分壁精餾塔分離石腦油芳烴抽提原料的模擬研究

高景山，楊 劍，張 英，凌 昊

(1.中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

分壁精餾塔分離石腦油芳烴抽提原料的模擬研究

高景山1，楊 劍2，張 英1，凌 昊2

(1.中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

建立了石腦油芳烴抽提原料的分類集總，通過(guò)分壁精餾塔的嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模擬，確定了塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作條件，實(shí)現(xiàn)了塔頂產(chǎn)品中苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%、側(cè)線采出比不大于75%、側(cè)線中間組分(C6～C8)質(zhì)量收率99%的分離目標(biāo)。在Aspen Dynamic環(huán)境下構(gòu)建分壁精餾塔動(dòng)態(tài)控制模型，三回路溫度控制方案研究結(jié)果表明，分壁精餾塔可以很好地完成目標(biāo)產(chǎn)品的分離，帶有前饋的溫度控制策略可很好地應(yīng)對(duì)進(jìn)料組成的波動(dòng)，所需穩(wěn)定時(shí)間較短，穩(wěn)定后的產(chǎn)品質(zhì)量符合分離要求。

分壁精餾塔 芳烴抽提 原料分離 穩(wěn)態(tài)模擬 動(dòng)態(tài)控制

分壁精餾塔(Dividing-wall column， DWC)是最具代表性的化工過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備之一。DWC分離三組分混合物時(shí)，只需一個(gè)精餾塔就可實(shí)現(xiàn)三組分的清晰分割，較傳統(tǒng)的兩塔流程節(jié)能通?？蛇_(dá)到30%左右，此外還可大幅降低設(shè)備投資。近年來(lái)DWC在石油化工、化學(xué)品及氣體分離等多個(gè)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。1985年BASF公司實(shí)現(xiàn)了DWC的首次工程應(yīng)用。至今為止，大約有60余套DWC裝置在BASF公司的生產(chǎn)裝置上運(yùn)行[1]。據(jù)報(bào)道，除BASF公司外還有Sasol，Simitomo，Condea，Bayer，Congnis等化學(xué)品公司先后進(jìn)行了DWC的工程化應(yīng)用；BP，Chevron，ExxonMobil，UOP，CEPSA等公司的煉油單元也采用DWC進(jìn)行芳烴、裂解汽油、石腦油和其它油品的分離[2-3]。2013年中國(guó)石化和UOP公司合作在中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司1.20 Mt/a石腦油吸附分離裝置采用了DWC技術(shù)[4]。國(guó)內(nèi)關(guān)于DWC開(kāi)展了較多的模擬研究工作，除了對(duì)熱耦合精餾的基礎(chǔ)理論研究外，還對(duì)DWC的溫度和溫差過(guò)程控制開(kāi)展了大量研究工作，取得了諸多成果。此外，DWC的反應(yīng)精餾和萃取精餾也取得了許多理論研究進(jìn)展[5-7]。實(shí)驗(yàn)方面國(guó)內(nèi)的研究較少，常州大學(xué)對(duì)DWC開(kāi)展了大量的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)工作，在DWC分離裂解汽油、萃取精餾制無(wú)水乙醇和無(wú)水叔丁醇等方面均取得了滿意的效果[8]；華東理工大學(xué)近年來(lái)開(kāi)展了DWC分離芳烴的中試工作，采用規(guī)整填料的DWC(塔徑150 mm，塔高15 m)產(chǎn)品分離純度可達(dá)99%以上[9-10]。本課題以某煉油廠石腦油抽提原料為研究對(duì)象，采用DWC分離抽提原料中的C6～C8芳烴。首先采用Aspen Plus建立穩(wěn)態(tài)嚴(yán)格精餾模型，然后采用Aspen Dynamic對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，考察溫度控制方案對(duì)進(jìn)料流量和進(jìn)料組分組成波動(dòng)的控制效果。

1 穩(wěn)態(tài)模擬

1.1 原料分析

目前該煉油廠石腦油抽提原料的加工采用全餾分芳烴抽提。由于原料中含有C5輕組分及C9以上的重組分，輕、重組分進(jìn)入抽提系統(tǒng)大幅增加了裝置負(fù)荷和能耗，同時(shí)還造成抽提溶劑的過(guò)量消耗。為此，需要對(duì)原料進(jìn)行脫除輕組分和重組分處理，僅將富含芳烴的C6～C8餾分進(jìn)行芳烴抽提。設(shè)定DWC的分離目標(biāo)：塔頂產(chǎn)品中苯(AC6)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，側(cè)線采出率不大于75%，側(cè)線中間組分(C6～C8)質(zhì)量收率達(dá)到99%。

