格局,结合当前蒸汽动力系统存在的问题,对全

厂的产汽、用汽和蒸汽管网进行全面优化。尽量多

产高等级蒸汽;争取少用汽及使用低等级的蒸汽[14]。

通过优化燃料构成降低产汽成本,优化产汽设备负

荷、汽轮机匹配来消除减温减压和散热损失等方面

问题,提高蒸汽动力系统的能量利用效率。

示例10:针对柴油加氢装置自产蒸汽后路不畅

只能现场直排的问题,通过优化装置自产蒸汽并入

1.0 MPa系统蒸汽管网,避免了蒸汽现场直排,同

时通过调节自产蒸汽量实现精制柴油出装置温度的

卡边操作。项目实施投用后,装置在150 t/h处理量

时可产汽4.5 t/h,每年节约动力费480.9万元,降低

碳排放14 175 t。

示例11:新鲜水系统根据末端用户供水压力情

况,将供水压力由0.42 MPa降至0.39 MPa运行,根

据水量避免开大轴流转输泵。新鲜水场较以往同期

减少耗电量6万kW·h,降低碳排放3 486 t。

示例12:空压站运行3台大机组,净化风压力

0.53 MPa,富余压力较大。经过分析研判,企业决

定将净化风压力由0.53 MPa降至0.50 MPa,降低电

流,减少机组负荷输出,仍可满足全厂管网风压要

求。调整后净化风管网压力降低0.5 kg,每小时节

电500 kW·h,每年降低碳排放2 440 t。

3.3.3   分析能量转换设备的使用情况

(1)机泵节电

对机泵本身及泵进出口管道、阀门、调节设备

等压力损失进行分析和计算,根据现场的实际测量

数据对计算进行修正,找出该输送系统的问题进行

针对性改造。

示例13:调节阀开度整治。通过变频改造、叶

轮切削及叶轮减级,整治截流严重的调节阀;通

过高效机泵排查及标识,最大程度实现装置节电。

2021 年完成 55 台机泵叶轮切削,每年节电 576 万

kW·h,创效400万元,每年降低碳排放3 346 t。

(2)压缩机、汽轮机效率评估及优化

通过采集压缩机、汽轮机的运行数据模拟评估

机组运行效率,选择合理的节能方式。

示例14:干气提浓装置K8201B机组增加无级

余隙调节系统,机组运行状态明显改善,振动较

改造前大幅降低,实现60%~100%负荷无级调节,

电机功率降低795 kW,每年降低碳排放3 879 t。

示例15:S Zorb装置往复式压缩机国产无级气

量调节系统投用。这两台机组实际工艺需求量与额

定量偏差较大,运行中流量调节不便且能耗高。过

去无级气量调节系统只能使用进口设备,且一机一

配,设备采购成本、设备维护成本都居高不下。公

司首次提出“一拖二”技术应用,探索利用一套控

制系统实现对两台机组流量进行调节的控制方式,

不仅减少了设备投入,还使得生产调节更为便利。

经过开机实测,两台往复式压缩机的功率由430 kW

降至310 kW,每年节约电费约65万元,降低碳排

放586 t。

(3)加热炉效率核算及优化

通过采集加热炉运行数据及燃料气的分析组

分,测算加热炉热效率,对于热效率低的加热炉找

出原因并采取相应的节能措施。

示例16:制氢废热锅炉增加省煤器。将锅炉给

水引至制氢转化炉的对流室中进行加热(烟气温度

为280 ℃),新增一段锅炉给水加热段,加热至温度

为200 ℃后的锅炉给水再返回至原锅炉给水管道,

锅炉给水加热段的压降要求控制在 100 kPa 以内。

项目年节能量约为5 000 t标煤,降低碳排放13 000 t。

示例 17:重整四合一炉利用强化均衡辐射传

热节能技术提高加热炉效率。基于重整装置四合一

加热炉的热力学特性,在加热炉辐射段铺设热辐射

元件,增强加热炉在辐射段的热量利用率,从而

减少燃料气的使用量。项目实施后节能率分别达到

3.32%、13.48%、8.60%,年节能量1 095 t标煤,降

第22页

- 18 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

低碳排放2 847 t。

示例18:焦化车间加热炉外壁新型保温涂料应

用,该涂料属于阻隔型隔热保温涂料,是一种以减

少涂层内部热传导为主要目的的涂料,依据热量在

空气中的传导速率远小于固体材料中传导速率的原

理,通过将密度小、气孔率高、导热系数低的功能

填料——多孔道陶瓷微粒掺加入涂层体系中,从而

降低涂层的导热系数,达到隔热保温目的[15]。在焦

化加热炉辐射段及对流段喷涂新型保温涂料,总外

表面积约为5 000 m2

,涂层厚度2 mm,涂料总用量

15 t,其余稀释剂等材料按比例配制。经审核该项

目年节能量达1 139 t标煤,降低碳排放661 t。

4   实施效果

通过系统的节能降碳实践,企业能效水平得到

显著提高。2021年,该公司炼油累计综合能耗53.98

kgEO/t,比上年同期下降了8.49个单位,企业能耗水

平达历史最佳。排除大检修低负荷年份,与正常生

产年相比,超过80%的装置能耗呈现下降趋势,企

业取得了炼油综合能耗降低11.98%、单因能耗降低

7.30%、碳排放总量降低5.13%的好成绩。近5年能

耗及排放数据见表4。

表 4 近 5 年能耗及排放数据

项目 2018 年 2019 年 2020 年(检修年) 2021 年 2022 年

加工量 / 万 t 861.31 876.91 651.51 918.82 845.13

炼油综合能耗 /(kgEO/t) 61.79 60.43 63.62 54 55.264 7

单因能耗 /(kgEO/t ·因数) 8.32 8.12 8.73 7.83 7.85

碳排放量 / 万 t 197.08 191.83 161.99 185.12 174.39

图5 近五年碳排放量趋势

200

195

190

185

180

175

170

165

160

155

150

碳排放量 /万 t

2018年 2019年 2020年

(检修年)

2021年 2022年

碳排放量

图4 近五年能耗趋势

70

68

66

64

62

60

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56

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52

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9.0

8.8

8.6

8.4

8.2

8.0

7.8

7.6

7.4

7.2

7.0

炼油综合能耗 /(kgEO/t)

炼油综合能耗

单因能耗 /(kgEO/t·因数)

2018年 2019年 2020年

(检修年)

2021年 2022年

单因能耗

5   结论

(1)通过科学的管理模式,系统的节能降碳实

践,企业能源消耗大幅缩减,碳排放量大幅下降,

能源管理水平跨越式提升。

(2)企业目前还存在部分装置长期负荷率偏低

的问题,导致部分装置用能单耗偏高,企业能效水

平较国家发改委等部门下发的《石化化工重点行业

严格能效约束推动节能降碳行动方案(2021—2025

年)》中规定的能效标杆值还有一定差距;另外,

催化投产后带来的碳排放量增加,以及企业以天然

气制氢为主的现状,都不利于碳减排规划的落实。

(3)未来需持续改进节能降碳工作,进一步加

强节能管理,按照“双碳”目标各级要求推动公司

节能降碳行动落实落地。

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Practice of Energy Conservation and Carbon Reduction in Refining Enterprises

Ran Xiaofeng

(SINOPEC-SK (Wuhan) Petrochemical Company Limited,Wuhan,Hubei 430000,China)

Abstract: Taking a medium-sized oil refinery as an example and combining with the current background of

\"carbon peaking and carbon neutrality\" target, this paper introduces energy consumption and carbon emission status

of the refinery, and summarizes three directions of energy conservation and carbon reduction in refining enterprises.

From the technical aspect, the implementation process of energy conservation and carbon reduction in refineries is

systematically introduced, and some completed projects are listed, such as adding hot high pressure separator process

in diesel hydrogenation unit, adding the side draw to the primary distillation tower in atmospheric and vacuum

distillation unit, shutting down the feed heating furnace in jet fuel hydrogenation unit by heat integration, modifying

waste heat recovery of heating furnaces, enhancing heat transfer inside the furnaces, adding insulation coating on the

furnace outer wall, optimizing the low heat system, improving energy efficiency of rotating equipment and so on.

Through systematic implementation of energy conservation and carbon reduction measures, comprehensive energy

consumption of the refinery is reduced by 11.98%, single factor energy consumption is reduced by 7.3%, total carbon

emission is reduced by 5.13%, and energy conservation management level has been greatly improved.

Keywords: refining enterprise;energy consumption;energy conservation;carbon reduction;carbon emission

第24页

摘  要:随着石油化工企业在节能环保上越来越重视,芳烃装置大量低温余热的回收利用

成为了芳烃装置在节能环保上的探索方向。近年新建芳烃装置做了大量优化,使

装置能耗有所降低,装置竞争力也不断提高。国内某新建芳烃装置首次采用了低

温余热发生0.45 MPa蒸汽驱动异构化循环氢压缩机方案,优化装置余热蒸汽流

程,提高装置余热蒸汽的利用率,进一步降低芳烃装置的能耗。

关键词:节能降耗 芳烃装置 余热 透平应用

芳烃装置余热蒸汽透平压缩机节能应用

尹志炜

(中国石化海南炼油化工有限公司,海南洋浦 578101)

目前,石油化工装置朝绿色低碳发展是大趋势。

芳烃联合装置余热在整个炼化企业中最多,合理利

用低温余热降低能耗成为提高经济效益和竞争力的

必然发展方向 [1–5]。目前国产化芳烃装置采用低温

热水发电、低压蒸汽发电等节能应用方案,使装置

能耗水平处于世界前列。某企业有两套芳烃装置,

其中新建国产化芳烃装置在原装置基础上做了很多

优化,使装置能耗相比原芳烃装置降低了20%。首

套芳烃装置中为回收大量低温余热,创新性采用低

温热水发电和低低压蒸汽发电系统,但热电转化效

率不高,造成了一定程度的浪费[6]。故某企业在新

建芳烃装置中优化了蒸汽网络,利用低温余热发生

0.45 MPa蒸汽驱动异构化循环氢压缩机透平,有效

提高了芳烃装置的低温余热回收利用率[7]。

1   装置余热利用情况简介

芳烃联合装置具有工艺流程长、分馏塔数目多、

塔顶低温热多的特点[8–9]。传统芳烃联合装置产生的

低温余热,因温位低很难被回收利用,一般通过空

冷冷却处理,不仅造成热能和电能浪费,而且产生

空气热污染,不利于节能环保[10–11]。在首套芳烃联

合装置中,通过抽出液塔和抽余液塔的提压操作,

提高塔顶余热温位,以便于利用低温余热产生低压

蒸汽并利用低压蒸汽发电,降低装置能耗。

某企业新建芳烃装置,在首套芳烃装置基础上

做了进一步优化。首先将抽余液塔顶的蒸汽发生器

增至5台,不仅能更好地控制抽余液塔塔压,而且进

一步提高了抽余液塔的低温余热利用率。其次在首

套芳烃联合装置中将低温余热自产的0.45 MPa余热

蒸汽全部用于发电,而在新建芳烃装置中则是利用

自产0.45 MPa余热蒸汽驱动异构化循环氢压缩机透平

(首套芳烃装置异构化循环氢压缩机采用3.5 MPa蒸汽

驱动透平),剩余的蒸汽则用于发电,这样减少了

装置3.5 MPa蒸汽用量,进一步降低了芳烃装置能

耗,提高了热能的利用率,经济效益明显高于蒸汽

发电[12–13]。新建芳烃装置的低温余热情况见表1。

收稿日期:2022-12-08

作者简介:尹志炜,学士,工程师。目前主要从事芳

烃装置生产技术工作。通讯联系人:尹志炜,yinzw.

hnlh@sinopec.com。

表 1 精馏塔余热情况

名称 塔顶压力 /

MPa

塔顶温度 /

蒸汽发生器

热负荷 / MW

蒸汽发生器 /

抽余液塔 0.25 185.9 102.2 5

抽出液塔 0.28 195.1 30.3 2

常压塔 0.04 140.0 – –

综合 – – 132.5 7

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 过程优化 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第25页

