基于Aspen Plus軟件的對二甲苯生產工藝全流程模擬及優化

夏國政，段昌義，鄒琳玲，晉 梅

(江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

對二甲苯是一種重要的有機化工原料，在化纖、合成樹脂、農藥、醫藥、塑料等諸多化工生產領域有著廣泛的用途。近年來，隨著聚酯工業的迅速發展，帶動國內對二甲苯產能不斷增加[1-2]。常用于生產對二甲苯的方法主要有芳烴聯產法(催化重整)、甲苯選擇性歧化法、甲苯甲基化法、芳烴異構化法和生物基法[3]。其中，芳烴聯產法具有技術成熟、產量大、產率高和利潤大的優勢，然而，工藝路線過長且原料成分復雜、投資大、投資回收期長；甲苯選擇性歧化法的特點是工藝流程簡單、投資小、生產成本低，但必須與下游產品的生產裝置聯合才能避免經濟效益較低；甲苯甲基化法具有選擇性高、催化劑可循環再生利用的特點，然而生產成本較高、污染較大、且產品單一、副反應多；芳烴異構化法工藝簡單、轉化率高，原料可循環利用，但也存在原料來源較少導致的無法大規模生產的弊端；生物基法成本低、環保，但工藝尚不成熟、生產過程復雜以及操作難度大[3-5]。本文提出對二甲苯的生產工藝可采用甲苯擇形歧化和苯甲基化相結合的工藝生產技術，可提高原料甲苯的利用率，并盡可能將副產物苯轉化為目的產物，相比于其他工藝生產過程而言，具有原料利用率高、環境污染小、副產少以及能耗、物耗和投資都相對較低的優勢，具有較好的發展前景。

Aspen Plus軟件是基于穩態化工模擬、靈敏度分析、優化和經濟評價的大型化工流程模擬軟件，具有完備物性系統和完整單元操作模型庫，可用于各單元操作過程模擬及全工藝流程的模擬[6]。另外，Aspen Plus還可用于工藝過程的研究開發、工廠建設和操作過程等的技術經濟評價，在化工和石化行業中得到廣泛應用。本文采用Aspen Plus軟件，對甲苯擇形歧化和苯甲基化相結合進行對二甲苯的生產工藝進行流程模擬與優化，為對二甲苯工業化生產提供思路。

1 對二甲苯生產工藝模擬流程

采用甲苯擇形歧化和苯甲基化相結合的工藝生產對二甲苯的工藝流程包括三個工段：甲苯擇形歧化工段、苯烷基化工段和分離提純工段，其模擬工藝流程圖如圖1所示。

圖1 對二甲苯生產模擬流程圖

1.1 甲苯擇形歧化工段

工業甲苯進入混合器M1，經加熱爐H1加熱至350℃后進入徑向平推流反應器R1，R1操作條件為：反應溫度350℃，反應壓力1.5 MPa，采用改性ZSM-5分子篩，反應轉化率36%，選擇性87%，質量空速4 h-1。在R1中，主反應為甲苯擇形歧化，副反應為對二甲苯的脫甲基化和對二甲苯的異構化。反應產物通過換熱器H2將溫度降至60℃后經閃蒸罐S1進行分離，塔頂乙烯送去儲罐，塔底產物加壓后進入苯塔T1。T1塔頂物料苯調節溫度后送入到混合器M2，塔底物料調節壓力溫度后進入甲苯塔T2。T2塔頂分離出甲苯循環回混合器M1循環利用，塔底產物調節溫度后送至分離提純工段。

1.2 苯烷基化工段

來自甲苯擇形歧化工段T1塔頂的苯進入混合器M2與工業級甲醇預混合，通過加熱爐H3預熱至394℃后送入烷基化固定床反應器R2，反應溫度為394℃，反應壓力為1.2 MPa，采用改性HP/ZSM-5分子篩，反應轉化率48%、選擇性50%，質量空速為8 h-1，主反應為苯烷基化生成甲苯，副反應為甲苯進一步烷基化生成二甲苯、三甲苯。反應產物反經過換熱器H4將溫度調節至60℃送至閃蒸罐S2，S2頂部分離出甲醇和一小部分苯，底部水、苯和甲苯送至傾析器S3分離為水相和有機相，其中有機相經調節溫度和壓力后送入苯塔T3，T3塔頂產物苯調節溫度后循環回混合器M2，塔底出料送至甲苯塔T4分離出甲苯循環回混合器M1循環利用，T4塔底出料送至分離提純工段。

