年產(chǎn)60萬t對二甲苯項目中苯/甲苯/混合二甲苯分離的Aspen Plus模擬研究

董繼紅，邵景玲，顧　軍，李煒輝，劉　靜

(鹽城工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鹽城　224051)

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年產(chǎn)60萬t對二甲苯項目中苯/甲苯/混合二甲苯分離的Aspen Plus模擬研究

董繼紅，邵景玲，顧軍，李煒輝，劉靜

(鹽城工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

摘要：采用Aspen Plus軟件對年產(chǎn)60萬t的對二甲苯項目中的苯、甲苯和混合二甲苯物系在分隔壁精餾塔中的分離進行模擬計算，通過對分隔壁精餾塔進料板的位置、回流比、側(cè)線采出位置等參數(shù)的優(yōu)化，以求達到經(jīng)濟效益最好、節(jié)能效果最佳為目的。將優(yōu)化后的分隔壁精餾塔與傳統(tǒng)的普通雙塔精餾在分離效果、能耗方面進行比較，結(jié)果表明分隔壁精餾塔分離效果較好、能耗較低，熱負荷比常規(guī)精餾塔降低了24.05%。

關(guān)鍵詞：對二甲苯；分隔壁精餾塔；苯；甲苯；混合二甲苯；Aspen Plus

PX作為一種有機基礎(chǔ)化工原料，主要用于氧化合成對苯二甲酸，對苯二甲酸既可酯化合成對苯二甲酸二甲酯，又能和乙二醇發(fā)生聚合反應(yīng)得到聚酯。聚酯由于其優(yōu)異的性能，被廣泛用于纖維的生產(chǎn)和樹脂的制備，因此對二甲苯已經(jīng)成為合成塑料和纖維的一種重要的化工原料[1]。

目前，生產(chǎn)PX方法主要有3種，即二甲苯異構(gòu)化工藝(C8芳烴之間的轉(zhuǎn)化)、甲苯甲醇烷基化工藝、甲苯選擇性歧化工藝。本項目中我們選擇甲苯甲醇烷基化工藝，主要是因為該方法較為節(jié)能環(huán)保。此方法以甲苯、甲醇為原料，生產(chǎn)工藝流程框圖如圖1所示。由圖1可知，該工藝生產(chǎn)過程包括6個工段，分別為：甲苯甲醇烷基化反應(yīng)工段、三相分離工段、脫重?zé)N工段、混合二甲苯(BTX)分離工段、吸附對二甲苯工段、異構(gòu)化反應(yīng)工段。在混合二甲苯分離工段，傳統(tǒng)工藝采用常規(guī)序列雙塔精餾，本項目設(shè)計中我們創(chuàng)新采用分隔壁精餾技術(shù)脫苯/甲苯/混合二甲苯，混合芳烴進入分隔壁精餾塔，通過分離絕大部分苯和輕烴從塔頂流出，混合二甲苯從塔底流出進入下一個工段進行對二甲苯的分離。

圖1　PX生產(chǎn)工藝流程框圖Fig.1　The production process flow diagram of PX

分隔壁精餾塔,簡稱DWC，是20世紀30年代左右，由Luster等科學(xué)家提出并申請了相關(guān)專利[2]。其與普通精餾塔的不同之處是設(shè)計者在塔的中段加了一塊隔板，將塔中段分為左右兩個部分即預(yù)分餾段和中間組分精餾段。從結(jié)構(gòu)上看相當于將預(yù)分離塔(副塔)與主精餾塔并在同一個塔內(nèi)，在熱力學(xué)上其模型等同于完全熱耦合精餾。Glinos 等研究發(fā)現(xiàn)，由于分隔壁精餾塔避免了普通精餾塔存在的物料返混現(xiàn)象，其比普通精餾方法要節(jié)約能耗30%以上[3-8]。