2023 年.第 6 期 尹志炜.芳烃装置余热蒸汽透平压缩机节能应用 - 21 -

由表 1 可知,抽余液塔和抽出液塔在提压后,

塔顶温度提高至185~195 ℃,足以产生0.45 MPa蒸

汽,以回收低温余热。而采用常压操作则塔顶温度

为140 ℃左右,其温位不足产生0.45 MPa蒸汽。其

中两个塔的塔顶蒸汽发生器热负荷相加为132.5 MW,

其热能相当可观,若高效回收利用,不仅能降低装

置能耗,而且能创造效益,提高芳烃装置竞争力。

2   余热蒸汽系统流程

新建芳烃装置的余热蒸汽系统是利用抽余液

塔和抽出液塔塔顶的余热,通过蒸汽发生器加热除

氧水产生 0.45 MPa 蒸汽,再将蒸汽送入加热炉的

对流段进行过热;过热后的蒸汽一路送至异构化循

环氢压缩机组驱动机组透平做功,另一路则送至发

电机组进行发电;经发电机组和异构化压缩机组做

功后的透平凝结水,进入精密过滤器过滤,再送入

除氧器脱氧;最后再循环回蒸汽发生器,继续产生

0.45 MPa蒸汽。其中系统的补水为除盐水,来自除

盐水总管。整个0.45 MPa蒸汽系统的压力由管网末

端的压力控制阀控制,当系统压力升高时开启压控

阀并连接消音器进行放空泄压。余热蒸汽系统流程

见图1。

缩机透平,将自产0.45 MPa蒸汽全部用于发电。而

在新建芳烃装置设计时,因为芳烃装置处于全厂公

用工程的末端,3.5 MPa蒸汽量不足,故采用0.45

MPa蒸汽驱动异构化压缩机透平。这样不仅优化了

全厂蒸汽平衡,而且进一步降低了芳烃装置能耗。

现对新建芳烃装置0.45 MPa蒸汽驱动透平压缩

机运行情况进行评价。其设计参数与3.5 MPa蒸汽

驱动透平压缩机的设计参数对比见表2。

表 2 0.45 MPa 蒸汽与 3.5 MPa 蒸汽驱动压缩机的

设计参数对比

项目 单位 0.45 MPa 蒸汽

驱动机组 K2701

3.5 MPa 蒸汽

驱动机组 K701

额定进汽压力 MPa(A) 0.45 3.4

额定进汽温度 ℃ 180 340

蒸汽流量 t/h(额定) 104.2 26

排汽压力 MPa(A) 0.02 0.018

正常功率 kW 8 210 5 477

额定功率 kW 12 738 6 024

额定转速 rpm 4 804 6 060

压缩机轴功率 kW

(SOR/EOR) 8 250/3 496 5 477/3 553

压缩比 (SOR/EOR) 1.42/1.13 1.49/1.15

图1 余热蒸汽系统流程

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3   余热蒸汽透平压缩机应用评价

在芳烃装置中,利用装置余热产生0.45 MPa蒸

汽并用来驱动透平压缩机是首次应用。芳烃装置余热

蒸汽回收利用方式的选择,需要考虑全厂蒸汽平衡

问题。在首套芳烃装置建设时,考虑到全厂3.5 MPa

蒸汽有富余,故选择用3.5 MPa蒸汽驱动异构化压

由上表可知,用0.45 MPa蒸汽驱动透平压缩机

的额定蒸汽用量远大于利用3.5 MPa,这是0.45 MPa

蒸汽的温位和效率都较低的原因。而0.45 MPa蒸汽

透平压缩机的额定功率与正常功率的比值,也远大

于3.5 MPa的比值,这是考虑到当对二甲苯的效益

较好时,装置大幅提高负荷的需求,同时考虑当反

应系统出现再生烧焦等氮气工况时分子量远大于氢

气的情况。因为新建芳烃装置开车时间不长,异构

化反应催化剂活性较强,目前压缩机转速为 4 200

rpm/min,机组压缩比为1.52,高于设计值,充分证

明了其设计能力满足正常生产的需求。余热蒸汽透

平压缩机振动和位移数据见图2和图3。

目前余热蒸汽透平压缩机K2701因工艺需要转

速为4 200 rpm/min,进汽压力为0.41 MPa,进汽温

度为190 ℃,排气压力为0.02 MPa。在该进汽工况

下汽轮机与压缩机的振动、位移均比较低,且在运

行的2个多月内,振动和位移都非常平稳,远低于汽

第26页

- 22 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

MPa蒸汽的单价,计算出创效情况[12]。

汽轮机的效率采用汽轮机的做功与蒸汽做功焓

降的比值来计算,其中汽轮机所用蒸汽做功的焓降

=(过热蒸汽焓值–冷凝水焓值)×蒸汽的质量流

量;汽轮机的发电量则需要通过采用发电机的效率

与汽轮机所用蒸汽做功焓降的乘积来计算得出。其

推导公式如下:

η1=P1×K/H (1)

H=Q1×(H1–H2) (2)

Q2=P2×K/η1/(H1 –H2) (3)

W=η2×Q3×(H3–H4)/K (4)

其中:η1为3.5 MPa蒸汽透平效率,%;P1为

K701的汽轮机功率,kW;K为功率折蒸汽做功系

数,取3 600 kJ/kW·h;H为3.5 MPa蒸汽做功的焓

降,kJ;Q1为K701蒸汽用量,kg/h;H1为3.5 MPa

蒸汽焓值,kJ/kg;H2为0.45 MPa蒸汽焓值,kJ/kg;

Q2为 K2701 采用 3.5 MPa 蒸汽的量,kg/h;P2为

K2701的汽轮机功率,kW;W为K2701汽轮机发电

量,kW·h;η2为0.45 MPa蒸汽透平效率,%;Q3为

K2701采用0.45 MPa蒸汽用量,kg/h;H3为K701凝

结水焓值,kJ/kg;H4为K2701冷凝水焓值,kJ/kg;

K701为首套芳烃装置3.5 MPa蒸汽驱动异构化循环

氢压缩机;K2701为新建芳烃装置余热蒸汽驱动异

构化循环氢压缩机。

根据工艺运行参数及设备设计参数,可得到已

知参数如表3所示。

现将已知参数代入式(1)–(4)中,联解上

式可求得3.5 MPa蒸汽透平效率η1为35.4%,K2701

若采用 3.5 MPa 驱动透平需要消耗的蒸汽量 Q2为

28.3 t/h,若将K2701的0.45 MPa蒸汽用量送去发

电,发电量W为7 707 kW·h。

现将采用3.5 MPa蒸汽驱动透平K2701消耗的

蒸汽量所产生的能耗减去采用0.45 MPa蒸汽驱动透

平K2701所消耗的蒸汽量送去发电所节约的能耗,

则可以计算出采用0.45 MPa蒸汽驱动压缩机比采用

3.5 MPa蒸汽驱动压缩机所节约的总能耗,效益核

算同理。结果如表4所示。

综上所述,在新建芳烃装置中采用自产 0.45

MPa 蒸汽驱动异构化透平压缩机 K2701 的余热蒸

汽流程优化方案,将使芳烃联合装置降低能耗

7.29 kgEO/t PX,创造效益217.36万元/年。

图2 汽轮机振动和位移

0.00

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轴位移/mm 轴振动/mm

汽轮机非驱动端振动 汽轮机驱动端振动 汽轮机轴位移

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轴位汽轮机非驱动端振动 汽轮机驱动端振动 汽轮机轴位移

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汽轮机非驱动端振动 汽轮机驱动端振动 汽轮机轴位移

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汽轮机非驱动端振动 汽轮机驱动端振动 汽轮机轴位移

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汽轮机非驱动端振动

汽轮机驱动端振动

汽轮机轴位移

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图3 压缩机振动和位移

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2019.11.13

2019.11.16

2019.11.19

2019.11.22

2019.11.25

2019.11.28

2019.12.1

2019.12.4

2019.12.7

轴位移/mm

轴振动/mm

压缩机非驱动端轴振动 压缩机驱动端轴振动 压缩机轴位移

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2019.11.10

2019.11.13

2019.11.16

2019.11.19

2019.11.22

2019.11.25

2019.11.28

2019.12.1

2019.12.4

2019.12.7

轴位移/mm

轴振动/mm

压缩机非驱动端轴振动 压缩机驱动端轴振动 压缩机轴位移

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2019.11.10

2019.11.13

2019.11.16

2019.11.19

2019.11.22

2019.11.25

2019.11.28

2019.12.1

2019.12.4

2019.12.7

轴位移/mm

轴振动/mm

压缩机非驱动端轴振动 压缩机驱动端轴振动 压缩机轴位移

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2019.11.10

2019.11.13

2019.11.16

2019.11.19

2019.11.22

2019.11.25

2019.11.28

2019.12.1

2019.12.4

2019.12.7

轴位移/mm

轴振动/mm

压缩机非驱动端轴振动 压缩机驱动端轴振动 压缩机轴位移

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

0.050

0.045

0.040

0.035

0.030

0.025

0.020

0.015

0.010

0.005

0

轴振动 /μm

轴位移 /mm

2019/11/10

2019/11/13

2019/11/16

2019/11/19

2019/11/22

2019/11/25

2019/11/28

2019/12/01

2019/12/04

2019/12/07

压缩机非驱动端轴振动

压缩机驱动端轴振动 压缩机轴位移

时 间

轮机和压缩机的振动报警值和联锁值,表明0.45 MPa

蒸汽驱动透平压缩机能满足工艺要求,运行良好。

4   余热蒸汽驱动透平压缩机节能分析

在首套芳烃装置中异构化循环氢压缩机 K701

采用了3.5 MPa蒸汽驱动透平,而在新建芳烃装置

中异构化循环氢压缩机 K2701 采用了 0.45 MPa 蒸

汽驱动透平。若要计算K2701对比K701的节能降

耗情况和创造效益情况,首先需计算出3.5 MPa蒸

汽驱动透平压缩机的效率η1,从而推导出K2701采

用3.5 MPa蒸汽驱动透平需要消耗的蒸汽量Q2;再

得出将K2701的0.45 MPa蒸汽用量送去发电的发电

量W;最后通过3.5 MPa蒸汽和0.45 MPa蒸汽能耗

系数算出优化后的节能情况,并通过发电量和 3.5

第27页

2023 年.第 6 期 尹志炜.芳烃装置余热蒸汽透平压缩机节能应用 - 23 -

表 3 工艺运行及设备设计参数

项目 数值 项目 数值

3.5 MPa 透平进汽压力 / MPa 3.3 0.45 MPa 透平进汽压力 / MPa 0.41

3.5 MPa 透平进汽温度 /℃ 358 0.45 MPa 透平进汽温度 /℃ 190

3.5 MPa 蒸汽焓值 /(kJ/kg) 3 126.26 0.45 MPa 蒸汽焓值 (/ kJ/h) 2 831.38

k701 透平凝结水温度 / ℃ 42 k2701 透平凝结水温度 /℃ 45

k701 透平凝结水焓值 /(kJ/kg) 176.41 k2701 透平凝结水焓值 /(kJ/kg) 176.41

k701 蒸汽用量 Q1/(kg/h) 18 900 k2701 蒸汽用量 Q2(/ kg/h) 75 000

k701 汽轮机功率 P1 / kW 5 477 k2701 汽轮机功率 P2/kW 8 210

0.45 MPa 蒸汽透平效率 η2,% 14

表 4 采用 0.45 MPa 蒸汽驱动汽轮机能耗和效益对比

项目 用气量 /(t/h) 能耗系数 /

(kgEO/t)

节约能耗 /

(kgEO/t PX)

发电量 /

(kW·h) 单价 / 元 创造效益 /

(万元 / 年)

