對二甲苯裝置異構化單元熱高壓分離工藝研究

薄德臣，張 英，徐向榮，徐 宏，3

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化揚子石化芳烴廠；3.華東理工大學)

對二甲苯裝置異構化單元熱高壓分離工藝研究

薄德臣1，張 英1，徐向榮2，徐 宏1，3

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化揚子石化芳烴廠；3.華東理工大學)

針對目前對二甲苯(PX)裝置異構化單元普遍采用冷高壓分離工藝導致裝置用能不合理的現狀，分析了采用熱高壓分離工藝的優勢以及采用熱高壓分離工藝需要注意的問題；建立了能夠準確分析異構化反應產物的分析方法，利用ASPEN PLUS流程模擬軟件對熱高壓分離工藝過程進行了模擬計算，結果表明，采用熱高壓分離工藝對循環氫濃度幾乎沒有影響；通過熱高壓分離工藝的工業應用證明了該工藝是可行的；提出了采用熱高壓分離工藝后的對二甲苯裝置能量優化匹配方案，并通過流程模擬進行了熱負荷核算，結果表明采用新的流程可使370 kta的PX裝置能耗下降627 MJt。

對二甲苯裝置 異構化 熱高壓分離工藝

對二甲苯(PX)是一種重要的基本有機化工原料，主要用于制取對苯二甲酸及對苯二甲酸二甲酯，進而生產聚酯。因此，PX 可稱為聚酯產品鏈的龍頭，在現代國民經濟中有著極其重要的地位和作用[1-2]。截止到2011年，我國的PX產量已超過6.0 Mta，已經成為世界上最大的生產國之一[3]。

目前PX生產主要以C8芳烴(PX、間二甲苯、鄰二甲苯和乙苯)為原料，通過異構化反應、吸附分離以及精餾分離過程即可獲得高純度的PX產品。近十年來國內建成的PX裝置，由于裝置規模的逐漸增大、催化劑性能的改進以及換熱流程的優化，裝置能耗逐步降低，但即使最先進的PX裝置能耗也在10 450 MJt以上。因此，在節能形勢日益嚴峻的情況下，開展芳烴裝置的節能研究工作具有重要的現實意義。

現有的PX裝置異構化單元普遍采用冷高壓分離工藝流程，其特點是從異構化進出料換熱器出來的反應產物全部再經空冷器、水冷器冷卻到40 ℃后進入冷高壓分離罐，分離出的液相再經換熱升溫后進入脫庚烷塔進行分離；由于冷高壓分離工藝流程存在物流先冷卻降溫再換熱升溫的過程，因而用能不合理，近年來有文獻[4]建議異構化單元采用熱高壓分離工藝流程，其特點是從異構化進出料換熱器出來的物料首先進入熱高壓分離罐，分離出的氣相再經空冷器、水冷器冷卻到常溫后再進入冷高壓分離罐，從冷高壓分離罐和熱高壓分離罐分離出的液相經混合后作為脫庚烷塔的進料。與冷高壓分離工藝相比，熱高壓分離工藝的優勢在于：①避免了熱高壓分離采出液相先降溫再升溫過程，用能更合理；②大大降低了空冷器和水冷器的負荷，減少電能消耗和循環水量；③可減少高壓分離液與異構化反應進料的換熱量，提高反應物料進加熱爐溫度，降低反應加熱爐負荷。

雖然熱高壓分離工藝可以使裝置用能更合理，但由于熱高壓分離工藝相當于增加了一級閃蒸過程，所以由冷高壓分離工藝改為熱高壓分離工藝后，理論上循環氫濃度會下降，對于現有裝置而言，循環氫濃度的下降勢必會對壓縮機和反應過程有影響，根據操作經驗，認為如果循環氫濃度下降顯著(超過5百分點)，則現有裝置不適合改造為熱高壓分離工藝流程。本課題通過對異構化反應產物進行組成分析和模擬計算，考察采用熱高壓分離工藝后循環氫濃度的變化程度，通過工業應用證明異構化熱高壓分離工藝的可行性，最后以國內某PX產能為370 kta的工業裝置工藝流程為研究對象，提出改造為熱高壓分離工藝后的合理能量匹配方案，為PX裝置的節能改造提供參考。