1DWC 結(jié)構(gòu)及工作原理

DWC結(jié)構(gòu)見圖2[9]。

圖2　分隔壁精餾塔結(jié)構(gòu)模型Fig.2　Structure model of dividing wall column

由圖2可見，DWC分為4個區(qū)，Ⅱ區(qū)為(苯、甲苯)/(甲苯、混合二甲苯)分離的預(yù)分餾塔，其作用等同于1個簡單的普通精餾塔。通過Ⅰ區(qū)的分離，可以得到較高純度的苯的餾出液從而達到提純苯的目的，且該區(qū)域可以為Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)提供液相回流；通過Ⅳ區(qū)，可以得到較高純度的二甲苯實現(xiàn)二甲苯與甲苯的分離，且該區(qū)域可以為Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)提供氣相回流；通過Ⅲ區(qū)，可得較高純度的甲苯。

由于Aspen Plus模擬軟件中沒有分隔壁精餾模擬的模塊，根據(jù)分隔壁精餾原理可以將DWC等效成1個副塔(Assistant column)和1個主塔(Main column)的雙塔系統(tǒng)，等效模型如圖3所示。由于本研究選擇BTX體系進行分離研究且操作壓力為常壓，因此在物性方法選擇時我們選用SRKML。

圖3　DWC等效模型Fig.3　Equivalent model of dividing wall column

2DWC的工藝參數(shù)及優(yōu)化分析

2.1　進料組分和分離要求

由前可知，本項目采用甲苯甲醇烷基化工藝生產(chǎn)PX，其脫重?zé)N工段的塔底產(chǎn)品為混合二甲苯(BTX)分離工段的進料組分，其進料方式為飽和液體常壓進料，進料組分流率為722.5 kmol/h。進料組分在DWC中分離出混合二甲苯進入下一工段。表1為進料狀況及產(chǎn)品質(zhì)量要求。

表1　進料狀況及產(chǎn)品質(zhì)量要求

注：1.表中沸點比苯低的其它物質(zhì)為輕烴，從塔頂出料，因此把它并入苯出料;2.沸點比混合二甲苯高的其它物質(zhì)為重?zé)N，微量重?zé)N可忽略不計。

2.2　進料板位置

由于普通精餾塔進料板位置的變化會影響其產(chǎn)品的分離效果及能耗，因此為研究分隔壁精餾塔進料板位置變化對其產(chǎn)品分離效果及能耗的影響，我們以進料板位置為控制變量，在其它條件不變的情況下，通過改變分隔壁精餾塔進料板的位置，觀察產(chǎn)品分離效果及能耗的變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，進料位于第3～12塊板時該塔的分離效果基本達到最佳。當進料位置低于第3塊板時，側(cè)線采出的甲苯以及塔底餾出物中對二甲苯含量下降，這是因為預(yù)分離塔中進料位置偏上，各組分未能達到預(yù)分離要求，導(dǎo)致大量甲苯以及對二甲苯進入主塔公共精餾段，組分返混現(xiàn)象非常嚴重，難以達到分離要求；當進料高于第12塊板時能耗增加，降低了節(jié)能效率。因此，根據(jù)能耗和分離要求，最終確定DWC的最適宜進料位置為預(yù)分餾塔的第4塊塔板。

圖4　進料板位置變化對再沸器能耗及各組分分離結(jié)果的影響Fig.4　Effect of the vary feed stage on rebolier duty and the product separation

圖5　側(cè)線采出位置的變化對再沸器能耗和產(chǎn)品分離效果的影響Fig.5　Effect of the vary side-draw stage on rebolier duty and the product separation