若将 0.45 MPa 蒸汽去发电 75 -0.23 -17.99 7 707 -0.60 -3 699.36

采用 3.5 MPa 蒸汽驱动 28.3 88 25.28 – 173 3 916.72

采用 0.45 MPa 蒸汽驱动 – – 7.29 – – 217.36

注:PX 产量按 98.5 t/h 计算,每年按 8 000 h 计算

5  应用中遇到的问题及对策

5.1   吸附系统和异构化系统发生波动易相互影响

抽出液塔和抽余液塔顶的蒸汽发生器,在产生

0.45 MPa蒸汽后经加热炉过热送至异构化压缩机和

发电机驱动透平做功,当抽余液塔或抽出液塔波动

时,容易造成蒸汽管网波动。而蒸汽管网的波动容

易造成异构化循环氢压缩机操作不稳,严重时引发

异构化压缩机停车,从而造成整个异构化反应系统

的停车。反之,当压缩机故障停机时,将造成蒸汽

管网压力升高,从而造成抽余液塔和抽出液塔压升

高,若控制不好容易造成解吸剂污染,从而导致PX

产品纯度和收率的降低。

对策:(1)加强抽余液塔回炼物料的脱水管理,

严防回炼物料带水。

(2)抽余液塔和抽出液塔稳定操作,避免塔压

大幅波动。

(3)加强压缩机的管理、维护、隐患排查治理,

保证机组长周期运行。

5.2   0.45 MPa 蒸汽管网易带水

0.45 MPa蒸汽温位低,蒸汽品质差,加热炉过

热段易积灰,过热不充分,0.45 MPa蒸汽管网过热

后经常带水,若水随蒸汽进入汽轮机将损伤汽轮机

叶片。

对策:(1)加强蒸汽管网在加热炉前和加热炉

后疏水管线的疏水,严防蒸汽管网带水。

(2)加强汽轮机入口分液包的脱水。

5.3   低低压蒸汽驱动透平非正常工况时驱动力不够

0.45 MPa 蒸汽驱动的透平压缩机,因蒸汽品

质和温位都比较低,造成汽轮机效率较低,蒸汽消

耗量也较大。当汽轮机在非正常工况,如催化剂再

生、氮气工况时,因系统的气体分子量远大于正常

工况时氢气分子量,导致即使汽轮机主汽门全开,

压缩机推动力依然不够,无法满足工艺要求。

具体措施:(1)适当提高抽出液塔和抽余液塔

顶温位,增加蒸汽取热量,提高蒸汽温位。

(2)减少进发电机蒸汽量,适当提高0.45 MPa

蒸汽管网压力。

(3)在非正常工况运行时,工艺允许条件下尽

量降低反应系统压力。

6   结论

新建芳烃装置采用 0.45 MPa 蒸汽驱动透平压

第28页

- 24 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

缩机组,运行数据稳定,机组运行工况良好,优化

了全厂蒸汽平衡,满足工艺需求,同时降低了芳烃

装置能耗,为芳烃装置创造效益。但也存在吸附与

异构化系统之间相互影响、蒸汽管网容易带水、氮

气工况驱动力不足的问题。装置之间关联度的进一

步提高,对装置工艺操作和工艺管理提出了更高要

求,对生产中波动调整和异常处理带来了更严格的

考验。采用余热蒸汽驱动透平压缩机组,实现了最

初设计目标,在绿色低碳、节能降耗方面提供了示

范案例,为芳烃装置在绿色低碳方向上的探索做出

了贡献。

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技术与工程,2011,41(11):50-53.

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[J].节能技术,2011,29(1):61-65.

Energy-saving Application of Steam Turbine Compressor

with Waste Heat in Aromatics Unit

Yin Zhiwei

(SINOPEC Hainan Refining and Chemical Co., Ltd,Yangpu,Hainan 578101,China)

Abstract: With more attention to energy conservation and environmental protection in petrochemical

enterprises, the recovery and utilization of large amount of low-temperature waste heat become the exploration

direction of energy conservation and environmental protection in aromatics unit. New aromatics unit are greatly

optimized in recent years, which further reduces the energy consumption and improves the competitiveness. For the

first time, 0.45 MPa steam produced by low temperature waste heat is used to drive the isomerization cycle hydrogen

compressor, optimizes the process of waste heat steam, improves the utilization ratio of waste heat steam, and further

reduces the energy consumption of aromatics unit.

Keywords: energy saving;aromatics unit;waste heat;turbine application

第29页

摘  要:该文以某厂生物柴油生产装置中的甲醇回收单元为考察对象,采用热集成多效精

馏工艺对现装置进行模拟优化。在此基础上,分别对选用不同工艺下的综合经济

效益及CO2排放量进行计算分析;对比发现热集成多效精馏工艺的年投资总费用

较常规流程低28.33%,碳排放量也比常规流程低41.06%,热集成多效精馏节能降

耗效果明显。

关键词:多效精馏 生物柴油 甲醇回收 热集成 节能降耗

多效精馏在甲醇回收工艺中的应用

李凯

(长岭炼化岳阳工程设计有限公司,湖南岳阳 414000)

收稿日期:2023-05-07

作者简介:李凯,硕士,工程师。目前从事石油炼制、

精细化工装置类工程设计工作。通讯联系人:李凯,

lk20190204@126.com。

生物柴油是一种环保的绿色能源,在世界多

国都引起了高度重视 [1–2]。目前真正用于生物柴油

工业生产并具备实用价值的生产方法主要是化学法

[3]。化学法生产生物柴油的工业步骤主要有油脂醇

解反应,包括甘油酯的酯交换反应和脂肪酸的酯化

反应、循环甲醇的回收、粗脂肪酸甲酯的提纯、甘

油提纯[4]。在甲醇的精馏回收工艺中,现阶段工业

生产中多采用常规常压精馏的方式[5]。因此,通过

合理的技术手段优化甲醇精馏工艺,提高装置节能

效益效果明显。尤其是当前国内明确“碳达峰”和

“碳中和”的发展目标后,蒸汽、电等多种公用工

程价格持续上涨 [6]。采取高效、可行的节能措施,

不仅可以降低企业的运行成本,同时也可以增强该

装置的产品竞争力,为企业的优良发展提供强有力

的保障措施。

结合项目实例,采取热集成的精馏方法,通

过Aspen Plus软件进行流程模拟计算,并通过HTRI

Xchanger Suite及Aspen EDR等软件对相关设备进行

计算,从经济效益、能耗和CO2排放等多个方面进

行分析,获取新工艺可行性及节能降耗的理论依据。

1   工艺优化原理

热集成多效精馏主要是通过扩展分离流程,

以多塔精馏代替单塔精馏,充分利用高压塔的塔

顶气相潜热,有效实现能量的回收利用,减少精

馏过程中的热量损失,同时还可以提高装置的经济

效益[7]。

热集成多效精馏是在常规变压精馏的基础上进

行热量有效集成的技术,由多个操作压力不同的塔

组成,且塔的操作压力依次降低,并将前塔的塔顶

蒸汽作为后塔的重沸器热源,而第一个塔则采用额

外的热源加热,如蒸汽、导热油[8]。

热集成多效精馏中最简单的方式是由两塔组

成,主要根据操作体系的相对挥发度、进料组成及

状态分布、现有厂区的公用条件等多种因素来确定

多效精馏的流程及操作条件[9]。尤其是在操作压力

的选取上,过高的操作压力会导致塔釜温度升高,

对于热敏性物质还会有产生分解、聚合或结焦的可

能;同时,过高的操作压力还会提高设备的材质要

求,增加装置的设备投资费用。

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 过程优化 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第30页

- 26 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

2   基础数据与评价指标

2.1   基础数据

以某生物柴油生产装置的基础数据为设计依

据,油脂醇解反应后的出口产物流量为17 300 kg/h,

其中甲醇占比 26%,水占比 1%,游离脂肪酸占比

1%,丙三醇占比1%,脂肪酸甲酯占比68%,脂肪

酸甘油酯占比1%,其他重质油占比2%;循环甲醇

蒸汽流量为5 200 kg/h,其中甲醇占比91%,水占比

5%,脂肪酸甲酯占比4%。现装置甲醇回收单元对

甲醇回收采用单塔常压操作,要求回收甲醇的纯度

达到99.9%以上,回收率在99%以上。

2.2   经济评价指标

工艺优化后,为了更加客观的分析比对两种工

艺,参考Douglas经济计算模型[10],基于综合经济

效益即年总费用最小化作为两种工艺的评价指标。

其中年总费用主要包括设备费用和操作费用,计算

公式如下:

TAC=CV+

FCI

P (1)

式中:TAC为年总费用,元/a;FCI为固定设备

投资费用,元,包括精馏塔、换热器及其他设备费

用(购买费及安装费);CV为操作费用,元/a,包

括循环水、电及蒸汽;P为投资回收期,a;为简化

计算,仅考虑部分主要设备及公用工程消耗的投资

费用,忽略诸如罐、泵、阀门、管件、管道等低成

本设备。

2.3   环境评价指标

根据科技部、国家发改委等9部门发布的《科

技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030 年)》

相关政策,CO2 排放量成为环境评价的一个重要

指标。依托《石油化工设计能耗计算标准》(GB/T

50441–2016)、《综合能耗计算通则》(GB/T 2589–

2020)及《温室气体排放核算与报告要求 第10部分:

化工生产企业》(GB/T 32151.10–2015)等标准中的

能耗指标,对该文中的公用工程进行能耗折算。

3   流程模拟与结果

采用Aspen Plus软件进行流程模拟计算。由于

进料物中存在大量的甲醇、水和丙三醇等非理想极

性物质,选用NRTL为物性计算方法。

图 1(a)为现有装置甲醇回收单元所采用的

工艺流程,采用单塔操作,通过常压精馏对反应后

物料中的甲醇进行回收,其中精馏塔顶气相产品直

接冷却至40 ℃后回收,塔底直接使用1.0 MPa(G)

过热蒸汽作为重沸器热源,该操作方式不利于能源

的回收利用。图1(b)为优化后工艺示意流程,采

图1 工艺流程示意

(a)优化前 (b)优化后

99.9%

B

99.9%

B

99.9%

B

4% 91% 5%

A B D

4% 91% 5%

A B D

68% 26%

2%

1%

A BC D

68% 26%

2%

1%

A BC D

0.2% 90% 3.3%

2.6%

B A C D

0.2% 90% 3.3%

2.6%

B A C D

流量单位:kg/h

质组成代号

A:脂肪酸甲酯

B:甲醇

C:重质油

D:水介

E-101

E-203 E-202

E-201 E-204

T-201 T-202

T-101

E-102

E-205

A-101

A-201

13 300

17 300

5 200

3 750

18 750

5 200

9 375

13 125 12 807.5

7 357.5

5 450

19 320

10 120 9 200

13 300

17 300

第31页

2023 年.第 6 期 李凯.多效精馏在甲醇回收工艺中的应用 - 27 -

用两塔式热集成多效精馏,其中 T–201 为高压塔,

塔顶饱和甲醇气直接作为低压塔T–202的重沸器热

源,充分利用甲醇气的潜热,换热后的甲醇液与进

料充分换热后部分回流,剩余部分通过循环水冷凝

后直接外送,低压塔T–202按单塔的操作模式对原

料中的剩余甲醇进行回收。相关模拟操作参数见表

1,模拟结果见表2,产品指标见表3。

馏。由表2~3可知,优化流程后没有降低甲醇的回

收指标,但有效降低了装置的蒸汽耗量及用电量。

4   经济性评价及能耗分析

该文以Aspen Plus软件的模拟数据为依据,通

过HTRI Xchanger Suite及Aspen EDR等软件对相关

设备进行选型计算,选型结果见表4。

表 1 两种流程的操作参数

项目

常规流程 优化流程

甲醇回收塔 高压甲醇

回收塔

低压甲醇

回收塔

塔径 /mm 1 800 1 400 1 600

塔高 /mm 22 700 22 700 19 300

塔顶操作压力 /

MPa(G) 0.07 1.4 0.07

塔顶温度 /℃ 78 153 78

塔底温度 /℃ 123 160 121

回流比 1.1 2.5 1.35

塔型 填料塔 填料塔 填料塔

塔内件 BX 金属丝网

填料

BX 金属丝网

填料

BX 金属丝网

填料

表 2 两种流程的模拟结果

项目

常规流程 优化流程

甲醇回收塔 高压甲醇

回收塔

低压甲醇

回收塔

再沸器负荷 /kW 4 592 2 690 3 128

空冷器负荷 /kW 6 087 – 4 107

冷凝器负荷 /kW 367 794;245 170

循环水耗量 /(t/h) 31.75 21.12 14.69

电耗量 /kW·h 84.78 – 56.48

蒸汽耗量 (/ t/h) 7.91 4.63 –

表 3 两种流程的产品质量

项目 常规流程 优化流程

精制甲醇量 /(t/h) 9 200 9 200

精制甲醇纯度,% 99.9 99.9

甲醇回收率,% 99.0 99.0

由表1可知,在原有流程的基础上新增一个高

压塔,将塔顶操作压力定位为 1.4 MPa(G)即可

形成有效的热集成传热温差,两塔式热集成多效精

表 4 相关设备选型

方案 设备 数量 类型

操作温度 / ℃

型号 换热面积

进口 出口

常规流程

E-101 1 BKU 管:220

壳:95

管:184

壳:122 Փ700/1 400 mm×6 000 mm 220

E-102 1 BEU 管:32

壳:55

管:42

壳:40 Փ500 mm×6 000 mm 100

A-101 6 鼓风式 78.5 55 GP9×3-6-193-1.6S-23.4/DR-II –

优化流程

E-201 1 BJU 管:220

壳:160

管:184

壳:163 Փ800 mm×6 000 mm 282

E-202 2 BEU 管:70

壳:151

管:130

壳:105 Փ500 mm×4 000 mm 134

E-203 1 BEU 管:105

壳:32

管:40

壳:42 Փ400 mm×3 500 mm 42

E-204 1 BKU 管:153

壳:95

管:153

壳:121 Փ800/1 400 mm×6 000 mm 300

E-205 1 BEU 管:32

壳:55

管:42

壳:40 Փ400 mm×6 000 mm 63

A-201 4 鼓风式 78.5 55 GP9×3-6-193-1.6S-23.4/DR-II –

第32页

- 28 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

经济性评价依托Douglas经济计算模型[6],该

项目主要计算的固定设备费含精馏塔、换热器及空

冷器,其中精馏塔的费用计算公式如下:

