模擬移動床物料進出管線優化的CFD模擬

朱振興, 王德華, 王少兵, 王璐璐, 毛俊義

(中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083)

模擬移動床物料進出管線優化的CFD模擬

朱振興, 王德華, 王少兵, 王璐璐, 毛俊義

(中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083)

摘要：模擬移動床吸附分離技術主要用于分離沸點接近但是被吸附能力不同的混合物，生產高純度產品。液相模擬移動床每個吸附劑床層均設置物料進、出管線。物料進、出管線的數量和位置，是模擬移動床吸附分離工藝的重要影響因素。通過計算流體力學(CFD)模擬確定了物料進、出管線的數量，以及各股物料在管線中的排列位置和進、出料順序，并根據計算結果，對工藝進行了優化，確定了生產高純度產品的液相模擬移動床物料進、出管線沖洗工藝。

關鍵詞：模擬移動床；計算流體力學；吸附分離；管線沖洗

在石油化工生產中，由于某些同分異構體的物化性質非常相近，比如沸點，采用一般的精餾技術難以將它們分離。采用結晶等其他分離技術，由于收率不高、能耗較高等因素，很難實現大規模工業生產[1]。液相逆流模擬移動床(SMB)吸附分離技術是應用最廣泛的分離這類同分異構體混合物的工業技術[2]。SMB吸附分離技術來源于色譜分析技術。通過放大色譜柱的體積，并增加吸附劑的物理機械強度，就出現了現代移動床吸附分離工藝[3]。然而，移動床固體吸附劑用量大，吸附劑顆粒易磨損，而且吸附劑移動導致的顆粒分布不均會造成床層的高空隙率，嚴重影響液體的分配和吸附分離的效果。在移動床的基礎上，出現了逆向模擬移動床。它將吸附分離各部分運動的參考點由“靜止的物料進出口”改變為“靜止的吸附劑”，原來分子篩逆向移動的功能就由不斷向下躍遷的物料進、出口來實現，避免了移動床操作的諸多不利因素[4]。為了實現物料進、出口的躍遷，吸附塔內被劃分為若干吸附劑床層。床層間吸附劑不連通，而液相物料連通，可以在整個吸附塔內自上而下流動。每個吸附劑床層都必須設置物料進、出管線，連接不同的物料儲罐。在不同的步進時間，控制這些管線的開閉，使物料進、出口同步向下躍遷，從而實現固定在吸附塔內的吸附劑模擬地向上移動。最基本的物料有4種，原料、解析劑、抽出液和抽余液。為了提高產品的純度和收率，還需要設置適當的管線沖洗物料，并合理安排進、出料順序和進、出料管線的位置。整個吸附塔進、出物料的種類以及物料進、出管線的數量，位置和進、出料順序，就成為了模擬移動床吸附分離工藝的核心。

SMB吸附分離技術一直被美國環球油品公司(UOP)和法國石油研究院(IFP)壟斷，主要用于分離C8芳烴異構體[5,6]和石腦油中的正、異構烷烴[7-8]。

UOP的SMB吸附分離技術中，所有床層各有一根管線連接到一個旋轉閥上，旋轉閥還與原料、解吸劑、抽出液、抽余液和管線沖洗等進、出物料管線相連。旋轉閥周期性旋轉，使進、出物料管線依次與連接不同床層的管線連通，形成模擬的兩相逆流接觸。由于解析劑和其它外部物流的引入和內部物流的導出共用一條物料管線，所以該工藝在切換操作前，必須沖洗管線，沖洗物料的數量為2～4個。有向吸附塔內沖洗的物料，如采用導入部分抽出液；也有向吸附塔外沖洗的物料，如采用抽出部分解析劑[9-11]。

