基于PRO/II的甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元模擬策略研究

陳 婷，路 平，雷 楊，胥桂萍

（1.江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢科技大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

基于PRO/II的甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元模擬策略研究

陳 婷1，路 平1，雷 楊2，胥桂萍1

（1.江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢科技大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元是芳烴聯(lián)合裝置中的重要組成部分，針對歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元運用流程模擬軟件PRO/II進行建模，為整個流程的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。運用PRO/II對國內(nèi)某石化廠典型歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元進行建模，對采集的數(shù)據(jù)進行校核。模擬結(jié)果顯示，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果基本吻合，表明所運用的流程模擬策略是合理的。

歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元；PRO/II；流程模擬；數(shù)據(jù)校核

0 引言

芳烴聯(lián)合裝置主要包括重整、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、異構(gòu)化、吸附分離、萃取分離和二甲苯分離等單元，各個單元之間存在復(fù)雜的物料和能量關(guān)聯(lián)關(guān)系。甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元是芳烴聯(lián)合裝置中重要的工藝過程之一，該單元的主要目的是將相對過剩并且直接用途比較少的甲苯和C9芳烴轉(zhuǎn)化成用途廣泛的苯和對二甲苯［1-2］。甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的本質(zhì)是芳烴側(cè)鏈的烷基基團在芳環(huán)之間的移動以及重排［3］。在芳烴聯(lián)合裝置中，此單元可大幅度增產(chǎn)苯和對二甲苯，還可通過改變進料組成，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高芳烴的利用水平。

流程模擬軟件PRO/II由SIMSCI公司開發(fā)，該軟件用數(shù)學(xué)模型對各個操作單元以及整個工藝流程進行描述和模擬，是一種可以將全流程視為一個整體的大型綜合性計算模擬軟件，它包含了巨大的化學(xué)組分庫和熱力學(xué)方法，因此，較其他軟件而言，該軟件可運用于很多領(lǐng)域，如化學(xué)、石油化工、天然氣、合成燃料等，可提供比較正確及可靠的模擬計算功能［4］。因此，筆者運用流程模擬軟件PRO/II對甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元進行建模和探討，校核采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為后續(xù)的整個流程的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元工藝流程建模

芳烴聯(lián)合裝置中的甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元是整個裝置中重要的生產(chǎn)單元之一，該單元生產(chǎn)的主要原理是在氫氣和催化劑存在的條件下，以芳烴聯(lián)合裝置中價格相對較低廉的C9芳烴、甲苯以及少量的C10芳烴為原料進行烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成C8芳烴和苯［5］。

此單元包括10臺換熱器、3座分餾塔和1臺加熱爐。在本研究中，運用流程模擬軟件PRO/II對歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元進行模擬，模擬流程中不涉及歧化反應(yīng)部分。相關(guān)操作參數(shù)見表1，采用PRO/II建立的模擬流程如圖1所示。

表1 歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元主要操作參數(shù)Tab.1 Key parameters of disproportionation and transalkylation unit

圖1 歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元流程模擬圖Fig.1 Process simulation chart of disproportionation and transalkylation unit

2 熱力學(xué)方法的選擇

熱力學(xué)方法庫是流程模擬系統(tǒng)中最重要的組成部分，物性方法選擇在一定程度上決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對所模擬的物系性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)方法至關(guān)重要。流程模擬軟件PRO/II提供了普遍化方法、液相活度系數(shù)法、專用數(shù)據(jù)包法等方法，可以對不同流體的氣液、液液平衡常數(shù)以及熵、焓、密度等參數(shù)進行模擬計算。熱力學(xué)方法均有一定的適用范圍，根據(jù)不同的物系應(yīng)選擇最合適的熱力學(xué)方法。圖2為根據(jù)模擬物系特性進行熱力學(xué)方法選擇的經(jīng)驗歸納［6］。歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元是含石油餾分、芳烴、氫及水的混合物，組分多，物性復(fù)雜。對于該臨氫物系，可采用Soave-Redich-Kwong（SRK）狀態(tài)方程法和Peng-Robinson（PR）方法，在本研究中對汽提塔、分餾塔以及換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬熱力學(xué)方法均采用SRK狀態(tài)方程法。

圖2 流程模擬熱力學(xué)方法選擇依據(jù)Fig.2 Selection basis of thermodynamic methods for process simulation

3 反應(yīng)流出物的模擬

歧化反應(yīng)一方面存在較復(fù)雜的反應(yīng)機制和比較多的反應(yīng)類型，另一方面又難以直接測定反應(yīng)產(chǎn)物的組成，因此如何正確地模擬反應(yīng)產(chǎn)物成為整個流程模擬正確與否的關(guān)鍵所在。在過程動力學(xué)的研究范疇內(nèi)，能較好地將試驗數(shù)據(jù)進行集合的模型有關(guān)聯(lián)模型和集總模型，它們能夠較好地預(yù)測反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)品的分布，但計算過程復(fù)雜。對于模擬以過程熱力學(xué)為研究對象的流程，如果計算反應(yīng)油氣的組成使用上面介紹的模型，就會導(dǎo)致計算過程復(fù)雜，準(zhǔn)確度難以保證，因此需考慮其他方法。

在整個歧化工藝過程中，僅有歧化反應(yīng)涉及化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，前后物流的換熱和分離等其他過程都為物理變化過程，因此可以按照物料守恒原則，由產(chǎn)品來反推反應(yīng)油氣的組成［7-8］。