TF=113 000D1.066H0.802 (2)

式中:TF 为精馏塔费用,元;D 为塔径,m;

H为塔高,m;详细参数由Aspen Plus计算出,结果

见表1。

换热器的费用计算公式如下:

HF=467 00A0.65 (3)

式中:HF为换热器费用,元;A为换热器的面

积,m2

,详细参数结果见表4。

空冷器费用参考某空冷器制造厂商报价,详见

表5。

操作费用即为低压蒸汽、循环水和电,该类费

用以某炼厂的价格为计算依据,其中低压蒸汽按照

150 元 /t 计算,循环水按照 0.25 元 /t 计算,电按照

0.62元/度计算,同时操作时间按8 000 h/a考虑,设

备的投资回收周期按5年考虑。

详细的TAC计算结果见表5,由表5可知优化

后方案的 TAC 值比优化前低了 28.33%。该结果表

明,虽然优化后的流程增加了固定设备投资费用

4 086 086元,但热集成多效精馏有效地减少了装置

的公用工程耗量,降低了操作费用4 068 248元/a,

是更加经济型的操作方式。综上所述,优化后的流

程更优。

根据表2中模拟所得的结果,依据《石油化工

设计能耗计算标准》(GB/T 50441–2016)及《综

合能耗计算通则》(GB/T 2589–2020)及《温室气

体排放核算与报告要求 第10部分:化工生产企业》

(GB/T 32151.10–2015)标准中的相关指标,对优化

前后的甲醇回收流程进行能耗计算,详细能耗参数

见表 6。由表 6 可知,当达到同样的处理量和分离

精度时,采用热集成多效精馏工艺后的节能效果明

显,优化后流程的能耗及CO2排放量比常规流程低

41.06%。

表 5 两种方案的 TAC 计算结果

方案 设备 设备费用 /

操作费用 /

(元 /a)

投资回

收期 /a

TAC/×104

(元 /a)

常规

流程

T-101 2 586 614 – – –

E-101 1 555 577 9 492 000 – –

E-102 931 788 63 500 – –

A-101 2 400 000 420 509 – –

合计 7 473 979 9 976 009 5 1 147

优化

流程

T-201 1 978 717 – – –

T-202 2 003 029 – – –

E-201 1 828 011 5 556 000 – –

E-202 1 127 029 – – –

E-203 530 187 42 240 – –

E-204 1 903 030 – – –

E-205 690 062 29 380 – –

A-201 1 500 000 280 141 – –

合计 11 560 065 5 907 761 5 822

表 6 能耗分析

方案 项目

消耗量 能耗折算值 总能耗 单位能耗 碳排放因子 碳排放量

单位 数量 单位 数量 kgEO/h kgEO/t 单位 数量 kgCO2e/h

常规流程

循环水 t/h 31.75 kgEO/t 0.06 1.91 0.08 kgCO2e/t 0.21 6.67

电 kW·h 84.78 kgEO/kW 0.22 18.65 0.83 kgCO2e/ kW 0.78 66.13

蒸汽 t/h 7.91 kgEO/t 76 601.16 26.72 kgCO2e/t 270 2 135.70

合计 – – – – 621.72 27.63 – – 2 208.5

优化流程

循环水 t/h 35.81 kgEO/t 0.06 2.15 0.10 kgCO2e/t 0.21 7.52

电 kW·h 56.48 kgEO/kW 0.22 12.43 0.55 kgCO2e/ kW 0.78 44.05

蒸汽 t/h 4.63 kgEO/t 76 351.88 15.64 kgCO2e/t 270 1 250.10

合计 – – – – 366.45 16.29 – – 1 301.67

注:甲醇回收单元总进料量按 22.5 t/h 计算。

第33页

2023 年.第 6 期 李凯.多效精馏在甲醇回收工艺中的应用 - 29 -

5   结论

该文基于常规精馏法和热集成多效精馏法模拟

了生物柴油甲醇回收单元的部分工艺流程,以TAC

为目标函数对比了两方案的经济性,以单位能耗及

碳排放量对两方案做了能耗比对分析,得出了以下

结论:

(1)采用热集成多效精馏工艺,不会降低油脂

甲酯化反应后甲醇的回收量及回收指标。

(2)对比两种精馏方案,发现热集成精馏方案

的 TAC 比常规流程低 28.33%,具备更好的经济效

益。

(3)对比两种精馏方案,发现热集成精馏方案

的能耗及 CO2排放量比常规流程低 41.06%,有效

降低装置的运行成本,且更加具备装置低碳运行的

能力。

参考文献

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进展[J].农机化研究,2010,32(07):213-216.

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New York:McGraw-Hill,1988.

Application of Multi-effect Distillation in Methanol Recovery Process

Li Kai

(Changling Petro-chemical Engineering Design Co., Ltd,Yueyang,Hunan 414000,China)

Abstract: The methanol recovery unit in an existing biodiesel plant was optimized in this paper by using a

thermally integrated multi-effect distillation process. The comprehensive economic benefits and CO2 emissions were

calculated and analyzed under different processes. By comparison, it was found that the total annual investment cost

of heat integrated multi-effect distillation process is 28.33% lower than the conventional process, and the carbon

emission is also 41.06% lower than the conventional process, which directly reflects that heat integrated multi-effect

distillation is an important energy-saving and consumption reduction pathway.

Keywords: multi-effect distillation;biodiese;methanol recovery;heat integration;energy saving

第34页

摘  要:为分析复合材料浮盘结构参数对浮盘力学性能的影响,以玻璃钢板—聚丙烯蜂窝

芯制成的蜂窝梁为模型,基于有限元建模和实验测试,对比了蜂窝梁在横力弯曲

时的变形曲线,验证了有限元模型的正确性。在此基础上对蜂窝梁的有限元模型

进行了参数化,分析了蜂窝高度和蜂窝壁厚参数对蜂窝梁力学性能的影响。结果

表明,蜂窝的高度主要影响蜂窝梁的应力和抗弯刚度,蜂窝的壁厚主要影响蜂窝

的抗剪切性能。

关键词:储罐 浮盘 复合材料 结构参数 力学性能

浮顶储罐复合材料浮盘结构参数

对力学性能影响研究

甄永乾,程庆利,李亮亮,杨珂,王洁,李荣彬

(中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266071)

在油品储运环节,油品进出油罐以及环境昼夜

温差都会导致储罐内部气相空间压力变化,产生储

罐大小“呼吸”[1–2]。储罐“呼出”的油气不但污

染环境,也导致大量油品损耗 [3–5]。浮盘是立式储

罐中随罐内液位上下浮动的盘状装置,其通过隔绝

空气与罐内介质来减少蒸发空间,是抑制储罐内介

质挥发损耗的重要措施 [6–8]。据调查研究,浮盘的

应用能够降低储罐因大小“呼吸”产生的95%以上

的油品损耗。

随着国家对环境保护力度加大,国务院相继发

布了“大气十条”等环保文件,油气储运过程中的

挥发性有机物(VOCs)挥发问题是治理重点。根

据生态环境部《关于加快解决当前挥发性有机物治

理突出问题的通知》(环大气〔2021〕65号)的要

求,对于储存汽油、航空煤油、石脑油以及苯、甲

苯、二甲苯等内浮顶罐罐顶气未收集治理的,宜配

备新型高效浮盘与配件,选用“全接液高效浮盘+

二次密封”结构[9]。其中,全接液高效浮盘包括不

锈钢焊接装配式全接液高效浮盘、铝合金装配式全

接液高效浮盘、玻璃钢全接液高效浮盘等。为积极

响应国家政策,国内石油石化企业面临储罐浮盘升

级改造的迫切需求。

目前,浮盘主要材质为钢或铝的金属浮盘,具

有较高强度;但耐腐蚀程度较弱,如全接液铝浮盘

因浮箱焊缝口腐蚀开裂、浮盘拼缝、钢浮盘腐蚀穿

孔等,造成罐内储存介质挥发量增大,甚至导致卡

盘、沉盘问题[10–13]。近年来随着复合材料技术的发

展,复合材料浮盘具有较强的抗腐蚀性能。通过对

玻璃钢基体树脂阻燃特性改造,浮盘具备耐火测试

2 h不发生沉盘的能力,在5 000 m3

以下浮顶储罐中

展现出一定的应用前景[14-16]。浮盘结构影响浮盘的

整体安全性,但复合材料浮盘技术在我国尚处于起

步应用阶段,国内对其结构安全性研究较少。鉴于

此,该文通过分析复合材料浮盘结构与受力特点,

研究复合材料浮盘潜在失效形式,为复合材料浮盘

开发、优化及浮盘应用管理提供参考依据。

收稿日期:2023-02-13

作者简介:甄永乾,硕士,高级工程师。现从事油品

储运技术工作。通讯联系人:甄永乾,420672933@

qq.com。

基金项目:中国石化科技部项目(32**58)。

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 过程优化 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第35页

2023 年.第 6 期 甄永乾,等.浮顶储罐复合材料浮盘结构参数对力学性能影响研究 - 31 -

1   复合材料浮盘

复合材料浮盘由多个浮盘浮力单元拼接而成,

结构示意见图1。浮盘浮力单元主要由上板、蜂窝

夹层和下板胶合而成。当浮盘表面承受载荷时,上、

下板主要承受弯曲正应力,蜂窝夹层主要承受剪应

力。其中,上、下板一般采用弹性模量和拉压强度

较大的玻璃钢复合材料;蜂窝夹层采用重量轻、剪

切强度高的蜂窝聚丙烯材料。通过在两块板之间设

置蜂窝夹层,提高了浮盘整体结构的惯性矩和抗弯

刚度,从而提升其抗弯强度和抗挠曲变形能力。

2   浮盘受力状态分析

根据GB50341–2014《立式圆筒形钢制焊接油

罐设计规范》要求,浮盘在支撑状态和漂浮状态下,

内浮顶上任何部位均应能承受在0.1 m2

范围内不小

于2.2 kN的集中活载荷。在承载该载荷时,要求浮

盘应具有足够强度和刚度,防止其材料破坏或变形

过大。此外,浮盘运行过程中,过大的受力变形会

影响浮盘的边缘密封,因此浮盘运行时要求其受力

变形远小于浮盘厚度,因此浮盘在集中载荷下的受

力问题可视为薄板的小挠度弯曲问题。

浮盘有限元模型承受局部载荷时的挠曲变形示

意见图2。由于浮盘支腿均匀分布,浮盘在局部载

荷作用下的影响区域仅为以支腿为连线的封闭区域

内,其他区域基本不受影响。

根据薄板小挠度弯曲理论,浮盘在挠曲变形

时所受主要应力为弯曲正应力和扭转剪应力,次要

应力为横向剪应力和载荷对浮盘表面的压应力。一

般来说,薄板的强度校核主要根据弯曲正应力计算。

其中,浮盘挠曲变形时的主要应力及其分布如图 3

所示。

图2 浮盘承受局部载荷时的挠曲变形

图3 浮盘挠曲变形时的主要应力及其分布

图1 复合材料浮盘单元示意

下板

蜂窝夹层

上板

应力公式如式(1)和(2)所示。

fi

fi

fi

ff

fi

fi

fi

ffl

ffi

= fl

= fl

= fl

z t

12M

z t

12M

z t

12M

3

xy

xy

3

y

y

3

x

τ

σ

σ x

(1)

fi

fi

fi

ff

fi

fi

fi

ffl

ffi

 fl





˄ ˅˄ ˅

˄ ˅

˄ ˅

t

z 1

t

z

-

2

1 -2q

-z 4

t

t

6F

-z 4

t

t

6F

2

z

2

2

3

Sy

yz

2

2

3

Sx

xz







(2)