IFP的SMB吸附分離工藝在原理上與UOP的類似，但是每個吸附劑床層的物料進、出管線設置方式不同，這也是2種技術的主要差別。每個吸附劑床層都與6根物料進、出管線相連，分別是原料、解吸劑、抽出液、抽余液、沖洗物料和與下一個吸附床層相連的旁路管線。每根物料管線均采用一個程控閥門控制開閉，提高了裝置的靈活性。由于每個吸附劑床層物料的導入和抽出設有單獨的管線，管線沖洗的方式也有所不同，主要采用連續的旁路沖洗來消除物料間的影響，保證產品的純度[12]。

中國SMB吸附分離工業裝置大多由國外引進。在吸附劑的開發上，中國已經取得重要進展，中國石化石油化工科學研究院研發的RAX-2000和RAX-3000型吸附劑的各項分離性能和物化指標均已達到或超過當時國外同類產品水平。工業應用結果表明，在對二甲苯(PX)純度為99.7%時，收率達99.1%[13-14]。石油化工科學研究院和中國石化工程建設有限公司也已經成功開發出高性能的吸附塔內構件[15-17]和控制系統。作為SMB吸附分離工藝的重要組成部分的物料進、出管線亟需研究和優化。

1SMB計算模型設置

由于模擬移動床技術的復雜性，在實驗室進行物料進、出管線的優化非常困難。進行工業規模的管線實驗，由于投資過大等因素，也不現實。解決這個問題的最佳方法是進行計算流體力學的模擬計算。

計算流體力學(Computational fluid dynamics, CFD)是建立在經典流體力學與數值計算方法基礎之上的一門新型獨立學科。基本思想是將原來在時間域及空間域上連續的物理量的場(如速度場和壓力場)用一系列有限個離散點上的變量值的集合代替；通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上變量間關系的代數方程組，然后求解代數方程組，從而獲得場變量的近似值[18]。

針對本研究涉及的吸附分離過程床層管線優化問題的計算，需要用到流體力學基本方程， 包括質量守恒方程(式(1))[19]、動量守恒方程(式(3)～式(5))[20]和組分質量守恒方程(式(6))[21]。若流體為不可壓縮流體，ρ為常數，則式(1)變形為連續性方程(式(2))。式(3)～(5) 3個方程也稱為Navier-Stokes方程，而式(6)用于計算管線內物料切換后各組分在管道內的質量分數分布情況。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2SMB物料進出管線的方式

如上所述，模擬移動床吸附分離進、出料管線有2種方式，旋轉閥和程控閥。旋轉閥是UOP公司的專有技術，對于閥門的設計、制造、安裝和操作要求很高，而且很難應用到規模較大的裝置。程控閥是石油化工工業中常用的設備，設計簡單，安裝、操作和更換都比較方便，更適合應用于大規模工業裝置。IFP的工藝中，采用單獨的管線分別進行吸附塔內物料的抽出和吸附塔外的物料導入，使得吸附塔內管線異常復雜，給安裝和設備穩定操作造成很大困難。旁路沖洗不但會產生額外的能耗，而且會對吸附塔內的物料濃度造成較大的擾動，影響整個吸附分離過程的效率[22]。綜合以上因素，理想的吸附分離工藝是選用程控閥實現SMB工藝，每個吸附劑床層與所有的物料儲罐連通，且采用一根管線兼顧吸附塔內物料的抽出和吸附塔外物料的導入，并采取適當的措施消除物料切換對管線造成的污染。

3SMB物料進出管線初步計算

以年產3×104t對二甲苯(PX)吸附分離工業裝置中一個床層的物料進、出管線為研究體系，操作溫度為177℃，操作壓力為0.9 MPa，步進時間為95 s，要求生產的PX產品純度大于99.7%，即管路內的污染不能超過0.3%。

