鄰二甲苯塔的模擬與優化

周蔡成（中國石化揚子石化芳烴廠，江蘇 南京210048）

揚子石化芳烴廠二甲苯裝置主要生產高純度PX 產品，聯產OX 產品，自2019 年下半年以來，OX 市場行情見長，價格居高不下，為了達到公司產量要求且實現效益最大化，在保證OX產品質量合格（≥98.2%，ipb≤0.3%，NA+C9≤1%，PX+MX≤1.3%）的前提條件下，高產OX迫在眉睫，不過現階段主要依據經驗操作法對DA-3601 塔卡邊操作，極易造成產品不合格等質量問題。因此，希望利用Aspen Plus 流程模擬軟件[1]對現有的裝置進行技術分析，找出較佳的操作條件，為DA-3601塔的高產操作提供理論依據，改進生產操作參數，提高裝置的經濟效益。

1 裝置簡介

1.1 裝置歷史

揚子石化芳烴廠共有1#及2#兩套二甲苯裝置，1#二甲苯分餾裝置800#單元原設計處理量282 萬噸/年，1997 年設計處理量為399.4 萬噸/年，共有2 個二甲苯分餾塔DA-801、DA-804，其塔底富含OX 的C8+A 料送往鄰二甲苯裝置3600#單元和制苯DA-506塔，以聯產OX，原設計生產OX產品8萬噸/年；140 萬噸/年改造項目完成后，新增2#二甲苯分餾裝置8500#單元設計處理量182萬噸/年，有1個二甲苯精餾塔DA8501，其塔底富含OX的C8+A料也送往DA-3601，OX產品產量提高到20萬噸/年。

1.2 生產工藝

圖1 芳烴廠二甲苯車間OX生產工藝流程圖

芳烴廠二甲苯車間OX生產工藝流程圖如圖1所示。來自800#裝置二甲苯分餾塔DA-801、DA-804 或者8500#裝置二甲苯分餾塔DA-8501 塔底物料進入精餾塔DA-3601 塔，經過分離，塔頂產出合格的OX 產品，塔底重組分進入DA-802 塔進一步分離，采用BA3601為熱源，并副產中壓蒸汽。

2 模型的建立

2.1 物性方法的選取

物性方法是用于計算一個模擬中所需性質的物性模型的集合[2]，物性方法的正確選擇是化工流程模擬的關鍵之一。由于DA-3601塔模擬過程中所涉及的組分如OX、C8芳烴、C9芳烴及C10及以上為非極性或者弱極性的有機物質，且是真實組分，其中RK-SOAVE 方程廣泛應用于石油等加工過程，因此，選擇RK-SOAVE方程對DA-3601塔進行計算。

2.2 模型的選擇

Aspen Plus 模擬軟件中，關于精餾模塊的模型主要有Distl簡潔計算模型與RadFrac 嚴格計算模型，由于DA-3601 塔塔板數固定為100 塊，選取RadFrac 嚴格計算模型對DA-3601 塔進行模擬計算。

2.3 模擬流程

針對DA-3601塔的特點及研究目的，對部分設備進行必要的簡化處理，Aspen Plus模擬軟件中DA-3601流程示意圖如圖2所示。

圖2 Aspen Plus模擬軟件中DA-3601流程示意圖

2.4 建模數據及優化目標

DA-3601 塔進料來自2#裝置二甲苯精餾塔DA-8501 的塔釜料，收集2020 年1 月1-6 日DA-8501 塔釜出料S85/02 及OX產品S36/01 數據的平均值做為建模數據，數據見表1。DA-3601塔塔板數固定為100塊。

表1 DA-3601塔建模數據

現有工況：依據經驗操作法對DA-3601 塔卡邊操作生產OX，易造成產品不合格等質量問題。

優化目標：目前工況下，利用Aspen Plus流程模擬軟件探索較佳的操作條件，為DA-3601塔高產OX的操作提供理論依據。

3 運行分析及優化

依據建模數據，利用Aspen Plus 流程模擬軟件對DA-3601塔進行模擬計算，模擬結果如圖3所示。

圖3 Aspen Plus模擬結果圖

由圖3可知，模擬出產品OX的質量分數為99.33%，與實際值99.40%之間相對偏差小于5%，實際值與模擬值吻合較好，因此所建立的實際生產數據模型符合本裝置的實際工況，可作為調優計算的基礎。