式中:σx、σy和τxy为薄板的主要应力;τxz、τyz、

和σz为次要应力;Mx、My为侧面的弯矩,Mxy为侧

面的扭矩,FSx为侧面的剪力,q 为表面上的压力;

由于板状或盘状构件的强度难以用实验方法精确测

试,根据梁的横力弯曲可知,薄板弯曲应力公式中

的 σx和 τxz即为梁受横力弯曲时的弯曲正应力和横

第36页

- 32 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

向剪应力。薄板的小挠度弯曲就是将梁的横力弯曲

拓展到二维结构的挠曲变形,因此分析梁的横力弯

曲,可以反映结构相同薄板的受力情况。通过对蜂

窝梁结构的分析,获取蜂窝梁参数变化时对结构受

力的影响,能够应用于蜂窝浮盘的结构设计中。

3   浮盘蜂窝结构有限元分析与实验验证

首先采用有限元对蜂窝梁结构建模,并对有限

元模型在常温常压下进行三点弯曲数值模拟分析。

再按照有限元模型尺寸制作蜂窝梁实验试样进行测

试,验证有限元模型的正确性。

3.1   蜂窝梁有限元建模与三点弯曲模拟

1 200 mm×100 mm×100 mm的蜂窝梁三维及

有限元模型见图4。在该模型中,由于蜂窝都是薄

面片,若采用Solid单元建模,划分网格时需在面片

厚度方向至少划分2个网格,会因过细的网格密度

导致计算量很大,甚至无法计算。基于此,有限元

仿真模型全部采用6自由度的Shell181单元,并在

ANSYS workbench中手动定义壳厚度。其中,所有

的蜂窝面片厚度调节基于middle方式,两侧的玻璃

钢面片厚度调节采用top和bottom方式,即根据实

际情况调整面片,使厚度方向向外侧增加。

表 1 蜂窝梁三点弯曲数值模拟结果

压力 /kN 2 4 6 8

最大变形(mm) 8.8 17.6 26.5 35.3

图6 蜂窝梁三点弯曲测试

图4 蜂窝梁结构及其有限元模型

固定约束

位移约束

其中上、下板为玻璃钢复合材料,蜂窝夹层为

聚丙烯材料,玻璃钢弹性模量8 GPa,聚丙烯弹性

模量0.89 GPa。蜂窝梁一侧底面固定约束,另一侧

底面滑动约束,在梁的中心区域施加载荷,使其发

生弯曲变形,分析其应力和变形情况。

蜂窝梁中心区域添加4 kN和8 kN的载荷时蜂

窝梁三点弯曲数值模拟示意见图5。可以看出,随

着载荷增大,蜂窝梁变形越来越大,其中蜂窝梁中

心位置变形最大。

表1是蜂窝梁中心区域施加不同载荷时对应的

最大垂直变形。随着压力增大,蜂窝梁的最大变形

逐渐增大,且大致呈线性关系。

3.2   蜂窝梁三点弯曲实验

根据有限元模型制作大尺度蜂窝梁三点弯曲实

验试样,采用MTS电子万能试验机对蜂窝梁试样进

行三点弯曲测试,过程见图6。电子万能试验机压

头位于实验试样的中心位置,压头下压移动速率为

5 mm/min,直到蜂窝梁发生破坏,实验过程中记录

压头压力与位移之间的实时数据。

图5 蜂窝梁三点弯曲数值模拟结果

35.315

31.391

27.467

23.543

19.62

15.696

11.772

7.8478

3.9239

0

8 kN 压力变形

分析 /mm

17.658 Max

15.696

13.734

11.772

9.8098

7.8478

5.8859

3.9239

1.962

0 Min

4 kN 压力变形

分析 /mm

实验过程中,蜂窝梁在压头压力下逐渐变形。

压头压力达到8 kN时,蜂窝结构发生剪切破坏,随

后下板玻璃钢与蜂窝的粘合界面发生剥离,上板和

下板玻璃钢未见破坏迹象。

3.3   数值分析与实验结果对比

有限元仿真与实验测试的压力位移曲线对比详

见图7,其中位移即压头的位移和蜂窝梁中心的垂

直变形值。由图可知,虽然蜂窝梁是各向异性和空

心结构,但其与各项同性材料组成的实体梁结构具

第37页

2023 年.第 6 期 甄永乾,等.浮顶储罐复合材料浮盘结构参数对力学性能影响研究 - 33 -

有相同的弹性变形阶段,在该阶段内,压力位移曲

线近似为一条直线。当压力小于 3 kN 时,蜂窝梁

仿真分析与实验测试结果完全一致;当压力在3~7

kN时,两者最大误差为6.8%。

根据理论分析与实验测试对比结果,说明在小

挠度弯曲时,蜂窝梁有限元模型能够真实反映蜂窝

梁弯曲时的受力情况。

4   蜂窝参数对蜂窝梁力学性能的影响分析

为探索蜂窝结构尺寸参数对蜂窝梁挠曲时应力

和变形的影响,将蜂窝梁有限元模型参数化。根据

当前国外公布的参数,蜂窝梁蜂窝六边形的边长设

为定值8 mm,将蜂窝梁壁厚和高度设为可变参数。

其中,蜂窝壁厚t,蜂窝高度h。对其进行三点弯曲

仿真分析,获得不同参数时的蜂窝梁三点弯曲的应

力及弯曲变形值。

4.1   应力分析

由于蜂窝梁为上下对称结构,因此上板应力与

下板应力基本相等。蜂窝壁厚及高度变化对蜂窝梁

应力影响曲线见图 8(a),可以看出蜂窝壁厚 t 在

0.2~1.2 mm变化时,下板的应力几乎没有变化;当

蜂窝壁厚为0.2 mm、高度h从6 cm到10 cm变化时,

下板的应力变化很大,从17.8 MPa降到10.5 MPa。

这是由于与增加蜂窝壁厚相比,增加蜂窝高度能够

极大提高蜂窝截面惯性矩,从而快速提高梁的抗弯

性能。

如图8(b)所示,蜂窝梁高度变化时,对蜂窝

结构应力影响较小,且随着蜂窝高度逐渐增加,应

力和挠度的敏感性降低;蜂窝壁厚从 0.2 mm 增加

到 0.6 mm 时,蜂窝上的应力大大降低;蜂窝壁厚

从0.6 mm增加到1.2 mm时,蜂窝上的应力变化较

小。由于蜂窝梁三点弯曲时,蜂窝夹层主要承受剪

应力,剪应力的大小与蜂窝壁的截面积直接相关。

出现这种情况的原因为材料的非线性变形。当

压力小于3 kN时,蜂窝梁发生小挠度变形,此时其

聚丙烯和玻璃钢材料都处于弹性变形范围内,弹性

模量为常量,有限元节点的几何矩阵为常数矩阵,

有限元模型的刚度矩阵也为常数矩阵;当压力大于

3 kN时,蜂窝梁的部分聚丙烯板面发生了很小的塑

性形变或较大的几何变形,弹性模量不再为常量,

有限元节点的几何矩阵不再为常数矩阵,此时这部

分材料处于材料非线性或几何非线性变形阶段,从

而导致实际的蜂窝梁弯曲实验结果不再按照线性方

式变化。蜂窝结构浮盘设计时,要求所有材料都处

于小挠度的线性弹性变形范围内,因此大于3 kN时

的非线性变形区域可不予考虑。

图7 有限元仿真与实验测试结果对比

8

6

4

2

0

压力 /kN

0 10 20 30 40 50 60 70

位移 /mm

实验结果

仿真结果

图8 蜂窝壁厚及高度变化对蜂窝梁应力影响曲线

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

下板应力 / MPa

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

蜂窝壁厚 /mm

(a) (b)

蜂窝高度 10 cm

蜂窝高度 6 cm 蜂窝高度 8 cm 12

10

8

6

4

2

0

下板应力 / MPa

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

蜂窝壁厚 /mm

蜂窝高度 10 cm

蜂窝高度 6 cm

蜂窝高度 8 cm

第38页

- 34 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

4.2   变形分析

蜂窝壁厚及高度变化对蜂窝梁挠曲变形影响见

图9。可以看出蜂窝壁厚增大时,蜂窝梁变形逐渐

减小,但减小幅度不大;而蜂窝梁高度变化时,蜂

窝梁的变形变化很大。这是由于蜂窝高度的增加能

够极大提升蜂窝梁的抗弯截面模量,从而提高蜂窝

梁的抗弯刚度,提高蜂窝梁的抗变形能力。

3974-3982.

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图9 蜂窝壁厚及高度变化对蜂窝梁变形影响曲线

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

挠曲变形 / mm

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

蜂窝壁厚 /mm

蜂窝高度 10 cm

蜂窝高度 6 cm

蜂窝高度 8 cm

增加蜂窝壁厚时,蜂窝重量急剧增大。因此蜂

窝浮盘设计时,应首先考虑蜂窝高度对整个蜂窝浮

盘强度和刚度的影响,在此基础上再设计合理的蜂

窝壁厚,使蜂窝结构满足应用时的剪切要求。

5   结论与建议

复合材料浮盘解决了传统金属浮盘不耐腐蚀及

结构拼缝问题,有效抑制储罐VOCs挥发,提高浮

盘整体使用寿命并减少浮盘检维修频次,符合当下

“双碳”战略的发展需求,具有广阔应用前景。鉴于

该浮盘在国内尚属新生事物,该文针对该浮盘的结

构和受力特性进行了分析,结果表明:蜂窝夹层的

高度能够显著影响截面惯性矩,对浮盘上、下板的

应力和浮盘挠曲变形具有决定性影响;当蜂窝壁厚小

于0.4 mm,横力弯曲时,蜂窝上的应力急剧增加。建

议浮盘设计时蜂窝高度大于8 cm,壁厚大于0.4 mm,

其整体结构应使浮盘受力时玻璃钢和聚丙烯同时达

到屈服极限,从而最大限度发挥材料的性能。

参考文献

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第39页

摘  要:评估乙烯驱动透平机组的能耗并提升乙烯驱动透平机组的效率,是乙烯装置节能

改造关键。该文介绍了针对某石化乙烯装置驱动透平能耗评估的方法,并提出国

产化替代方案。通过性能评估计算其内效率约为70%,低于现有平均水平。通过

对蒸汽透平进行高效通流设计、优化汽封以及动静叶结构等技术改造,提高驱动

透平能效水平。对比实施改造前后,汽耗率可降低15%左右,机组内效率提升效

果明显。

关键词:乙烯装置 蒸汽透平 能耗评估 节能改造 国产化替代技术

乙烯装置驱动国产化替代方案研究

朱明璋

(中石化节能技术服务有限公司,北京 100120)

收稿日期:2023-06-12

作者简介:朱明璋,硕士,工程师。目前主要从事能

量系统优化方面工作。通讯联系人:朱明璋,zhumz.

sem@sinopec.com。

乙烯工业被誉为石油化工“龙头”产业,其发

展状况总体上代表了一个国家石油化学工业的水平[1]。

近年来国家节能降碳的要求日益驱严,2021 年 10

月国家发改委针对石化化工领域专门发布《石化化

工重点行业严格能效约束推动节能降碳行动方案

(2021—2025年)》,提出到2025年,通过实施节能降

碳行动,炼油、乙烯、合成氨、电石行业达到标杆水

平的产能比例超过30%。根据GB 30250《乙烯装置单

位产品能耗限额》中对乙烯装置能效约束规定,新建

乙烯装置能耗不应高于640 kgEO/t。而蒸汽驱动透

平作为乙烯装置的重点高耗能设备,其效率的提高

是降低乙烯装置能耗的关键[2]。

工业汽轮机(又称蒸汽透平)具有良好的适应

性和明显的技术优势,包括驱动用汽轮机与自备电

厂发电用汽轮机,其中驱动用汽轮机广泛用于石油

炼制、石油化工、冶金等工业中。乙烯装置的生产

工艺中使用了大量的蒸汽驱动透平设备,如裂解气

压缩驱动透平、乙烯压缩驱动透平、丙烯压缩驱动透

平等,其过程中的蒸汽耗量约占乙烯装置生产总能耗

的10%~20%[3–4]。因此,通过合理应用工业汽轮机,

可以提高能源利用效果,有效实现节约能源目的。

该文针对某70万t乙烯厂的蒸汽驱动透平展开调研

和性能评估工作,并提出国产化的改造方案。

1   国内外驱动汽轮机技术发展现状

1.1   国外具备较高水平

国外的汽轮机生产厂商主要集中在美国、欧

洲、日本、俄罗斯等国家。其中,工业汽轮机作为

整个汽轮机行业的一部分,不少企业在生产一般电

站汽轮机的同时也生产工业汽轮机。目前工业汽轮

机可归纳为冲动式工业汽轮机和反动式工业汽轮机

两大体系,在生产、运行过程中积累了丰富的技术

经验,因此具有高转速、高效率和可靠性等优势,

其性能及可靠性等均己达到较高水平。

1.2   国产化技术水平与国际相当

我国工业汽轮机最初主要作为发电使用。近

年来随着发展革新已产生一大批技术精湛的服务商

和产品供货商。工业汽轮机的应用范围变得更加广

泛,在驱动方面的应用优势逐渐明显,通过提高其

运行效率可达到节能效果。这些国产化制造的工业

汽轮机长期运行表现优良,目前我国工业汽轮机的

生产技术与国际处于相同水平[2]。

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 过程优化 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第40页

