鄰二甲苯塔的模擬與優(yōu)化

周蔡成（中國(guó)石化揚(yáng)子石化芳烴廠，江蘇 南京210048）

揚(yáng)子石化芳烴廠二甲苯裝置主要生產(chǎn)高純度PX 產(chǎn)品，聯(lián)產(chǎn)OX 產(chǎn)品，自2019 年下半年以來(lái)，OX 市場(chǎng)行情見長(zhǎng)，價(jià)格居高不下，為了達(dá)到公司產(chǎn)量要求且實(shí)現(xiàn)效益最大化，在保證OX產(chǎn)品質(zhì)量合格（≥98.2%，ipb≤0.3%，NA+C9≤1%，PX+MX≤1.3%）的前提條件下，高產(chǎn)OX迫在眉睫，不過(guò)現(xiàn)階段主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作法對(duì)DA-3601 塔卡邊操作，極易造成產(chǎn)品不合格等質(zhì)量問題。因此，希望利用Aspen Plus 流程模擬軟件[1]對(duì)現(xiàn)有的裝置進(jìn)行技術(shù)分析，找出較佳的操作條件，為DA-3601塔的高產(chǎn)操作提供理論依據(jù)，改進(jìn)生產(chǎn)操作參數(shù)，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

1 裝置簡(jiǎn)介

1.1 裝置歷史

揚(yáng)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(shè)計(jì)處理量282 萬(wàn)噸/年，1997 年設(shè)計(jì)處理量為399.4 萬(wàn)噸/年，共有2 個(gè)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(lián)產(chǎn)OX，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)OX產(chǎn)品8萬(wàn)噸/年；140 萬(wàn)噸/年改造項(xiàng)目完成后，新增2#二甲苯分餾裝置8500#單元設(shè)計(jì)處理量182萬(wàn)噸/年，有1個(gè)二甲苯精餾塔DA8501，其塔底富含OX的C8+A料也送往DA-3601，OX產(chǎn)品產(chǎn)量提高到20萬(wàn)噸/年。

1.2 生產(chǎn)工藝

圖1 芳烴廠二甲苯車間OX生產(chǎn)工藝流程圖

芳烴廠二甲苯車間OX生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。來(lái)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(jìn)入精餾塔DA-3601 塔，經(jīng)過(guò)分離，塔頂產(chǎn)出合格的OX 產(chǎn)品，塔底重組分進(jìn)入DA-802 塔進(jìn)一步分離，采用BA3601為熱源，并副產(chǎn)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(jì)算一個(gè)模擬中所需性質(zhì)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(guān)鍵之一。由于DA-3601塔模擬過(guò)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(jī)物質(zhì)，且是真實(shí)組分，其中RK-SOAVE 方程廣泛應(yīng)用于石油等加工過(guò)程，因此，選擇RK-SOAVE方程對(duì)DA-3601塔進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型的選擇

Aspen Plus 模擬軟件中，關(guān)于精餾模塊的模型主要有Distl簡(jiǎn)潔計(jì)算模型與RadFrac 嚴(yán)格計(jì)算模型，由于DA-3601 塔塔板數(shù)固定為100 塊，選取RadFrac 嚴(yán)格計(jì)算模型對(duì)DA-3601 塔進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.3 模擬流程

針對(duì)DA-3601塔的特點(diǎn)及研究目的，對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行必要的簡(jiǎn)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(shù)據(jù)及優(yōu)化目標(biāo)

DA-3601 塔進(jìn)料來(lái)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(chǎn)品S36/01 數(shù)據(jù)的平均值做為建模數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表1。DA-3601塔塔板數(shù)固定為100塊。

表1 DA-3601塔建模數(shù)據(jù)

現(xiàn)有工況：依據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作法對(duì)DA-3601 塔卡邊操作生產(chǎn)OX，易造成產(chǎn)品不合格等質(zhì)量問題。

優(yōu)化目標(biāo)：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(chǎn)OX的操作提供理論依據(jù)。

3 運(yùn)行分析及優(yōu)化

依據(jù)建模數(shù)據(jù)，利用Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)DA-3601塔進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 Aspen Plus模擬結(jié)果圖

由圖3可知，模擬出產(chǎn)品OX的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.33%，與實(shí)際值99.40%之間相對(duì)偏差小于5%，實(shí)際值與模擬值吻合較好，因此所建立的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型符合本裝置的實(shí)際工況，可作為調(diào)優(yōu)計(jì)算的基礎(chǔ)。

3.1 回流比對(duì)產(chǎn)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(duì)產(chǎn)品OX 純度的影響，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 DA-3601塔回流比對(duì)產(chǎn)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(chǎn)品OX的純度也隨之提高，不過(guò)當(dāng)回流比大到一定程度之后，再提高回流比產(chǎn)品OX 的純度變化不大，因此在實(shí)際操作過(guò)程中需選取合適的回流比，由圖4 可知，在能達(dá)到產(chǎn)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(duì)熱源熱負(fù)荷的影響。

