常减压蒸馏装置的换热网络综合设计及优化研究

0 前言

常减压蒸馏装置是炼油化工企业的核心生产单元，其主要任务是通过常压和减压蒸馏过程，将原油分馏为不同馏分，为下游加氢精制和延迟焦化等深加工装置提供原料。在这一过程中，换热网络的设计与优化至关重要，它直接影响到能量利用效率以及生产成本[1]。目前全球能源价格波动加剧，炼油行业面临着降低能耗及优化工艺流程等众多问题，传统换热网络设计往往存在换热效率低和冷热匹配不合理等问题，导致高能耗和高排放的情况。本次研究将结合常减压蒸馏装置的基本结构，结合换热网络综合设计方法，对常减压蒸馏装置的换热网络进行深入分析和优化，为炼油化工企业常减压蒸馏装置换热网络的升级改造奠定基础。

1 常减压蒸馏装置与换热网络

1.1 常减压蒸馏装置

常减压蒸馏装置由常压塔和减压塔两部分构成，两塔分别在常压和减压条件下运行，从而实现高效的能量利用和精确的组分分离。在常压塔中，原油首先经过预热器升温，然后进入塔内进行初步分馏，利用原油组分间沸点差异，实现轻组分与重组分的初步分离。常压塔操作条件较温和，适用于分离沸点差异较大的组分，产品主要包括直馏汽油和柴油等[2]。常压塔操作稳定，设备结构相对简单，但存在热能回收不足和能量利用率低等问题。减压塔则是在常压塔之后进一步处理重质油，通过降低系统压力，降低各组分的沸点，实现温度更低的蒸馏分离，避免高温热裂解，从而保持重油的质量。减压塔采用真空系统，工艺要求较高，需要精密的温度和压力控制。减压塔可以将常压塔难以分离的高沸点组分进一步加工成航煤及残渣油等产品，提高原油利用率和产品附加值。

常减压蒸馏装置整体设计时，换热网络是确保装置高效运行的关键环节，通过合理设计换热系统，可以实现热能的充分回收，降低外部能源消耗，并改善工艺热平衡，提高经济效益和环保性能。炼油企业在追求节能降耗和绿色生产的大背景下，对常减压蒸馏装置的热集成及换热网络优化提出了更高要求，促使相关技术不断革新[3]。常减压蒸馏装置的运行稳定性和安全性也直接影响炼油厂的生产效益，设备的耐高温和耐腐蚀性能要求严格，系统设计必须充分考虑温度和压力等工况变化对设备安全的影响。随着智能化和数字化技术的发展，现代常减压蒸馏装置还集成了先进的过程控制和监测系统，实时监控工艺参数，确保设备在最优工况下运行，从而提高操作安全性和经济效益。

1.2 换热网络的优化综合方法

过程集成方法是优化换热网络的基础，通过运用热量计算和物料平衡技术，结合基于针点分析的热集成原理，可以对常减压蒸馏装置内各换热单元的热负荷进行精确划分，确定冷热流体之间的最佳热耦合点。针点分析方法能够在系统内实现热能的最优匹配，找出潜在的热回收机会，并为后续的网络设计提供科学依据。通过对设备热容和温差要求等工艺参数进行全面评估，可以确保整个换热网络的热平衡和经济性。数学建模是换热网络优化的重要工具，通过构建换热网络的数学模型，可以将复杂的热交换过程抽象为一系列优化问题。常用的数学模型包括线性规划以及混合整数非线性规划等，能够充分考虑工艺条件及运行成本等多个因素。基于这些模型，可以对换热网络的布局及热量分配进行系统优化，并通过敏感性分析评估不同设计方案对系统整体性能的影响。

2 常减压蒸馏装置的换热网络综合设计及优化研究

2.1 常减压蒸馏模型的建立

在常减压蒸馏装置换热网络综合设计及优化过程中，建立准确的蒸馏模型是核心环节，该模型不仅要求实现物料与能量的精确平衡，还需考虑塔内各板段的传热及相平衡特性。首先，模型的建立基于常减压蒸馏过程的基本原理，利用质量守恒和能量守恒方程，对塔内各操作单元进行分段描述，通过划分塔内的不同区域，明确每个区域的进出口组分及热量数据，为后续换热网络设计提供依据。其次，模型中必须引入相平衡关系，描述液相与气相之间的组分分布，常用的平衡关系包括雷利法则等，这些方法可以较好地刻画不同操作压力下组分的分离效果。在常减压条件下，由于压力降低使得沸点下降，模型中需要特别考虑压力变化对组分挥发度的影响，从而确保模拟结果与实际工况相符。最后，热量计算是模型建立的重要组成部分，通过详细的热平衡分析，确定塔内各段所需的热输入与余热回收量，为换热器设计提供热负荷数据。常减压蒸馏模型不仅反映塔内蒸馏过程的能量消耗，还要与换热网络的各热交换单元进行联立计算，实现热能的精准匹配。

2.2 灵敏度分析及目标优化

灵敏度分析主要用于识别影响换热网络性能的关键参数，从而为后续的优化工作提供依据，通过对各设计变量进行扰动分析，可以量化这些变量对能量消耗和运行成本的影响程度。一般可以采用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析两种方法，局部灵敏度分析适用于分析单一变量在某一确定工况下的变化对目标函数的影响，而全局灵敏度分析则考虑多变量同时变化下系统整体响应，更能揭示各参数间的交互作用，帮助设计者确定哪些因素在换热网络设计中具有决定性作用。在目标优化方面，常减压蒸馏装置换热网络的优化目标主要包括最小化能源消耗和提高热能回收效率等，为实现这些目标，研究人员通常构建多目标优化模型，采用混合整数非线性规划和粒子群优化等先进算法，求解高维和多约束条件下的最优解。通过建立目标函数，将各项性能指标归一化处理，并在满足工艺热平衡和设备安全等约束条件下，寻找最优设计方案。灵敏度分析与目标优化在实际应用中是相辅相成的，通过灵敏度分析筛选出影响系统性能最为显著的变量，缩小优化问题的搜索空间，提高算法求解效率，将这些关键变量作为优化参数，通过数值模拟和实验验证，逐步修正模型并实现设计方案的精细化调整。

3 结论

综上所述，炼油行业是高能耗和高碳排放行业之一，通过对常减压蒸馏装置的换热网络进行合理的设计，并进行针对性的优化，有助于能够减少燃料燃烧需求，同时，合理的换热网络设计可以减少设备局部过热和积碳等问题，降低换热器结垢速度，延长设备使用寿命。

参考文献

[1]刘泽坤,刘绍东,赵卫东,等.多周期常减压蒸馏装置换热网络用能变化与柔性优化[J].石油炼制与化工,2024,55(06):130-136.

[2]程主明.常减压蒸馏装置的换热网络综合设计及优化研究[J].山西化工,2022,42(02):248-250.

[3]池琳,严錞.千万吨级常减压蒸馏装置换热网络的优化设计[J].石油化工设计,2008,25(04):1-3+21.