3.1 回流比對產品OX純度的影響。

利用Aspen Plus 流程模擬軟件中的Sensitivity 靈敏度分析模塊[3]，分析DA-3601 塔回流比對產品OX 純度的影響，模擬結果如圖4所示。

圖4 DA-3601塔回流比對產品OX純度的影響

由圖4 可以看出，隨著DA-3601塔回流比的增大，產品OX的純度也隨之提高，不過當回流比大到一定程度之后，再提高回流比產品OX 的純度變化不大，因此在實際操作過程中需選取合適的回流比，由圖4 可知，在能達到產品純度要求的前提下，較適合本工況的回流比為6-8。

3.2 回流比對熱源熱負荷的影響。

在能達到產品純度要求的前提下，利用Aspen Plus 流程模擬軟件中的Sensitivity 靈敏度分析模塊，分析DA-3601 塔回流比對熱源熱負荷的影響，模擬結果如圖5所示。

圖5 DA-3601塔回流比對再沸器熱負荷的影響

由圖5 可以看出，隨著DA-3601 塔回流比的增大，熱源熱負荷也隨之提高，說明所需的燃料量也隨之增大，這不僅影響了裝置的經濟型，也會帶來相應的環境污染問題，因此，在實際生產過程中回流比不易過大，只要能滿足裝置的實際生產需求即可。

3.3 OX產品產量對產品純度的影響。

為了探究OX 產品產量對產品純度的影響，在DA-3601 塔進料組成及進料量不變的情況下，用塔頂采出量與進料量的比值來代替OX產品產量，利用Aspen Plus流程模擬軟件中的Sen?sitivity 靈敏度分析模塊，以“Distillate to feed ratio”值為自變量，產品OX 純度值為應變量，分析OX 產品產量對產品純度的影響，模擬結果如圖6所示。

圖6 DA-3601塔塔頂采出與進料比對產品OX純度的影響

由圖6可以看出，隨著DA-3601塔塔頂采出與進料比即OX產品產量的增加，產品純度呈先上升后下降的趨勢，且在純度達到最高點之前均保持較高水平，在純度達到最高點之后下降趨勢明顯，這與進料組成的分布有關，因為DA8501塔釜液中輕組分較少，重組分較多，因此OX 產品采出較小的時候，以輕組分為主，不過輕組分的量較少，所以OX產品純度上升趨勢不明顯，當OX 產品采出較大時，幾乎所有的輕組分都已經被采光，后增加的重組分影響產品純度，在卡邊操作高產OX的過程中，不能超過臨界值，符合本工況較佳的塔頂采出與進料比為不超過0.3。

3.4 進料位置對OX產品純度及收率的影響。

利用Aspen Plus 流程模擬軟件中的Sensitivity 靈敏度分析模塊，分析DA-3601 塔進料位置對OX 產品的影響，主要包括OX產品的純度與收率（OX產品的收率=塔頂采出中OX的質量/進料中OX的質量），模擬結果如表2所示。

表2 DA-3601進料位置對OX產品純度及收率的影響

由表2可以看出，在其他操作工況不變的情況下，DA-3601進料位置在第10塊塔板及90塊塔板的時候，OX產品的純度及收率均不及進料位置在第50 塊塔板的時候高，進料位置在第10 塊塔板時，精餾段塔板數較少，進料位置在第90 塊塔板時，提餾段塔板數較少，都不利于分離，因此進料位置過高或者過低都不合適，較佳的進料位置是第50塊塔板。

4 結論

（1）依據目前實際進料數據及DA-3601塔的實際塔板數為核算基礎，探究了回流比對OX產品的影響，隨著DA-3601塔回流比的增大，產品OX的純度也隨之提高，不過熱源熱負荷也隨之提高，回流比大到一定程度之后，對產品純度的提升效果不明顯，因此，綜合考慮產品純度與能耗，較適合本工況的回流比為6-8。

（2）依據目前實際進料數據及DA-3601塔的實際塔板數為核算基礎，探究了OX 產品產量對產品純度的影響，隨著OX 產品產量的增加，產品純度呈先上升后下降的趨勢，且在純度達到最高點之前均保持較高水平，在純度達到最高點之后下降趨勢明顯，因此，在卡邊操作高產OX 的過程中，不能超過塔頂采出與進料比的臨界值，符合本工況較佳的塔頂采出與進料比為不超過0.3。

（3）依據目前實際進料數據及DA-3601塔的實際塔板數為核算基礎，探究了進料位置對OX產品純度及收率的影響，進料位置過高或者過低時，OX產品純度及收率均有所下降，因此進料位置過高或者過低都不合適，較佳的進料位置是第50 塊塔板。