1 當前PX裝置異構化單元流程簡述

目前典型的PX裝置主要以重整或者外購C8芳烴為原料，由二甲苯精餾單元、二甲苯異構化單元和吸附分離單元組成。二甲苯精餾單元的功能是實現C8芳烴和C9+的清晰切割，C8芳烴作為吸附分離單元的進料；吸附分離單元的功能是通過吸附分離和精餾手段獲得高純度的PX產品，同時分離出貧PX的C8芳烴作為異構化反應單元的原料；異構化單元的功能是以貧PX的C8芳烴為原料，通過異構化反應獲得富含PX的反應產物[5]。

以國內典型PX裝置異構化單元工藝流程為例進行流程簡述，如圖1所示。來自吸附分離單元的貧PX的C8芳烴作為反應進料首先與冷高壓分離液相出料換熱，然后再與循環氫、補充新鮮氫混合后進入異構化反應進出料換熱器與反應出料換熱，最后再經反應加熱爐升溫后進入異構化反應器進行反應；從異構化進出料換熱器出來的反應產物經空冷器、水冷器冷卻至約40 ℃后進入冷高壓分離罐進行氣液分離，分離出的氣相少部分外排，剩余部分作為循環氫使用，冷高壓分離罐出來的液相先與外購C8芳烴混合，然后分別與反應進料、脫庚烷塔塔底出料、吸附分離進料換熱后進入脫庚烷塔，塔頂采出C7以上輕烴，塔底產物進入二甲苯分餾單元。

圖1 典型PX裝置異構化單元流程示意

2 熱高壓分離工藝的可行性論證

異構化單元采用熱高壓分離工藝后循環氫濃度的變化程度是制約冷高壓分離工藝能否改造為熱高壓分離工藝的關鍵因素，而循環氫濃度的變化程度可以采用ASPEN流程模擬軟件計算得到，在進行模擬計算之前需要確定異構化反應出料的組成數據，對于冷高壓分離工藝，異構化反應出料可以看作是循環氫和冷高壓分離液的混合物(由于外排氫所占比例很少，計算時可不考慮)，因此通過分析循環氫和冷高壓分離液的組成即可獲得反應出料組成。

2.1 冷高壓分離液和循環氫的組成分析

冷高壓分離液的組成分析采用HP 3420氣相色譜儀，分析條件如下：PONA 柱為毛細管柱，美國安捷倫公司生產；色譜汽化室溫度250 ℃，檢測器溫度280 ℃；在35 ℃恒溫15 min，按2 ℃min的程序升溫速率升溫到200 ℃。異構化冷高壓分離液的組成分析結果見表1。

表1 冷高壓分離液的組成分析結果

循環氫的組成分析采用煉廠氣多維色譜分析法[6]，結果見表2。由表2可知，冷高壓分離工藝條件下循環氫中氫氣體積分數為86.91%。

表2 循環氫的組成分析結果 φ，%

2.2 模擬計算

根據表1中數據，采用ASPEN PLUS流程模擬軟件對熱高壓分離工藝過程進行模擬計算，熱力學模型選擇SRK模型，模擬計算結果見表3。

表3 熱高壓分離工藝的計算結果

由表2和表3可知，與冷高壓分離工藝相比，采用熱高壓分離工藝后循環氫中氫氣體積分數僅下降1.61百分點。這主要是由于反應產物中輕烴濃度較低，所以采用熱高壓分離工藝后對循環氫濃度的影響很小。

2.3 熱高壓分離工藝的工業應用

基于上述結果，2012年中國石油化工股份有限公司某對二甲苯裝置異構化單元完成了由冷高壓分離流程向熱高壓分離流程的改造，投入運行后循環氫中氫氣體積分數相比于冷高壓分離流程僅下降約1.5百分點，并且系統運行狀態良好，壓縮機和反應過程均沒有受到影響，表明熱高壓分離工藝是可行的。

3 二甲苯裝置能量優化匹配方案

工業應用結果證明，熱高壓分離技術用于對二甲苯裝置芳烴異構化單元是可行的，但改用熱高壓分離工藝后只能直接減少低品位熱量的損失，需要通過進一步的能量優化匹配來減少系統對高品位熱量的需求，從而達到節能的目的。目前二甲苯裝置的用能特點在于裝置所需熱量大部分從異構化反應加熱爐和二甲苯塔再沸爐供入，只有成品塔再沸器的部分熱量由中壓蒸汽提供。