物料集總方法：將原料進(jìn)行色譜分析后按照碳數(shù)進(jìn)行分類集總，將相同碳數(shù)組分分為：異構(gòu)烷烴(iP)、正構(gòu)烷烴(nP)、環(huán)烷烴(CP)和芳烴(A)四類。按照生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，碳數(shù)小于5(≤C5)的歸為輕組分，碳數(shù)在6～8(C6～C8)的歸為中間組分，碳數(shù)大于9(≥C9)的歸為重組分。進(jìn)料的集總組分組成見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)料的集總組分組成 w，%

1.2 穩(wěn)態(tài)模擬

DWC分離過(guò)程物性方法選擇PENG-ROB，收斂方法選擇Petroleum/Wide-boiling。進(jìn)料溫度為105 ℃，進(jìn)料壓力為0.37 MPa，進(jìn)料流量為15 000 kg/h。穩(wěn)態(tài)模擬過(guò)程使用Aspen Plus中的RadFrac模塊。采用自建模塊進(jìn)行DWC的組合模擬，即采用一個(gè)汽提塔(僅有一個(gè)再沸器)，兩個(gè)并列的吸收塔(無(wú)再沸器或冷凝器)和一個(gè)精餾塔(僅有一個(gè)冷凝器)進(jìn)行模擬。模擬過(guò)程中將DWC分為四部分，流程示意見(jiàn)圖1。實(shí)際操作中預(yù)分餾段和側(cè)線采出段底部的餾出液進(jìn)入提餾段頂部時(shí)沒(méi)有壓力和溫度的變化，但由于Aspen Plus導(dǎo)入Aspen Dynamics時(shí)要保證壓力驅(qū)動(dòng)模塊之間必須由流量驅(qū)動(dòng)模塊連接。所以須在各連接模塊之間加入泵、壓縮機(jī)和閥門。

圖1 DWC模擬流程示意1—預(yù)分餾段； 2—精餾段； 3—側(cè)線采出段； 4—提餾段

1.3 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

根據(jù)分離要求，側(cè)線采出量設(shè)計(jì)為11 000 kg/h；同時(shí)，根據(jù)原料分析結(jié)果，塔頂產(chǎn)品餾出量設(shè)計(jì)為500 kg/h，塔釜產(chǎn)品餾出量為3 500 kg/h。DWC模擬工藝操作條件見(jiàn)表2，按照Aspen Plus中的規(guī)定，第1塊塔板為冷凝器，最后1塊塔板為再沸器，板效率定義為0.55。圖2為優(yōu)化后的DWC結(jié)構(gòu)示意，進(jìn)料由預(yù)分餾段第34塊板進(jìn)入DWC。在預(yù)分餾段，輕組分從頂端餾出，重組分從底端餾出，中間組分可從分隔壁兩端進(jìn)入DWC的精餾段和提餾段；在塔的精餾段進(jìn)行輕組分和中間組分分離，輕組分從塔頂作為產(chǎn)品餾出；中間組分在側(cè)線采出段提濃后從第37塊塔板作為側(cè)線產(chǎn)品抽出；在塔的提餾段進(jìn)行重組分和中間組分分離，重組分從塔釜作為產(chǎn)品餾出。

表2 DWC工藝操作條件

圖2 優(yōu)化后的DWC結(jié)構(gòu)示意

塔頂、側(cè)線和塔釜產(chǎn)品組成及采出率見(jiàn)表3。從表3可以看出：塔頂產(chǎn)品以輕組分為主，少量的中間組分為異己烷；側(cè)線產(chǎn)品以中間組分為主，少部分的重組分為C9異構(gòu)烷烴；塔底產(chǎn)品以重組分為主，少量中間組分為C8環(huán)烷烴和芳烴。雖然中間組分在塔頂和塔釜都有部分采出，但C6～C8的芳烴組分仍然集中在側(cè)線產(chǎn)品中。經(jīng)計(jì)算，在穩(wěn)態(tài)模擬下，中間組分C6～C8收率為99.12%，符合分離要求。

表3 DWC的產(chǎn)品組成及采出率 w，%

2 動(dòng)態(tài)模擬

2.1 控制結(jié)構(gòu)

利用DWC 5個(gè)自由度中的3個(gè)自由度(回流比R、再沸器負(fù)荷QR、側(cè)線采出量S)分別控制精餾段、提餾段和側(cè)線采出段中某一塊塔板的溫度。與經(jīng)典的4×4控制結(jié)構(gòu)不同的是分液比βL在本研究中沒(méi)有進(jìn)行控制，其原因在于βL值較小，原料波動(dòng)易產(chǎn)生較大變化，造成預(yù)分餾段回流過(guò)少導(dǎo)致干板現(xiàn)象；另一方面產(chǎn)品分離純度要求不高，故采用了3×3的溫度控制策略即可實(shí)現(xiàn)對(duì)分離過(guò)程的穩(wěn)定控制。