1.3 分離提純工段

甲苯擇形歧化工段和苯烷基化工段產生的混二甲苯經混合器M3混合后，進入吸附分離提純工段，采用UOP的 Parex 專利技術，在S4中將對二甲苯與其同分異構體進行分離，吸附劑采用ADS-27吸附劑，解吸劑采用對二乙基苯，吸附分離后得到純度不低于99.5%的對二甲苯。

2 流程模擬結果

2.1 物性方法和模塊選擇

在Aspen Plus軟件中，物性方法中NRTL方程適用于二元和多元的汽液平衡，且適用于完全互溶和部分互溶體系，能夠準確模擬非理想汽液和液液平衡[6]，適用于對二甲苯生產過程，因此，選擇NRTL物性方法。

圖1所示的模擬流程中所涉及的單元設備主要有反應器、分離罐、換熱器、精餾塔和泵等。在模擬計算中，反應器用RStoic模塊；精餾塔先用DSTWU模塊(簡捷設計模塊)模擬出回流比、塔板數和進料位置，之后用RadFrac模塊(嚴格計算模塊)進行嚴格核算，并采用靈敏度分析進行操作條件的優化；換熱器采用Heater模塊模擬物流換熱過程，換熱網絡優化完成后換用HeatX模塊；泵用Pump模塊；混合器用Mixer模塊；分離罐用Sep模塊。

2.2 初步流程模擬結果

純度不低于99.5%對二甲苯的工藝流程模擬以生產實際裝置數據為模擬計算基礎數據，實現工藝流程的物料衡算，初步物料衡算流程模擬結果如表1所示。

表1 對二甲苯生產過程初步物料平衡表(質量分數 %)

2.3 精餾塔靈敏度分析及優化

表2 精餾塔T1、T2、T3和T4的優化結果

為了達到節能的目的，在初步流程模擬計算結果的基礎上，對圖1中甲苯擇形歧化工段中苯塔T1和甲苯塔T2、苯烷基化工段苯塔T3和甲苯塔T4進行靈敏度分析及操作條件的優化，使四個精餾塔的熱負荷最優。在靈敏度分析過程中，根據理論板數、回流比、進料位置、D/F對塔底流率、塔頂流率、再沸器熱負荷的影響以獲得精餾塔的優化參數，結果如表2所示。

2.4 流程模擬校核結果

在初步流程模擬結果的基礎上，通過對精餾塔進行靈敏度分析及操作條件的優化后，重新進行全流程模擬校核，獲得如表3的校核結果。

表3 對二甲苯生產過程物料衡算表 (質量分數 %)

2.5 討論

采用甲苯擇形歧化和苯甲基化相結合的工藝生產對二甲苯的全流程物料平衡表3和初步模擬結果的物料平衡表1相比，可以得出：

(1)原料和產品的質量分數含量稍有差異，說明精餾塔的靈敏度分析和優化結果對全流程的模擬結果有一定的影響，但是影響并不大，這主要是模擬過程中采用了工業基礎數據進行初步模擬所致。

(2)從產品組成可獲得對二甲苯的純度為99.54%，滿足產品的純度要求。

(3)原料中甲醇的循環利用率為100%，甲苯的有效利用率為95%，說明原料的利用率高。

(4)以100 kg/h原料計，可生產產品對二甲苯67.37 kg/h，副產物為水、間二甲苯、鄰二甲苯以及三甲苯，副產水量為14.35 kg/h，占整個副產物的44.0%，說明副產物較少，對環境污染較小。

(5)以塔熱負荷最優為優化目標，通過對精餾塔進行靈敏度分析后得到精餾塔的操作條件，意味著在該操作條件下，精餾塔能耗相對較小。

3 結論

本文采用Aspen Plus軟件對所提出甲苯擇形歧化和苯甲基化相結合生產對二甲苯的工藝技術進行模擬計算。在初步模擬計算的基礎上，根據塔熱負荷最優的優化目標，對甲苯擇形歧化工段中苯塔T1和甲苯塔T2、苯烷基化工段苯塔T3和甲苯塔T4進行靈敏度分析并獲得優化操作條件。在此基礎上，對對二甲苯生產流程的模擬結果進行校核，從校核后的全流程模擬結果可以看出，所提出甲苯擇形歧化和苯甲基化結合工藝進行對二甲苯的生產過程，可獲得對二甲苯純度為99.5%，另外，該工藝還具有原料利用率高、副產物量少且對環境污染較小的優勢。