結合目前裝置的實際特點，并以裝置改動最小為前提，提出采用熱高壓分離工藝后的能量優化匹配方案，其工藝流程示意見圖2。該方案的工藝流程特點在于從異構化進出料換熱器出來的反應產物首先進入熱高壓分離罐，分離出的氣相仍走原冷高壓分離流程，分離出的液相與冷高壓分離液及外購C8芳烴混合后先與異構化反應進料換熱、再與吸附分離進料換熱、最后與脫庚烷塔塔釜出料換熱后進入脫庚烷塔；吸附分離進料首先作為成品塔再沸器熱源，然后與脫庚烷塔進料換熱后進入吸附分離單元。該方案的優勢在于通過能量優化匹配，最終取消了中壓蒸汽的消耗，從而實現真正的節能。

圖2 PX裝置采用熱高壓分離工藝后流程示意

表4 原流程的成品塔核算結果

表5 原流程熱負荷核算結果

表6 新流程熱負荷核算結果

由表4～表6可知，采用新的換熱方案后脫庚烷塔進料溫度幾乎沒有下降，因此新流程不會增加脫庚烷塔再沸器熱負荷，新流程中成品塔中壓蒸汽再沸器熱源由吸附分離進料提供，可節省中壓蒸汽約7.2 th，對于PX產能為370 kta的裝置，相當于能耗降低627 MJt。

4 結 論

工業應用結果證明了對二甲苯裝置異構化熱高壓分離工藝是可行的，本研究所建立的反應產物分析方法和模擬計算結果是可靠的。以國內典型的PX裝置流程為背景，提出了采用熱高壓分離工藝后的系統能量優化匹配方案，對于PX產能為370 kta的裝置，可節約中壓蒸汽7.2 th，能耗降低627 MJt。

[1] 戴厚良.芳烴生產技術展望[J].石油煉制與化工，2013，44(1)：1-10

[2] Minceva M，Gomes P S，Meshko V，et al.Simulated moving bed reactor for isomerization and separation ofp-xylene[J].Chemical Engineering Journal，2008，140：305-323

[3] 李晨.國內外對二甲苯發展現狀及趨勢分析[J].中國石油和化工經濟分析，2011，12(10)：9-11

[4] 張善營，伍寶洲.芳烴異構化反應系統采用熱高壓分離工藝可行性分析[J].河北化工，2012，35(3)：50-51

[5] 徐向榮.芳烴二甲苯裝置擴能改造與用能優化研究[D].南京：南京工業大學，2014

[6] 劉俊濤，鄒乃忠，鐘思青，等.多維氣相色譜法分析煉廠氣[J].石油化工，2004，33(10)：983-986

FEASIBILITY OF HOT HIGH-PRESSURE SEPARATION PROCESS IN ISOMERIZATION UNIT OF PX COMPLEX

Bo Dechen1， Zhang Ying1， Xu Xiangrong2， Xu Hong1，3

(1.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemical，SINOPEC，Fushun，Liaoning113001； 2.YangziPetrochemicalCompanyLtd.，AromaticPlant； 3.EastChinaUniversityofScience&Technology)

Cold high-pressure separation process is now widely used in isomerization unit of PX complex， and results in an unreasonable energy consumption of PX complex. The advantages and the problems when using hot high-pressure separation process are analyzed. An accurate method for determination of isomerization product distribution is established. The hot high-pressure separation process is simulated by ASPEN PLUS， and the results indicate that recycle hydrogen concentration is almost not changed， compared with cold high-pressure separation process. Hot high-pressure separation process is proved to be feasible by industrial practice. The energy optimization scheme is proposed， and the simulation proves that the energy consumption of 370 kta PX complex can be reduced by 627 MJt.

PX complex； isomerization； hot high-pressure separation process

2014-06-11； 修改稿收到日期： 2014-08-25。

薄德臣，博士，工程師，主要研究方向：系統節能、傳質與分離工程。

薄德臣，E-mail：bodechen@163.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(No.31020)。