- 36 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

为改良提升国内汽轮机性能,汽轮机的提效

节能技术也在不断发展中。汽轮机效率主要由机组

动静叶片决定。早期叶片设计较简单,都是基于

平面叶栅的二维设计;随着三元流理论的建立和发

展,汽轮机动静叶片开始向准三维和三维设计技术

发展,叶片效率大幅提升[5];近年来,数值计算等

技术促进了叶片设计进入了全流场和非定常精确设

计阶段,汽轮机通流效率有了进一步提高,因此通

流提效技术非常适用于现阶段的一些老旧设备节能

改造[6]。

2   驱动透平性能评估及原因分析

2.1   驱动透平性能评估方法

目前,驱动透平试验均按照 ASME PTC–6 中

的规定内容执行。与发电设备不同的是机械功率输

出的测量,应用吸收式测功计(反作用扭矩测量系

统)或传输式测功计(轴扭矩计)进行[7]。

驱动透平机组的效率计算见公式(1)[8]:

H0 –H2 ƞ= H0 –H2S

(1)

注:①各焓值采用工业用水和水蒸汽热力性质计算公

式IAPWS–IF97计算得到。

②该计算公式为国际通用效率公式。

式中:H0为主汽焓,kJ/kg,由主汽阀前蒸汽压

力 P0和温度 T0根据水蒸汽性质表查得;H2为排汽

焓,kJ/kg,由排汽口处蒸汽压力P2和温度T2根据

水蒸汽性质表查得;H2S为等熵排汽焓,kJ/kg,由

主汽阀前蒸汽压力P0和温度T0、排汽压力P2根据水

蒸汽性质表查得。

因凝汽式机组排汽口的湿蒸汽为汽液共存的混

合物,排汽焓及等熵排气焓无法依据排汽口处蒸汽

压力和温度直接得到,可按照ASME PTC-6的试验

方法通过迭代法测算[9]。

2.2   驱动透平当前性能评估

该文主要针对某石化企业乙烯装置中两台具有

代表性的背压式蒸汽驱动透平机组(A和B)进行

性能评估和节能改造分析。两台蒸汽透平的驱动介

质均为来自管网的11.0 MPa超高压蒸汽,其中A为

驱动裂解气压缩机蒸汽透平,B为丙烯压缩机蒸汽

驱动透平。根据调研获取的背压式驱动透平A和B

机组的实际运行数据进行性能分析,分析结果如表

1所示。

通过分析表1中背压式机组的参数可以得出如

下结论:

(1)裂解气压缩机驱动透平A的进汽量为16.85

t/h,排汽量为107.94 t/h偏差较大。参考A的原机组

设计数据,初步计算可知A的效率70.78%,根据排

汽量推算输出轴功率10 355.9 kW。

(2)丙烯压缩机的驱动透平 B 仅有进汽流量,

没有排汽流量。初步计算可知B的效率69.27%,根

据进汽量推算输出轴功率4 672.8 kW,推算的输出

轴功率高于设计值。对于运行多年的老机组而言,尽

管整套设备存在超发,但超发量明显偏大,由此可推

定目前的进汽流量存在较大偏差。

表 1 背压式驱动透平 A 和 B 参数

指标名称 单位 具体参数 指标名称 单位 具体参数

进汽压力 MPa(A) 11.09 进汽压力 MPa(A) 11.05

进汽温度 ℃ 480.79 进汽温度 ℃ 491.78

进汽流量 t/h 16.85 进汽流量 t/h 47.53

进汽焓 kJ/kg 3 308.72 进汽焓 kJ/kg 3 338.85

排汽压力 MPa(A) 1.65 排汽压力 MPa(A) 1.55

排汽温度 ℃ 270.58 排汽温度 ℃ 278.40

排汽焓 kJ/kg 2 963.33 排汽焓 kJ/kg 2 984.92

效率 % 70.78 效率 % 69.27

输出功率(预估) kW 10 355.90 输出功率(预估) kW 4 672.84

设计功率 kW 12 000.00 设计功率 kW 4 347.00

第41页

2023 年.第 6 期 朱明璋.乙烯装置驱动国产化替代方案研究 - 37 -

2.3   影响驱动透平性能的主要因素分析

驱动透平通流内部细节见图1。通过现场对两

台机组的测绘工作,深入研究分析出影响透平性能

的原因主要有以下五点[10]:

图1 驱动透平通流内部细节

(1)机组投运时间长,原有机组老化严重;前、

后轴封中分面密封不严密,蒸汽吹扫痕迹明显,有

明显漏汽现象。

(2)驱动透平设计成型年代早,机型的叶片型

线设计技术比较落后,通流叶型损失、二次流损失

较大,压力级效率低。

(3)透平子午面通流光顺程度较差,流动损失

较多;叶顶均采用铆接围带,叶顶漏汽损失大。

(4)驱动机组匹配存在较大问题,整套装置多

数超负荷运作,驱动机组长期偏离设计点运行,驱

动透平热效率较低,用汽量高于设计值。

(5)因蒸汽品质较差,水处理不彻底使大量有

害成分遗留在蒸汽中,导致叶片表面积垢、叶片表

面腐蚀严重。

3   国产化替代方案

3.1   替代目标和原则

该文提出的驱动透平机组国产化替代方案的主

要目标是在满足工艺需求的前提下,采用成熟、可

靠和先进的技术对工业领域核心驱动设备进行改

造,大幅提高机组通流效率以实现节能减排。

驱动透平的替换原则是在不影响安全和改造效

果的前提下,尽可能利用原有设备,减少改造工作

量。通过先进的透平改造技术对原透平进行局部技术

改造。对于已超过使用寿命的机组,则需对已超期透

平的部分可用的部套寿命进行评估,确定可利旧部件

范围;若均已过寿命期,则需考虑整体更换。

3.2   具体方案

在不影响机组运行性能的前提下,先评估机组

寿命,再根据蒸汽边界条件,尽可能利用原有部件,

采用当今最先进、最成熟、最可靠的透平通流设计技

术对原透平机组进行通流改造[11]。

国内主流的蒸汽驱动透平平均效率应在82%以

上,A和B两台蒸汽透平效率只有70%,较平均水

平差距12%,具有较大改造空间。

由于A机组运行寿命不到20年,通过对通流尺

寸进行整体优化,调整部分根径,优化通流各级焓

降和速比,以提高通流效率。B 已运行超过30年,

大部分部件均超过寿命,应考虑进行整体更换。背

压蒸汽透平A和B的改造范围如表2所示。

表 2 背压机 A 和 B 国产化替代方案

项目 A B

改造范围

(1)转子及动叶片

(2)喷嘴组

(3)隔板(含静叶片)

(4)隔板套

(5)前后汽封体

(1)汽缸

(2)转子及动叶片

(3)主调阀

(4)喷嘴组

(5)隔板(含静叶片)

(6)隔板套

(7)前后轴承箱

(8)前后轴承

(9)汽机整体底盘

(10)油挡

(11)前后汽封体

(12)土建基础

由表 2 可知,A、B 机组可保留前后轴承箱及

轴承,更换汽机转子主轴、动静叶片、隔板、前后

汽封等部件,改造后两驱动透平的性能参数如表 3

所示。

4   国产化替代技术特点及措施

4.1   高效通流设计——整体优化

为获得更合理的焓降分配和速比,改造中根据

最佳速比设计原则重新调整通流级数,并通过调整

叶片高度和角度优化汽机通流;同时为了获得更好

的速比匹配,对叶片级数进行优化调整。

4.1.2   通流光顺

如图2所示,该改造方案对动叶片均采用自带

冠结构形式,使动叶片整圈联接。同时,动叶围带

采用内斜外平结构,从而适应流道形状进行定制化

光顺设计。

改造后,驱动透平通流子午面形成几何光滑的

锥形膨胀通流截面,锥形扩张角按全四维的驱动透

平设计准则设计以减少流动损失。

第42页

- 38 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

4.1.3   动静叶型线优化

替换方案中所有的动、静叶型线均采用全四维

气动优化设计,所有型线均采用经四维技术优化后

的“后加载”高效叶型。该叶型除具有很小的型损

外,还具有很好的攻角适应性,叶型效率在较宽的

攻角范围内变化很小,因而能使机组在很大的负荷

变化范围内都可以保持高效率运行。通过优化动叶

静型线,驱动透平可以在工况变化较大的运行范围

内仍保持较高效率,同时也能够明显降低动叶的激

振力水平,提高机组安全性[10]。

4.2   内漏优化—蒸汽泄漏控制

改造根据机组参数采用可退让汽封结构。该汽

封结构通过对转子上的汽封高低槽齿与汽封环的长

短齿进行匹配,形成了迷宫式汽封;而汽封环则采

用机械可退让调节式结构。目前该汽封结构已普遍

应用于各类机组中[12]。

该方案也对密封凸台和汽封齿数进行了优化。

图3 汽封蒸汽泄漏流动分析

其中,动叶片增加叶顶汽封齿数;动叶围带和转子

相关部位加工成凹凸台结构,特殊的凸台设计强化

阻汽效应,具有良好的密封效果。隔板汽封与独特

的转子凸台配合,同样具有良好的密封效果。如

图3所示,汽封设计的优化将隔板汽封、围带汽封

以及平衡孔结构真实纳入到叶片流场设计和分析

中,通过进行多通道、多级联算,可对蒸汽泄漏通

道部件进行优化;既保证最小的蒸汽泄漏量,又可

使泄漏蒸汽对主流干扰最小,从而提高机组通流

效率[13]。

表 3 背压机 A 和 B 国产化替代后性能参数

机组参数 单位

A B

改造前 改造后 改造前 改造后

功率 kW 10 355.9 11 860 4 672.8 4 347

汽耗率 kg/(kW·h) 10.53 8.85 10.17 9.12

主蒸汽压力 MPa(A) 11.09 11.4 11.05 11.4

主蒸汽温度 ℃ 480.79 515 491.78 515

主蒸汽流量 t/h 109.0 105 47.53 39.6

背压 MPa(A) 1.65 1.75 1.55 1.75

排汽流量 t/h 107.94 104 47.17 39.3

供热流量 t/h 107.94 104 47.17 39.3

内效率 % 70.78 > 81 69.27 > 81

图2 自带冠动叶片内斜外平的整体围带结构

4.3   结构优化

4.3.1   动叶强度

方案所有的动叶片均采用整体围带叶片结构,

装配后形成整圈连接,能显著降低动应力。通过围

带内斜外平、顶部车出高低齿,与汽封圈形成了高

低齿迷宫式汽封结构。

4.3.2   转子轴系

方案设计中,背压透平机组的转子采用目前

最为广泛使用的无中心孔整锻转子结构型式。整锻

第43页

2023 年.第 6 期 朱明璋.乙烯装置驱动国产化替代方案研究 - 39 -

转子采用转子动力学软件对转子静态特性、临界转

速、轴系稳定性、不平衡质量响应进行分析,保证机

组临界转速避开率>15%;制造过程中,按照 API

612–2003中对质量控制标准的要求,控制进行的高

速动平衡轴振动速度<1.2 mm/s,将不平衡量降到

最小[13]。

4.3.3   隔板

在机组A和B的国产化替换方案中均采用了反

动式的设计,其隔板工艺彻底去除所有焊接量,完

全采用冷装方式,最大程度保证隔板的喉部宽度、

安装角等最终成形尺寸,以精确控制隔板通流面

积,从而保证实际性能提升效果。

5   改造效果

如表3所示,通过国产化替代技术改造方案,预

计蒸汽透平的汽耗率可分别由改造前的10.53 kg/kW·h

和 10.17 kg/kW·h 降低至 8.85 kg/kW·h 和 9.12 kg/

kW·h;在当前额定功率12 000 kW工况下,机组内

效率可提升10个百分点,预计节省11.0 MPa超高压

蒸汽量为12 t/h;按全年运行8 400 h计算,预计每年

可节约超高压蒸汽量100 800 t,折标煤量13 248 t,

折合CO2碳排放量42.71 t。

6   结论

石化行业中,运行几十年以上的汽轮机组大

量普遍存在,受限于建设初期的设计、制造和加工

水平,老旧机组效率普遍偏低。当前,我国汽轮机

技术发展已十分成熟,改造案例丰富,在国产化的

研发、设计水平和制造加工能力等方面都已积累了

丰富的经验和业绩。因此,工业驱动透平性能提升

上,通过以上国产化替代方案中针对乙烯蒸汽驱动

透平的内部通流结构优化设计、汽封结构以及动静

片、转子等结构的优化技术改造手段[14],能够使乙

烯装置蒸汽透平的能效得到显著提升的同时大幅降

低机组的汽耗率,达到节能降碳的目的。通过分析

该文中调研的两台机组,国产化替代方案改造可将

机组效率提升至80%以上,具有较大的节能改造潜

力[15]。同时,也可以为石化行业汽轮机组国产化替

代提升增效降耗改造提供借鉴经验,助力实现石化

领域“双碳”目标,提供节能降碳的方向。

参考文献

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理工大学,2017.