在能達(dá)到產(chǎn)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(duì)熱源熱負(fù)荷的影響，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 DA-3601塔回流比對(duì)再沸器熱負(fù)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(fù)荷也隨之提高，說(shuō)明所需的燃料量也隨之增大，這不僅影響了裝置的經(jīng)濟(jì)型，也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的環(huán)境污染問題，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中回流比不易過(guò)大，只要能滿足裝置的實(shí)際生產(chǎn)需求即可。

3.3 OX產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)品純度的影響。

為了探究OX 產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)品純度的影響，在DA-3601 塔進(jìn)料組成及進(jìn)料量不變的情況下，用塔頂采出量與進(jìn)料量的比值來(lái)代替OX產(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)品OX 純度值為應(yīng)變量，分析OX 產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)品純度的影響，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 DA-3601塔塔頂采出與進(jìn)料比對(duì)產(chǎn)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(jìn)料比即OX產(chǎn)品產(chǎn)量的增加，產(chǎn)品純度呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在純度達(dá)到最高點(diǎn)之前均保持較高水平，在純度達(dá)到最高點(diǎn)之后下降趨勢(shì)明顯，這與進(jìn)料組成的分布有關(guān)，因?yàn)镈A8501塔釜液中輕組分較少，重組分較多，因此OX 產(chǎn)品采出較小的時(shí)候，以輕組分為主，不過(guò)輕組分的量較少，所以O(shè)X產(chǎn)品純度上升趨勢(shì)不明顯，當(dāng)OX 產(chǎn)品采出較大時(shí)，幾乎所有的輕組分都已經(jīng)被采光，后增加的重組分影響產(chǎn)品純度，在卡邊操作高產(chǎn)OX的過(guò)程中，不能超過(guò)臨界值，符合本工況較佳的塔頂采出與進(jìn)料比為不超過(guò)0.3。

3.4 進(jìn)料位置對(duì)OX產(chǎn)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(jìn)料位置對(duì)OX 產(chǎn)品的影響，主要包括OX產(chǎn)品的純度與收率（OX產(chǎn)品的收率=塔頂采出中OX的質(zhì)量/進(jìn)料中OX的質(zhì)量），模擬結(jié)果如表2所示。

表2 DA-3601進(jìn)料位置對(duì)OX產(chǎn)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(jìn)料位置在第10塊塔板及90塊塔板的時(shí)候，OX產(chǎn)品的純度及收率均不及進(jìn)料位置在第50 塊塔板的時(shí)候高，進(jìn)料位置在第10 塊塔板時(shí)，精餾段塔板數(shù)較少，進(jìn)料位置在第90 塊塔板時(shí)，提餾段塔板數(shù)較少，都不利于分離，因此進(jìn)料位置過(guò)高或者過(guò)低都不合適，較佳的進(jìn)料位置是第50塊塔板。

4 結(jié)論

（1）依據(jù)目前實(shí)際進(jìn)料數(shù)據(jù)及DA-3601塔的實(shí)際塔板數(shù)為核算基礎(chǔ)，探究了回流比對(duì)OX產(chǎn)品的影響，隨著DA-3601塔回流比的增大，產(chǎn)品OX的純度也隨之提高，不過(guò)熱源熱負(fù)荷也隨之提高，回流比大到一定程度之后，對(duì)產(chǎn)品純度的提升效果不明顯，因此，綜合考慮產(chǎn)品純度與能耗，較適合本工況的回流比為6-8。

（2）依據(jù)目前實(shí)際進(jìn)料數(shù)據(jù)及DA-3601塔的實(shí)際塔板數(shù)為核算基礎(chǔ)，探究了OX 產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)品純度的影響，隨著OX 產(chǎn)品產(chǎn)量的增加，產(chǎn)品純度呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在純度達(dá)到最高點(diǎn)之前均保持較高水平，在純度達(dá)到最高點(diǎn)之后下降趨勢(shì)明顯，因此，在卡邊操作高產(chǎn)OX 的過(guò)程中，不能超過(guò)塔頂采出與進(jìn)料比的臨界值，符合本工況較佳的塔頂采出與進(jìn)料比為不超過(guò)0.3。

（3）依據(jù)目前實(shí)際進(jìn)料數(shù)據(jù)及DA-3601塔的實(shí)際塔板數(shù)為核算基礎(chǔ)，探究了進(jìn)料位置對(duì)OX產(chǎn)品純度及收率的影響，進(jìn)料位置過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，OX產(chǎn)品純度及收率均有所下降，因此進(jìn)料位置過(guò)高或者過(guò)低都不合適，較佳的進(jìn)料位置是第50 塊塔板。