3.1簡單管線污染情況計算

圖1為簡化管路模型。首先，分析可能對管線造成污染的情況。(1)采出抽出液E之前殘留在床層管線及分配管線中的原料F；(2)進解吸劑D之前殘留在床層管線及分配管線中的抽出液E；(3)進原料F之前殘留在床層管線及分配管線中的抽余液R。然后，將互不污染的物料放在一起，將互相污染的物料分開，考察是否能消除管路的污染。將物料分為2組，D和E為一組與支管2連接，R和F為另一組與支管1連接，將兩組物料分別連接在兩個支管然后匯聚到床層管線，然后接入吸附塔每個吸附劑床層，如圖1所示。

根據裝置規模和工藝條件，管內各股物料的質量分數和流量列于表1。其中，PX是目標產品，對二乙苯(PDEB)是解吸劑，其他C8芳烴(Other C8)是污染物。模擬條件：(1)管線內充滿解吸劑D，支管 2關閉，抽余液R從主管流向支管1，流量0.039 m3/s，時間95 s；(2)支管2關閉，原料F從支管1流向主管，流量0.019 m3/s，時間95 s。3根管管徑均為100 mm。

圖1　簡化管路模型

Streamw(PX)/%w(OtherC8)/%w(PDEB)/%qV/(m3·s-1)D001000.030F198100.019E300700.012R035650.039

針對圖1所示的管路模型，進行3種程度的離散，分別劃分為1×104網格、3×104網格和8×104網格。計算解吸劑D進入管路時，管內的流場，結果列于表2。從表2可見，3×104網格的離散程度既能保證計算的精度，又能大大縮短計算時間。后面的計算均按3×104網格的劃分方法對模型進行離散。計算結果如圖2所示。

表2　3種網格數量CFD模擬結果對比

由圖2可知，兩步操作過程中，盡管支管2是封閉的，仍有部分PDEB隨R和F從支管1流出，同時也有部分R和F中的污染物質進入支管2。對CFD模擬結果進行詳細的計算，從管路交點沿支管2取1段1 m長的管路段，其體積約0.008 m3，此段為影響最大的區域，混入的雜質質量分數為40%。如果此時抽出抽出液E，E的流量為0.012 m3/s，則一個步進95 s內抽出的E的體積為1.188 m3，其中PX質量分數為30%，則最終的PX產品中雜質的質量分數至少為0.8%，影響較大，必須進行適當優化。

圖2　簡單管路中PDEB質量分數分布

3.2簡單管理優化計算

為了降低管路中的污染，可采用2種優化方法，即在支管2和總管連接處加一節變徑或限流孔板。相應的物理模型如圖3所示。同樣進行抽出抽余液R和導入原料F的操作，從管路交點沿支管2一段1 m長的管路段內PDEB質量分數變化情況如圖4所示。

圖3　簡單管路的2種變徑和2種孔板物理模型

圖4　幾種結構的管路中PDEB質量分數(w)的分布

由圖4可知，使用50 mm短管直節變徑，能大大減少支管2中的PDEB對支管1和主管中物料的污染。使用篩板也可以一定程度降低這種污染，但是篩板的位置應該盡量接近三通中心。單孔篩板的效果好于多孔篩板。雖然支管2通過50 mm的直節變徑這一方案對降低支管2內的污染有顯著的效果，但是其0.26%的污染太接近極限值，還需采取進一步措施。

4SMB復雜物料進出管路計算

既然不能忽略各股物料間的相互影響，就必須設置沖洗物料消除管路內的污染。根據產生污染的原因，設置3種沖洗物料，即解吸劑沖洗物料 C1，組成與解吸劑D相同；抽出液沖洗物料C2和C3，組成與抽出液E相同；原料沖洗物料C4，組成與原料F相同。為了保證抽出液E的純度，設置2股抽出液沖洗。

4.1復雜物料進出管路初步計算

沖洗方案：C1位于D和E之間，C2、C3位于E和F之間，C4位于F和R之間，排布方式如圖5所示。

模擬過程：先假定所有管路充滿D，然后依次進行出R、進C4、進F、進C3、進C2、出E、進C1、進D，步進時間都是90 s。然后再計算1個周期。計算結果如圖6所示。