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第44页

- 40 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

Study on Domestic Substitution Scheme of Driving Turbines in Ethylene Plant

Zhu Mingzhang

(SINOPEC Energy Management Co., Ltd,Beijing 100120,China)

Abstract: Evaluating the energy consumption of the ethylene steam turbine units and improving the efficiency

of the ethylene steam turbine units become the key to the energy saving of the ethylene plant. This paper introduces

a method of energy consumption assessment for the steam turbine of the ethylene plant, and puts forward an

localization alternative method. According to performance evaluation, the internal efficiency is calculated to be

about 70%, which is lower than the existing market average level. The energy efficiency level of the steam turbine is

improved through efficient flow design of the steam turbine, optimization of the steam seal and the structure of the

rotor and stator blades. Compared to before and after the implementation of the renovation, the steam consumption

rate can be reduced by about 15%, and the internal efficiency of the unit can be improved significantly.

Keywords: ethylene plant;steam turbine;energy consumption assessment;energy-saving retrofit;

localization of alternative technology

Influence of Structural Parameters on Composite Floating Roof Mechanical Properties

Zhen Yongqian,Cheng Qingli,Li Liangliang,Yang Ke,Wang Jie,Li Rongbin

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering Co., Ltd,Qingdao,Shandong 266071,China)

Abstract: In order to analyze the influence of structural parameters of composite material floaters on their

mechanical performance, this paper established a honeycomb beam model made of GFRP plates and polypropylene

honeycomb cores. The deformation curves of honeycomb beams under transverse bending were compared in detail

through finite element modeling and experimental testing, which verified the correctness of the finite element model.

Furthermore, the finite element model was parameterized, and the effects of honeycomb height and wall thickness

on its mechanical performance were analyzed. The results indicated that the height of the honeycomb mainly

affected the stress and bending stiffness of the honeycomb beam, while the wall thickness primarily affected its shear

resistance.

Keywords: tank;floating roof;composite material;structural parameters;mechanical properties

(上接第 34 页)

第45页

摘  要:该文基于某石化15万t/a芳烃抽提蒸馏装置,根据环丁砜–芳烃气液平衡、环丁

砜–烷烃液液平衡数据,利用UNIQUAC活度系数模型回归得到各组分间的二元

交互参数;在此基础上利用Aspen Plus流程模拟软件建立芳烃抽提蒸馏工艺模型。

模拟结果与实际测量结果误差在2%以内,表明该模型可以准确计算环丁砜–芳烃

抽提蒸馏过程。同时考察了回流比、进料苯含量、溶剂比和助溶剂比等操作参数

对分离效果和能耗的影响,获得了较优的操作参数。

关键词:芳烃抽提 环丁砜 二元交互参数 模拟

环丁砜 - 芳烃抽提蒸馏过程模拟与优化

彭威建

(中国石油化工股份有限公司广州分公司,广东广州 510725)

收稿日期:2023-05-02

作者简介:彭威建,硕士,工程师。从事催化重整与芳

烃抽提工艺管理工作。通讯联系人:彭威建,pengwj.

gzsh@sinopec.com。

芳烃是重要的有机化工原料,如苯、甲苯、二

甲苯、乙苯、异丙苯、丁基苯等,主要用于生产化

纤、塑料和橡胶等产品。目前,芳烃的大规模工业

生产主要通过现代化的芳烃联合装置实现,芳烃抽

提过程是芳烃联合装置的重要环节。芳烃抽提,是

指在粗芳原料中加入适宜种类和比例的溶剂,利用

溶剂与芳烃、烷烃、环烷烃或烯烃之间的不同作

用,分离出芳烃产品的过程。目前国内芳烃抽提主

要以重整生成油和乙烯裂解汽油为原料。

相平衡数据是化工工艺设计的基础;目前国内

很多装置都采用以环丁砜为溶剂的抽提工艺。王凌

燕等[1]通过改进NRTL方程第三参数回归抽提体系

各组分间二元交互参数,并利用正规溶液理论估算

缺失的二元交互参数,但该方法模拟结果与实际结

果误差较大。李春利等[2]采用UNIFAC-Dortmund基

团贡献模型估算出UNIQUAC方程中的二元交互参

数,并运用流程模拟软件对环丁砜芳烃体系进行了

模拟,但其对回流比及塔压的模拟结果存在与一般

理论结果相悖的地方,且分析解释不合理,说明其

回归的二元交互参数不完全正确。天津大学黄垒[3]

通过自制的实验装置,获得了芳烃—环丁砜六个二

元体系的常压气液平衡数据和烷烃—环丁砜两个二

元体系的液液平衡数据,利用活度系数模型NRTL

和UNIQUAC方程进行关联,并对缺失的二元交互

参数进行估算。

某石化15万t/a芳烃抽提蒸馏装置应用某研究

院开发的环丁砜抽提蒸馏(SED)工艺,采用溶剂

+助溶剂的复合溶剂体系,抽提原料为重整生成油

中 C6馏分。技术难点是利用文献报导的较少和不

全面的二元体系相平衡数据,选用合适的物性方

程回归 SED 系统二元交互参数,并以实际生产数

据验证。根据文献报导的芳烃–环丁砜气液平衡数

据[3]和烷烃 – 环丁砜液液平衡数据 [4],利用通用活

度系数方程UNIQUAC回归各组分间二元交互参数,

并运用Aspen Plus流程模拟软件模拟和优化相关操

作参数,为实际生产提供指导。

1   流程模拟

1.1   芳烃抽提蒸馏工艺流程

芳烃抽提蒸馏工艺流程如图1所示,重整生成

油经稳定塔及脱己烷塔后,在脱己烷塔顶得到含苯

2023 年 12 月·第 8 卷·第 6 期 >> 过程优化 <<

石油石化绿色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

第46页

- 42 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

C6馏分,C6馏分在抽提原料中间罐中配苯后进入抽

提蒸馏塔第57#

塔板,贫溶剂环丁砜从第17#

塔板进

入抽提蒸馏塔,塔顶抽余油送出装置,塔釜富溶剂

进入溶剂回收塔,经减压精馏塔顶得到苯产品,塔

釜贫溶剂部分再生后循环至抽提蒸馏塔。

回归结果显示,除甲苯–环丁砜文献实验数据

不符合热力学一致性检验外,其余气液相体系均符

合检验,证明文献数据的可靠性;同时,所有回归

结果与文献实验值最大误差不超过 3%,证明所选

UNIQUAC物性方法可以准确的模拟该文芳烃抽提

体系。

表2为抽提塔和回收塔主要操作参数,模拟值

与测量值的比较列于表3。由表3可知,模拟结果组

成与实际结果非常接近,T701第68#

灵敏板温度为

127.8 ℃,模拟结果为128.24 ℃,误差不超过0.3%,

塔釜温度误差不超过1.2%,说明应用上述回归参数

表 1 抽提进料和贫溶剂组成

类别 组分 质量分数,%

C6 进料

苯 24.28

甲苯 0.29

C8+ 芳烃 < 0.01

助溶剂 < 0.01

正己烷 14.53

正庚烷 4.11

异构烷烃 53.56

烯烃 3.23

贫溶剂

苯 0.68

甲苯 0.37

非芳 < 0.01

助溶剂 8.91

水 < 0.01

环丁砜 90.04

图1 芳烃抽提工艺流程

C6

原料

溶剂

苯 冷却器

T701

T702

图2 苯–环丁砜T-xy和正己烷–环丁砜T-xx(101.33 KPa)

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

温度 /℃

C6H6 质量分率

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

实验值 Y C6H6

回归值 Y C6H6

实验值 X C6H6

估计值 X C6H6

160

140

120

100

80

60

40

20

温度 /℃

N-C6H14 质量分率

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

实验值 x2 NC6H14

估计值 x2 NC6H14

实验值 x1 NC6H14

估计值 x1 NC6H14

1.2   模型参数的计算

芳烃抽提蒸馏系统采用环丁砜作溶剂,因为环

丁砜与 C6馏分沸点相差较大,且 C6馏分中组分较

多,存在部分互溶体系,因此涉及气液和液液相平

衡的计算。表 1 为抽提进料组成,为了简化模拟,

减少二元交互参数个数,将C6进料中异构烷烃和烯

烃全部以正己烷代替,助溶剂以对二甲苯代替,这

样就只需要用到苯、甲苯、对二甲苯、正己烷、正

庚烷、水和环丁砜之间的二元交互参数。因芳烃抽

提蒸馏体系为强非理想体系,所以采用通用活度系

数模型UNIQUAC来回归各组分间二元交互参数。

根据文献数据,用UNIQUAC方程回归得到各

组分间二元交互参数。回归的苯–环丁砜气液平衡

T–xy、正己烷–环丁砜液液平衡T–xx如图2所示。

第47页

2023 年.第 6 期 彭威建.环丁砜 - 芳烃抽提蒸馏过程模拟与优化 - 43 -

模拟该文芳烃抽提体系是比较准确的。

2   工艺优化

根据装置长期运行结果,影响芳烃抽提操作的

主要工艺参数概括回流比、进料苯含量、溶剂比和

助溶剂含量。

2.1   回流比

在一般的精馏操作中,回流比是控制塔顶产品

质量的重要参数。在保持塔顶采出不变的情况下,

作T701回流比灵敏度分析,不同回流比操作对塔顶

抽余油苯含量、再沸器热负荷(热负荷越高,塔釜

再沸器2.2 MPa蒸汽耗量,越大)和塔釜温度的影

响如图3所示。根据灵敏度分析结果,回流比越大,

塔顶抽余油苯含量越大;在0.35左右达到拐点,超

过0.35抽余油苯含量增加速度变慢。再沸器热负荷

随回流比增大而增大,塔釜温度则基本保持不变。

回流比增大,导致非芳烃在塔内比重增大,间

接降低了进料苯含量,影响溶剂对芳烃的选择性,

从而使得抽余油中苯含量增加。因此,为降低抽余

油苯含量和再沸器热负荷,实际生产应选择低于

0.35的回流比。

2.2   进料苯含量

为保持环丁砜溶剂对芳烃的高选择性和溶解

度,进料苯含量必须保持在一定范围内,一般在

30%左右。同时,苯含量对抽提塔塔内温度分布具

有调节作用。作进料苯含量灵敏度分析,分析其对

抽余油苯含量、再沸器热负荷、灵敏板温度和塔釜

温度的影响,如图4所示。

表 2 抽提塔和回收塔主要操作参数

项目 塔板数 进料板 溶剂进料板

温度 /℃

塔顶压力 /kPa 回流比,%(ω) 溶剂比,%(ω)

塔顶 塔釜

抽提塔 87 57 17 82 176 60 0.5 4.32

回收塔 45 25 – 65 165 -40 2.4 –

表 3 模拟结果与实测值比较

温度 / ℃ 苯,%(ω) 甲苯,%(ω) 助溶剂,%(ω) 非芳,%(ω)

计算 测量 计算 测量 计算 测量 计算 测量 计算 测量

T701

塔顶 85.78 85.71 0.95 1.54 0.15 0.32 < 0.01 0.23 98.9 98.11

塔釜 179.05 181.32 6.9 – 0.39 – 9.37 – < 0.01 –

T702

塔顶 50.18 50.0 99.98 99.97 0.02 0.03 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01