采用奇異值分析法(SVD)確定精餾段、側(cè)線采出段和提餾段的靈敏板分別為第11，50，70塊塔板，確定控制方案為：用DWC回流比R去控制精餾段第11塊塔板的溫度，用DWC再沸器負(fù)荷QR控制提餾段第70塊塔板的溫度，用側(cè)線采出量S控制側(cè)線采出段第50塊塔板的溫度。

圖3給出Aspen Dynamic中溫度控制的邏輯關(guān)系。圖3中，F(xiàn)C表示進(jìn)料流量控制回路，PC表示壓力控制回路，LC表示液位控制回路，RC表示遠(yuǎn)程控制回路，TC表示溫度控制回路。R/F表示回流/進(jìn)料流量比例控制器，Q/F表示再沸器負(fù)荷/進(jìn)料流量比例控制器。

圖3控制結(jié)構(gòu)中有4個(gè)壓力控制器，1個(gè)在精餾段塔頂，通過(guò)控制冷凝器的移熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力控制；另外3個(gè)分別在預(yù)分餾段、側(cè)線采出段和提餾段頂部，通過(guò)控制增壓器的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力控制，控制增益KC為20，控制積分時(shí)間為12 min。在預(yù)分餾段、精餾段、側(cè)線采出段、提餾段以及回流罐共設(shè)有5個(gè)液位控制器，分別通過(guò)相應(yīng)的液體流量進(jìn)行控制，控制增益KC為2，控制積分時(shí)間為9 999 min。為保證進(jìn)料流量恒定，加入了進(jìn)料流量控制器，控制增益KC為0.5，控制積分時(shí)間為0.3 min。分液比、分氣比控制器控制增益KC為0.5，控制積分時(shí)間為0.3 min。

圖3 DWC溫度控制邏輯關(guān)系示意

3個(gè)溫度控制回路均給予1 min的死時(shí)間(dead time)。同時(shí)，在DWC控制結(jié)構(gòu)中加入Q/F和R/F比例控制器，作用是減少流量變化對(duì)塔頂和塔釜產(chǎn)品純度的影響，提高應(yīng)對(duì)進(jìn)料波動(dòng)的反應(yīng)速率。由于再沸器熱負(fù)荷對(duì)全塔控制變量影響最直接，所以優(yōu)先調(diào)諧再沸器負(fù)荷控制回路。溫度控制器調(diào)諧順序依次為QR控制回路、R控制回路以及S控制回路。各溫度控制回路中控制器調(diào)諧參數(shù)分別為：TC1控制回路KC為3.10，積分時(shí)間為14.52 min；TC2控制回路KC為27.78，積分時(shí)間為25.08 min；TC3控制回路KC為8.33，積分時(shí)間為9.24 min。

2.2 控制結(jié)果

為了驗(yàn)證溫度控制結(jié)構(gòu)的有效性，對(duì)進(jìn)料組分組成進(jìn)行±10%的波動(dòng)。其中組分組成分別將輕組分、中間組分和重組分作為一個(gè)集總整體波動(dòng)，例如輕組分增加10%，即輕組分中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加10%，中間組分和重組分中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等比下降，同時(shí)保證各組分間比值不發(fā)生變化。

圖4 輕組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)各股出料中關(guān)鍵組分含量 —w(≤C5)+10%； —w(≤C5)-10%

圖5 中間組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)各股出料中關(guān)鍵組分含量 —w(C6～ C8)+10%； —w(C6～ C8)—10%

圖6 重組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)各股出料中關(guān)鍵組分含量 —w(≥C9)+10%； —w(≥C9)—10%