運用產(chǎn)品反推合成反應(yīng)產(chǎn)物的方法模擬歧化反應(yīng)產(chǎn)物組成簡便易行。但在實際應(yīng)用中，直接通過產(chǎn)物反推擬合而成的虛擬反應(yīng)產(chǎn)物組成與實際產(chǎn)物的組成存在著誤差。對實際油品數(shù)據(jù)的采集及進行分析的過程中，因為輕組分流失以及分析精度等原因，使得采集的數(shù)據(jù)存在一定誤差［9］。真實再現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物的組成是準(zhǔn)確進行流程模擬的基礎(chǔ)，對模擬體系中的產(chǎn)品質(zhì)量及操作參數(shù)會產(chǎn)生一定的影響，因此，在模擬過程中全面考慮各種因素，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整虛擬反應(yīng)油氣的組成，可使模擬結(jié)果與實際工況更為接近［10-11］。

綜上所述，對歧化反應(yīng)產(chǎn)物等難以直接測定具體組分的物流，可依據(jù)物料平衡的原則，利用產(chǎn)品物流反推反應(yīng)產(chǎn)物組成的方法，綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品分布等實際情況對其進行微調(diào)，以得到較準(zhǔn)確的模擬所需的物流組成數(shù)據(jù)。

4 理論塔板的折算

在運用模擬軟件PRO/II進行分餾塔的模擬計算時，以運用理論平衡級計算為主，假設(shè)每塊塔板均達(dá)到完全的氣液相平衡。在對各個分餾塔進行模擬計算時，通過對塔板效率進行合理的選取，將實際塔板數(shù)折算成為理論塔板數(shù)。塔板效率的取值一般按照經(jīng)驗值進行選?。?2］。為簡便計算，多數(shù)模擬過程中通常選取一個固定的塔板效率。但實際上，由于塔內(nèi)各塔板氣液負(fù)荷差別較大，使得各塔板的傳質(zhì)有較大差別，影響效率。另外，采用固定的塔板效率進行模擬也難以達(dá)到工程中的計算精度要求，所以需要適當(dāng)降低塔板數(shù)，從而使得全塔理論塔板數(shù)和實際情況一致。

本研究涉及的各分餾塔模擬過程中，根據(jù)進、出料位置劃分不同塔段，采用分段選擇塔板效率的方法進行模擬計算，依據(jù)各分餾塔的實際作用與特點，按其實際分離能力的不同，根據(jù)經(jīng)驗值進行適當(dāng)選擇［13］。模擬計算中各分餾塔的理論板數(shù)折算見表2，主要根據(jù)經(jīng)驗進行估算。通常，在模擬過程中，需要在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)貙⑺逍蔬M行調(diào)整，直到塔板上各點的溫度、物料流量以及產(chǎn)品餾程等模擬數(shù)據(jù)和采集的實際操作數(shù)據(jù)達(dá)到大致吻合。

表2 歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元各塔板數(shù)折算結(jié)果Tab.2 Results of conversion of plates number for disproportionation and transalkylation unit

5 塔工藝規(guī)定的選擇

在模擬過程中，工藝規(guī)定選取是否合理決定了模擬計算收斂及結(jié)果的準(zhǔn)確可靠程度。塔的工藝規(guī)定是指產(chǎn)品流量、產(chǎn)品質(zhì)量、塔板溫度等模擬所要求的目標(biāo)，對應(yīng)的變量通常是產(chǎn)品的流量、塔頂冷凝負(fù)荷、塔底再沸負(fù)荷等，不同的塔設(shè)備的工藝規(guī)定和變量根據(jù)不同情況而有所不同。本研究的歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元中汽提塔、苯塔和甲苯塔所采用的工藝規(guī)定及變量如表3所示。

表3 各塔的工藝規(guī)定和變量Tab.3 Process requirements and variables of towers

6 模擬結(jié)果

對已經(jīng)建立在PRO/II軟件平臺上的工藝流程進行運行和計算，表4為相應(yīng)的計算結(jié)果和標(biāo)定值的對比情況。從表中數(shù)據(jù)比較可以看出，標(biāo)定值和模擬值的差值在工程所要求的范圍之內(nèi)，因此，所選用的模擬策略是合理的。

表4 各塔的模擬值與標(biāo)定值對比Tab.4 Simulation results and calibration values for towers

7 結(jié)語

利用流程模擬軟件PRO/II對歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元進行建模，探討其模擬策略，包括工藝流程的建模、熱力學(xué)方法的選擇以及反應(yīng)流出物的模擬方法，根據(jù)采用的模擬策略，得到的模擬結(jié)果與工程采集的數(shù)據(jù)基本吻合。表明所提出的模擬策略是合理的，該歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元流程模擬程序包為后續(xù)的過程優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：陳 曠）

Simulation Strategies of Methylbenzene Disproportionation and Transalkylation Based on PRO/II

CHEN Ting1，LU Ping1，LEI Yang2，XU Guiping1
（1.School of Chemistry and Environmental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；2.School of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，China）

Disproportionation and transalkylation is an important part of the aromatics unit.Process simu?lation software PRO/II was used to simulate the process，which provided the basis for the optimization de?sign of the whole process.In this paper，a typical domestic disproportionation and transalkylation unit was modeled with PRO/II and the collected data were checked.The simulation results showed that the data col?lected in the factory were consistent with the simulation results，which indicated that the strategies of pro?cess simulation was reasonable.

disproportionation and transalkylation unit；PRO/II；process simulation；data checking

TP319

：A

：1673-0143（2015）06-0533-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.06.010

2015-09-10

江漢大學(xué)博士科研啟動經(jīng)費資助項目（2014020）

陳 婷（1984—），女，講師，博士，研究方向：過程系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化。