塔釜 175.46 175.9 0.85 0.86 0.42 0.41 9.98 9.78 < 0.01 < 0.01

图3 回流比灵敏度分析

0.0 104

0.0 102

0.0 100

0.0 098

0.0 096

0.0 094

0.0 092

0.0 090

6 700

6 600

6 500

6 400

6 300

6 200

6 100

180

179

178

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60

质量回流比

抽余油苯含量

再沸器热负荷

塔釜温度

抽余油苯含量,

%(w)

再沸器热负荷 /kW

塔釜温度 /℃

图4 进料苯含量灵敏度分析

0.954

0.953

0.952

6 400

6 300

6 200

6 100

6 000

5 900

5 800

184

182

180

178

176

174

172

170

129

128

127

126

0.200.220.240.260.280.300.320.34

进料苯含量,%

再沸器热负荷/ kW

抽余油苯含量,

%(w)

灵敏板温度 /℃

塔釜温度 /℃

抽余油苯含量

再沸器热负荷

灵敏板温度

塔釜温度

第48页

- 44 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

根据模拟结果,在保持塔顶采出不变的情况

下,增加进料苯含量对抽余油苯含量影响不大;随

着进料苯含量的增加,再沸器热负荷、灵敏板温度

和塔釜温度均逐渐下降。

进料苯含量增加,塔内液相不断趋于均相,焓

变增加,导致塔板温度降低。模拟过程中若不考虑

液相平衡,即假设塔内液相为均相,则同样会出现

塔内温度分布下降趋势。同时,模拟结果也证明实

际过程中抽提塔内存在两个液相。因此,为降低塔

内出现双液相对抽提塔平稳操作的影响,同时降低

塔釜热强度,减缓环丁砜溶剂分解速度,应选择较

大的进料苯含量;但进料苯含量越大,配苯流量就

越大,使抽提塔负荷增大,从而降低了塔处理量。

合理的进料苯含量应控制在24%~30%之间。

根据模拟结果,作环丁砜 – 正己烷 – 苯的液液

三元相如图5所示。由图中可以看出,当溶剂比为

3.6 时,进料中苯含量需达到 69% 才能形成均相;

当溶剂比不断增大,形成均相所需的进料苯含量也

逐渐下降;当溶剂比为 4.5 时,形成均相所需进料

苯含量为37%左右。因此,在实际溶剂比和进料苯

含量情况下,抽提塔内一定存在两个液相。

图5 环丁砜–正己烷–苯三元相

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

0.95

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

苯的摩尔分数

溶剂的摩尔分数

正己烷的摩尔分数

超过3.4 以后,抽余油中苯含量下降明显;但是再

沸器热负荷、灵敏板温度和塔釜温度均逐渐升高。

溶剂比合理的选择范围为3.4~4.3。

图6 溶剂比灵敏度分析

0.958

0.956

0.954

0.952

0.950

0.948

0.946

0.944

0.942

0.940

0.938

8 000

7 800

7 600

7 400

7 200

7 000

6 800

6 600

6 400

6 200

6 000

5 800

132

131

130

129

128

127

184

183

182

181

180

179

178

177

3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6

溶剂比

再沸器热负荷 /kW

抽余油苯含量,

%(w)

灵敏板温度 /℃

塔釜温度 /℃

抽余油苯含量

再沸器热负荷

灵敏板温度

塔釜温度

图7 助溶剂比对抽提塔灵敏度分析

0.96

0.95

0.94

6 270

6 260

6 250

6 240

184

182

180

178

176

129

128

127

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

助溶剂比

再沸器热负荷/kW

抽余油苯含量,

%(w)

灵敏板温度 /℃

塔釜温度 /℃

抽余油苯含量

再沸器热负荷

灵敏板温度

塔釜温度

2.3   溶剂比

溶剂比是影响溶剂选择性的重要因素,作溶剂

比灵敏度分析如图 6 所示。由图 6 可知,溶剂比在

2.4   助溶剂比

助溶剂的主要作用是增加溶剂对烃类的溶解

能力,避免在抽提塔内出现两个液相、降低溶剂回

收过程热强度,避免溶剂分解、降低贫溶剂中苯含

量,提高苯收率。作助溶剂比的灵敏度分析如图 7

和图8所示。

由图7可知,助溶剂比增大,抽余油苯含量逐

渐下降,塔釜温度下降明显,灵敏板温度逐渐上

升,再沸器热负荷先下降后上升,但变化幅度不

大。说明增加助溶剂比可以提高苯收率,降低塔釜

热强度;再沸器热负荷的变化说明助溶剂促进溶剂

对烃类的溶解,使塔内烃类分布和塔釜助溶剂浓度

之间对再沸器热负荷影响存在竞争关系,当助溶剂

比超过10时,助溶剂促进溶剂溶解烃类的能力增强

第49页

2023 年.第 6 期 彭威建.环丁砜 - 芳烃抽提蒸馏过程模拟与优化 - 45 -

料苯含量、溶剂比和助溶剂比,得出如下结论:

(1)回流比增大,会影响溶剂对芳烃的选择性,

从而使抽余油中苯含量增加。为降低抽余油苯含

量和再沸器热负荷,实际生产应选择低于0.35的回

流比。

(2)进料苯含量增加,塔内液相不断趋向于均

相,焓变增加,塔板温度降低;为避免塔内出现双

液相,同时降低塔釜热强度,合理的进料苯含量应

控制在24%~30%。

(3)溶剂比超过3.4时,抽余油中苯含量下降

明显,溶剂比合理的选择范围为3.4~4.3。

(4)助溶剂比增大,抽余油苯含量逐渐下降,

助溶剂促进溶剂对烃类的溶解能力和助溶剂浓度之

间对再沸器热负荷影响存在竞争关系,当助溶剂比

超过 10 时,助溶剂促进溶剂溶解烃类的能力导致

烃类在塔内停留时间变长,从而使再沸器热负荷增

加,助溶剂比理想的范围应保持在10左右。

在双碳背景下,为进一步降低能耗,开发新的

助溶剂,提高环丁砜溶解性与选择性或将成为新的

优化方向。

参考文献

[1] 王凌燕,孙晓岩,李忠杰,等.基于回归二元交互参

数的芳烃抽提过程模拟[J].化工学报,2011,62(12):

3452-3457.

[2] 李春利,伍武辉,王志彦,等.环丁砜萃取精馏工

艺模拟及优化 [J].现代化工,2014,34(4):147-

151+153.

[3] 黄垒.以环丁砜为溶剂的芳烃抽提体系相平衡研究及

流程模拟[D].天津:天津大学,2010.

[4] Ko M, Im J, Sung J Y, et al. Liquid-liquid equilibria for

the binary systems of sulfolane with alkanes[J].Journal of

Chemical & Engineering Data,2007,52(4):1464-1467.

图8 助溶剂比对回收塔灵敏度分析

1.00

0.99

0.98

0.97

0.96

0.95

0.94

0.012 0

0.011 5

0.011 0

0.010 5

0.010 0

0.009 5

0.009 0

0.008 5

3 600

3 400

3 200

3 000

2 800

2 600

188

186

184

182

180

178

176

174

172

170

168

6 7 8 9 10 11 12 13 14

助溶剂比

回收塔顶苯含量,

%(w)

回收塔底苯含量,

%(w)

再沸器热负荷/kW

塔釜温度 /℃

回收塔顶苯含量 回收塔底苯含量

再沸器热负荷 塔釜温度

导致烃类在塔内停留时间变长,从而使再沸器热负

荷增加;但无论谁占优势,助溶剂比增加都会使灵

敏板温度升高。模拟结果与实际塔釜、灵敏板温度

变化趋势一致。

由图8可知,助溶剂比增加,溶剂回收塔再沸

器热负荷和塔釜温度都逐渐下降;当助溶剂比超过

10时,回收塔顶苯含量会迅速下降,甲苯含量会迅

速升高,塔釜苯含量也迅速升高。同时也要说明的

是,通过增加回流比可以降低回收塔顶甲苯含量,

回收塔顶甲苯含量对回流比变化比较敏感,在回流

比为2.5时可以控制塔顶甲苯<0.01%,鉴于主要优

化对象为抽提塔,回收塔回流比不做讨论。

综合上述分析结果,助溶剂比理想的范围应保

持在10左右。

3   结论

该文通过文献实验数据,利用Aspen Plus软件

回归得到了UNIQUAC方程二元交互参数,并以此

建立了芳烃抽提流程,模拟结果与实际结果误差不

超过 2%,并在此基础上优化了抽提塔回流比、进

第50页

- 46 - 石油石化绿色低碳 2023 年.第 8 卷

Simulation and Optimization of Sulfolane-Aromatic

Hydrocarbon Extractive and Distillation Process

Peng Weijian

(SINOPEC Guangzhou Company,Guangzhou,Guangdong China,510725)

Abstract: The binary interaction parameter among all component was achieved by using UNIQUAC activity

coefficient model regression,with references to the data for vapor-liquid equilibrium of sulfolane-aromatic

hydrocarbon and liquid-liquid equilibrium of sulfolane-alkane released by literature regarding the 150,000t/a

aromatic hydrocarbon extractive and distillation unit of the petrochemical company, Aromatic hydrocarbon extractive

and distillation process model was set up by using Aspen plus process simulation software. Less than 2% deviation

between simulation data and practical measurement was presented, which showed that the model can accurately

calculate the sulfolane-aromatic hydrocarbon extractive and distillation process. In addition, better operation

parameter was proposed after testing the influence on separation effect and energy efficiency by parameters such as

reflux ratio, feeding benzene content, solvent ratio and co-solvent ratio, etc.

Key words: aromatic hydrocarbon extractive;sulfolane;binary interaction parameter;simulation

八面来风

FCC 催化剂提高炼厂烯烃收率

据报道,为了满足日益增长的运输燃料需求和提高产品质量,许多炼油项目投产;催化裂化

(FCC)装置作为汽油主要生产装置之一发挥了主导作用。由于减少碳排放的新法规和轻型汽车中电动

汽车的增加,将减少对传统运输燃料(例如汽油和柴油)的需求,并使炼厂面临更大的减碳压力。同

时,预计未来石化产品需求将增加,为炼厂提供了向炼化一体化发展的机会。FCC催化剂和烯烃添加

剂设计的工艺配置和最新创新,包括ZSM-5沸石催化剂,可用于最大限度地提高FCC装置的化工品收

率,适应未来炼化业务,向以化工品为导向的市场过渡。

使用ZSM-5的FCC装置生产轻烯烃 FCC装置通过裂化生产轻烯烃,增加分离和工艺步骤可以最大

化化工前驱体收率。轻烯烃在 FCC或RFCC装置中以两步法生产。第一步是原料在载体和Y型沸石催化

剂表面进行初级裂化,产生一些轻烯烃。第二步反应中实现烯烃的最大化生产,轻石脑油分子在催化

剂作用下进一步裂化,或者更有选择性地使用含有ZSM-5沸石的烯烃添加剂,产生更小的分子,根据

工艺和催化条件可以生成丙烯、丁烯、乙烯。在两步法中,催化系统能最大限度地利用轻石脑油中的

轻烯烃前驱体,需要足够多的原料,在含有ZSM-5沸石的烯烃添加剂或FCC催化剂作用下裂化为所需

的化工原料。根据目标产物的不同,ZSM-5催化剂的活性可以进行调节。高活性ZSM-5催化剂(例如巴

斯夫ZEAL)可以最大限度地提高丙烯的选择性,甚至在合适的条件下可以最大限度提高乙烯的选择性。

活性低于ZEAL的ZSM-5添加剂(例如巴斯夫ZIP),更适合于平衡丙烯和丁烯收率。

此外,ZSM-5是一种用于催化反应的择型沸石,能够将线性或轻度支化的轻石脑油转化为轻烯烃

(例如乙烯、丙烯和丁烯)。ZSM-5裂化的一个特点是只有辛烷值相对较低的石脑油分子(不含支链)才

能转化为较轻的产物。支链含量高的分子很难通过ZSM-5裂化,因此汽油中支链烃占比增加,汽油辛

烷值增加。同样,已经存在于中重质石脑油馏分中的芳烃分子也不会被Y型沸石或ZSM-5裂化,因此,

石脑油馏分有较大潜力作为芳烃来源,特别是甲苯和二甲苯。石脑油馏分的预处理过程,特别是对于

中质石脑油,可能需要在重整之前去除残余的烯烃。

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