動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到1 h處，改變進(jìn)料組分組成，觀察出料物流結(jié)果，待所有出料物流組分組成不再發(fā)生變化，即動(dòng)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，記錄塔頂、側(cè)線和塔釜產(chǎn)品的組分組成。選取塔頂產(chǎn)品組分中iC6、側(cè)線產(chǎn)品組分中的iC6和AC8以及塔釜產(chǎn)品中的nC9作為分離關(guān)鍵組分考察溫度控制結(jié)果。圖4～圖6分別給出進(jìn)料中輕組分(≤C5)、中間組分(C6～C8)和重組分(≥C9)組成在±10%波動(dòng)時(shí)，各股出料中關(guān)鍵組分含量。由圖4～圖6可以看出：當(dāng)進(jìn)料組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)，所選取的考察組分，即輕組分中的iC6、中間組分中的iC6和AC8以及重組分中的nC9，在較短的時(shí)間內(nèi)，濃度最終都可以達(dá)到平穩(wěn)；當(dāng)進(jìn)料中輕組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)，所選取的關(guān)鍵組分中，重組分產(chǎn)品中的nC9與穩(wěn)態(tài)結(jié)果偏差最大，為0.07百分點(diǎn)；當(dāng)進(jìn)料中中間組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)，所選取的關(guān)鍵組分中，重組分產(chǎn)品中的nC9與穩(wěn)態(tài)結(jié)果偏差最大，為1.4百分點(diǎn)；當(dāng)進(jìn)料中重組分組成在±10%波動(dòng)時(shí)，重組分產(chǎn)品中nC9與穩(wěn)態(tài)結(jié)果偏差最大，為0.7百分點(diǎn)。由于各產(chǎn)品中含有物質(zhì)較多，故所選取的考察物質(zhì)與穩(wěn)態(tài)結(jié)果的偏差遠(yuǎn)小于輕組分、中間組分和重組分作為整體與穩(wěn)態(tài)結(jié)果的偏差，所以該控制方案控制效果良好。

DWC塔頂、側(cè)線和塔釜的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出：3股產(chǎn)品中，進(jìn)料中組分組成波動(dòng) ±10%動(dòng)態(tài)穩(wěn)定后，輕組分、中間組分和重組分作為整體，分別在各產(chǎn)品中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)不大，塔頂產(chǎn)品中輕組分相較于穩(wěn)態(tài)約有0.27%的波動(dòng)，側(cè)線產(chǎn)品中中間組分相較于穩(wěn)態(tài)約有3.3%的波動(dòng)，塔釜產(chǎn)品中重組分相較于穩(wěn)態(tài)約有0.15%的波動(dòng)；塔頂產(chǎn)品中苯(AC6)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%；同時(shí)，除進(jìn)料中中間組分w(C6～C8)-10%外，其余組分組成發(fā)生變動(dòng)后，其側(cè)線中間組分(C6～C8)的質(zhì)量收率都可達(dá)到99%。

表4 DWC塔頂、側(cè)線和塔釜產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定結(jié)果

3 結(jié) 論

集總模擬的方法可以很好地模擬石腦油芳烴抽提原料分離過(guò)程，在給定DWC的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)條件下，可實(shí)現(xiàn)塔頂產(chǎn)品苯(AC6)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，側(cè)線采出比不大于75%，側(cè)線中間組分(C6～C8)質(zhì)量收率達(dá)到99%的分離目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)石腦油芳烴抽提原料的脫輕和脫重處理，又可將富含芳烴的C6～C8餾分作為側(cè)線產(chǎn)品輸出進(jìn)行芳烴抽提。在Aspen Dynamic環(huán)境下，建立對(duì)該分離工程的DWC的3×3的溫度控制策略，動(dòng)態(tài)結(jié)果表明：帶有前饋的溫度控制策略可很好應(yīng)對(duì)組分組成±10%波動(dòng)，穩(wěn)定所需時(shí)間較短；塔頂產(chǎn)品苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，中間組分質(zhì)量收率可達(dá)到99%，符合分離要求；穩(wěn)定后，3股產(chǎn)品各集總組分含量與穩(wěn)態(tài)結(jié)果偏差較小，控制效果良好。

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SIMULATION OF AROMATIC EXTRACTION FEEDSTOCK SEPARATION BY DIVIDING-WALL COLUMN

Gao Jingshan1， Yang Jian2， Zhang Ying1， Ling Hao2

(1. SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Fushun， Liaoning 113001； 2. State Key Laboratory of Chemical Engineering， East China University of Science and Technology)

A new classified lumped model for aromatic extraction feedstock was proposed. And by strict steady-state simulation of DWC and lumped model， the column structure parameters and operation conditions were determined， resulting in the side stream withdraw ratio less than 75%， benzene in the top stream less than 1%(w)， and the yield of C6—C8fraction in the side stream reaches 99%. Using Aspen Dynamic， a dynamic control structure with three control loops and feedforward controllers was established. The dynamic simulation shows that dividing wall column is a good way to complete the separation of target products； and the temperature control strategy with feedforward can be very good in dealing with feed composition and flow rate fluctuations， the stable time is shorter and the qualities of the products conform to the requirements of the separation.

dividing-wall column； aromatic extraction； feedstock separation； steady state simulation； dynamic control

2015-01-29； 修改稿收到日期： 2015-04-14。

高景山，碩士，工程師，主要從事新型高效分離技術(shù)和分壁精餾技術(shù)的研究工作。

凌昊，E-mail：linghao@ecust.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21476081)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ058)。