圖5　復雜物料進出管路模型

由圖6可知，C3沖洗后，管路兩端仍有大量其它C8芳烴雜質未被沖干凈。C2沖洗后，總管右側的其它C8芳烴雜質基本沖洗干凈，但是左側仍有大量殘留。這些殘留將隨抽出液E抽出，造成PX產品污染。管路內各種物質質量隨時間變化列于表3。

由表3可知，在導入原料F后，管路內殘留大量其他C8芳烴雜質，并隨抽出液E一起抽出，影響產品純度。由此可以計算抽出液E的污染程度。

圖6　復雜管路內各物料質量分數分布

Operationm(PDEB)/kgm(OtherC8)/kgm(PX)/kgInitial17.9550.0000.000DrawingR11.7686.0810.000FlushingC43.83611.6162.291IntroducingF0.37014.0573.263FlushingC39.9662.9734.882FlushingC211.7860.8275.232DrawingE12.2600.2815.311FlushingC116.9360.1200.882IntroducingD17.6690.0350.246

從吸附床層抽出進入管路的E的質量流速為8.877 kg/s，90 s內流入管路的PX質量為239.685 kg，殘留在管內PX質量為0.079 kg，流出管路的PX質量為239.606 kg，隨E抽出的其它C8質量為0.546 kg，污染程度為0.23%。雖然低于0.3%，但是比較接近極限值，一旦其它操作出現波動，將難以保證PX產品99.7%的純度，必須進一步優化。同理可計算出對F的污染為1.489%，對D的污染為0.037%。

4.2復雜物料管路優化

造成抽出液E污染的原因是管路沖洗物料C2和C3不能完全將管路中靠近抽余液R抽出口處的其它C8芳烴殘留沖干凈。在抽出液E抽出時，此處殘留的物料就會隨E流出，對PX產品造成污染。因此，可以移動C3的位置使之更接近抽余液R抽出口，相應的計算模型如圖7所示，計算結果示于圖8。

圖7　移動C3后的復雜管路計算模型

圖8　移動C3后的復雜管路內各物料質量分數分布

由圖8可知，移動C3后，污染情況明顯改善，能比較徹底地將主管左側區域的其它C8芳烴殘余沖洗掉。經過C2再次沖洗后，管路內其它C8殘留量非常少，大大降低了對PX產品的污染。不同步進時間管路內各組分殘留的質量列于表4。

表4　移動C3后復雜管路內各組分質量殘留

由表4可知，改變C3位置后，沖洗效果明顯改善，沖洗后管路內殘存的污染雜質質量明顯下降。詳細計算管路內的污染程度，結果列于表5。

表5　移動C3后復雜管路污染程度計算結果

表5結果表明，管路內的污染情況比移動C3前大幅降低，對抽出液E的污染只有0.110%，基本能滿足PX產品純度達到99.7%的要求。而且與移動C3前對比，對原料F和解吸機D的污染程度也很小。對F的污染程度降低，有益于提高產品收率。對D的污染程度降低，則可在解吸劑D回收時降低精餾過程的能耗。

5結論

運用CFD對模擬移動床吸附分離過程中與每個吸附劑床層相連接的物料進出管線進行了設計和優化。當管路內物料切換時，會對管路產生較大的污染。將互不污染的物料排列在一起，與互相污染的物料分置于連接吸附塔的總管兩側的方案，能有效的降低管路內的污染，但是達不到產品純度要求。改變管徑和加入內構件后，管路內的污染程度大大降低，但是仍難以完全滿足PX產品純度要求。

對一個包含4股沖洗物料的物料管線進行CFD模擬計算結果表明，設置沖洗物料能有效降低管路內的污染，但是由于C3的沖洗位置不合理，導致管路污染程度仍難以滿足要求。調整C3的位置后，C3沖洗管線更靠近抽余液R抽出口，能大大降低管路內物料的污染，提高產品純度，而且也滿足PX產品收率要求，并能降低能耗。

符號說明：

cs——組分s的體積分數，%；

C1～C4——四股沖洗液；

Ds——組分s的擴散系數；

D——解吸劑；

E——抽出液；

F——原料；

m——質量，kg；

P——壓力，MPa；

qV——體積流量，m3/s；

R——抽余液；

Sx、Sy和Sz——流體在x、y和z3個方向上的廣義源項，kg/(m3·s)；

Ss——單位時間和單位體積內化學反應產生的組分s的質量，kg/(m3·s)；

t——時間，s；

u——流體的速度矢量，m/s；

ux、uy和uz——x、y和z方向上的速度分量，m/s；

w——組分的質量分數，%；

X——管路交點沿支管2延伸的距離，m；

φ——孔板直徑，mm；

ρ——流體的密度，kg/m3；

μ——流體的動力黏度，Pa·s。

參考文獻

[1] 王德華， 王建偉， 郁灼， 等. 碳八芳烴異構體分離技術評述[J].化工進展, 2007, 26(3): 315-319. (WANGDehua,WANGJianwei,YUZhuo,etal.ReviewofC8aromaticsseparationtechnologies[J].ChemicalIndustryandEngineeringProgress, 2007, 26(3): 315-319.)

[2]GENTRYJC.Innovativetechnology[J].HydrocarbonEngineering，2002, 7(6): 49-54.

[3] 葉振華, 宋清, 朱建華．工業色譜基礎理論和應用[M].北京：中國石化出版社，1998： 196-224.

[4] 丁明. 吸附分離技術在PX工業生產中的運用[J].化學工程與裝備，2009，(11)： 61-66. (DINGMing.Applicationofadsorptiveseparationtechnologyinindustry[J].ChemicalEngineering&Equipment, 2009, (11): 61-66.)

[5] 趙毓璋， 景振華. 吸附分離對二甲苯技術進展[J].煉油技術與工程，2003，33(5):1-4. (ZHAOYuzhang,JINGZhenhua.Developmentofp-xyleneadsorptiveseparationtechnology[J].PetroleumRefineryEngineering, 2003, 33(5): 1-4.)

[6] 伍于璞， 彭世浩.IFP的對二甲苯吸附分離技術[J].煉油設計， 1999， 29(4): 17-18. (WUYupu,PENGShihao.Thep-xyleneadsorptiveseparationtechnologyofIFP[J].PetroleumRefineryEngineering, 1999, 29(4): 17-18.)

[7] 姚志龍， 趙毓璋. 正構烷烴吸附分離技術進展[J].化工進展， 2003， 22(6)： 589-592. (YAOZhilong,ZHAOYuzhang.Recentdevelopmentofnormalparaffinadsorption-separationtechnology[J].ChemicalIndustryandEngineeringProgress, 2003, 22(6): 589-592.)

[8]FOLEYT,GREERD,PUJADOP.MaximizingethylenewithMaxEne[J].HydrocarbonEngineering, 2001, 6(8): 35-41.

[9] 李鳳生. 優化吸附分離裝置旋轉閥操作提高對二甲苯收率[J].石油化工設計， 2004， 21(3)： 61-64. (LIFengsheng.Optimizationoperationofrotaryvalvestoincreaseparaxyleneyield[J].PetrochemicalDesign, 2004, 21(3): 61-64.)

[10] 張捷. 對二甲苯聯合裝置中的吸附塔和旋轉閥[J].河南化工， 1996， (7)： 32-35. (ZHANGJie.Theadsorbingtowerandrotaryinthecombinedunitofparaxylene[J].HenanChemicalIndustry. 1996, (7): 32-35.)

[11] 田守福, 于寶全， 康茜. 偏芯旋轉閥在吸附分離裝置上的應用[J].化工自動化及儀表, 2004, 31(2): 76-77. (TIANShoufu,YUBaoquan,KANGQian.Applicationofeccentricrotaryintheadsorptiveseparationunit[J].ControlandInstrumentsInChemicalIndustry, 2004, 31 (2): 76-77.)

[12] 法國石油公司. 模擬移動床吸附裝置中的淋洗設備及其應用: 中國, 1092535C[P].1997.

[13] 王輝國， 郁灼， 王德華， 等.RAX-2000A型對二甲苯吸附劑的工業應用[J].石油煉制與化工， 2007， 38(9)： 23-27. (WANGHuiguo,YUZhuo,WANGDehua,etal.CommercialapplicationofRax-2000Aadsorbentforp-xyleneseparation[J].PetroleumProcessingandPetrochemicals, 2007, 38(9): 23-27.)

[14] 尹起浩, 邵光鵬. 國產芳烴吸附劑打破國外技術壟斷格局[J].中國石化， 2004， 231(12)： 17-23. (YINQihao,SHAOGuangpeng.Domesticaromaticadsorbentsbreakthemonopolyofforeigntechnology[J].ChinaPetrochemicalIndustry, 2004, 231(12): 17-23.)

[15] 中國石油化工股份有限公司. 流體分布設備: 中國， 102451647A[P]. 2010.

[16] 中國石油化工集團公司. 一種液體混合收集分配裝置: 中國， 201592090U[P]. 2010.

[17] 中國石油化工股份有限公司. 一種流體混合分布設備: 中國， 203907217U[P]. 2010.

[18] 周雪漪. 計算水力學[M]. 北京: 清華大學出版社，1995: 4-5.

[19] 戴干策， 陳敏恒. 化工流體力學[M]. 北京： 化學工業出版社， 2005: 145-148.

[20]BATCHELORGK.AnIntroductiontoFluidDynamics[M].Cambridge:CambridgeUnivPress, 1967: 10-205.

[21]PATANKERSV.NumericalHeatTransferandFluidFlow[M].WashingtonDC:Hemisphere, 1980: 1-103.

[22] 王致清. 流體力學基礎[M]. 北京: 高等教育出版社, 1987:30-188.

[23] 強霄航， 曹森.ELUXYL對二甲苯吸附分離工藝吸附塔管道的設計[J]. 煉油技術與工程， 2004， 34(4): 41-43. (QIANGXiaohang,CAOSen.DesignoftheadsorberpipelineinELUXYLPXadsorptiveseparationprocess.PetroleumRefineryEngineering, 2004, 34(4): 41-43.)

CFD Simulations for Optimization of Feeding and DischargingPipelines of Simulated Moving Bed

ZHU Zhenxing, WANG Dehua, WANG Shaobing, WANG Lulu, MAO Junyi

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing,SINOPEC,Beijing100083,China)

Abstract：Adsorptive separation technology with simulated moving bed is mainly applied in separation of mixture, in which the components possessed similar boiling points and different adsorption abilities, to produce high purity product. The feeding and discharging pipelines are set up for every adsorbing bed in a simulated moving bed. The number and position of pipelines are the important factors affecting the process of adsorptive separation. The number and position of pipelines and switching schedule of feeding and discharging were calculated by computational fluid dynamics (CFD) simulations. Then the optimization was carried out based on the calculating results, and a flushing process of feeding and discharging pipelines for a simulated moving bed to produce high purity product was developed finally.

Key words：simulated moving bed; computational fluid dynamics (CFD); adsorptive separation; pipelines cleaning

收稿日期：2015-09-09

基金項目：中國石化科研開發課題項目(107011)資助

文章編號：1001-8719(2016)03-0531-08

中圖分類號：TE969

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.013

通訊聯系人： 朱振興，男，高級工程師，博士，從事計算流體力學計算、漿態床反應器及內構件開發、模擬移動床內構件開發等領域的研究；E-mail：zhuzx.ripp@sinopec.com