2.3　側(cè)線采出位置

側(cè)線位置的不同對側(cè)線采出組分甲苯的純度產(chǎn)生重大影響。由圖5可知，側(cè)線位置位于第18～25塊板時全塔各組分的分離效果最佳。綜合考慮各組分分離效果和能耗，最終選擇第20塊塔板處為本分離體系的最佳側(cè)線采出位置，此時塔底出料中對二甲苯含量最高，側(cè)線出料中甲苯含量也最高，且塔的熱負荷相對較小。當側(cè)線出料位置位于第18塊塔板以下時，側(cè)線采出的甲苯含量將會迅速下降；當側(cè)線位置過分偏離DWC下部(第25塊板以上)時，將會發(fā)生大量未分離的甲苯進入塔底的情況，致使塔底對二甲苯含量降低。由于分離體系中各物質(zhì)相對揮發(fā)度關(guān)系為αx∶αB∶αT=1.000∶3.680∶7.544，塔頂組分苯的相對揮發(fā)度大于其他各組分，其在塔頂精餾段處容易分離，可以在塔頂?shù)玫礁呒兌鹊谋降酿s出物，因此側(cè)線位置對其影響較小，即側(cè)線采出位置的變化對塔頂餾出物分離效果的影響不大。

2.4　回流比

圖6為回流比大小對產(chǎn)品分離效果及能耗的影響。由圖6可知，在保持進料位置和側(cè)線采出位置為最佳值時，隨著精餾塔操作回流比的增大，塔底再沸器的熱負荷也不斷增大，這是因為回流量增大使得塔底的再沸器需要供應(yīng)更多的蒸汽量，從而導(dǎo)致熱負荷增大。熱負荷的增大促進了塔底二甲苯純度的提高，而塔頂苯的純度則是先升高而后不再變化，且當操作回流比達到15以后趨于穩(wěn)定?？紤]3組分純度和節(jié)能等綜合因素，

圖6　回流比的改變對產(chǎn)品分離效果的影響Fig.6　Effect of the vary of the reflux ratio on product separation

最適宜回流比范圍為15～25?；亓鞅鹊陀?5時，二甲苯和苯的純度會明顯降低；回流比高于25時，再沸器能耗會增加。通過計算可知，最佳回流比為17。

2.5　主塔溫度及各組分含量

通過優(yōu)化后的條件進行再次模擬，得主塔溫度分布如圖7、主塔各組分含量分布如圖8。由圖7可以看出，DWC塔頂和塔底的溫度變化較大，而塔的中段溫度變化較小。即在DWC的提餾段和精餾段處各組分含量變化較大。這是因為通過精餾段可以實現(xiàn)輕組分苯和中間組分甲苯的分離，得到高純度的塔頂輕組分餾出物，而中間組分的提純則是在塔的中段實現(xiàn)的，由于在精餾段苯和甲苯的含量變化較大，因此溫度變化必然較大，同樣提餾段溫差變化也可以用此理論解釋。通過組分含量分析，可以看出側(cè)線采出位置在第20塊塔板是比較合理的，此時甲苯含量最大，而苯和混合二甲苯含量最小。

圖7　主塔的溫度分布Fig.7　Temperature distribution of main tower

圖8　主塔各組分含量Fig.8　Component content of main tower

3DWC 與常規(guī)雙塔模擬結(jié)果比較

常規(guī)的雙塔精餾方法主要有兩種，即苯—甲苯—二甲苯的序列精餾分離方法和二甲苯—甲苯—苯的間接序列分離方法。由于二甲苯、甲苯和苯的相對揮發(fā)度關(guān)系為αx∶αB∶αT=1.000∶

3.680∶7.544，綜合考慮節(jié)能與相對揮發(fā)度的影響，工業(yè)上常常采用序列精餾法進行分離。圖9為3組分序列精餾的示意圖。

圖9　序列精餾結(jié)構(gòu)圖Fig.9　The sequence of distillation chart

DWC常規(guī)精餾塔T101 T102比較值/%塔板數(shù)53263515.09進料板161920塔頂壓力/Bar111回流比175.2670555.4230熱負荷/(Gcal/h)13.226.489.9224.05

注：比較值=1-DWC數(shù)值/常規(guī)精餾塔數(shù)值；1cal=4.18J。

序列精餾法同樣可采用SRKM的物性方法，其進料狀況及產(chǎn)品質(zhì)量要求同表1。在相同進料狀況及產(chǎn)品質(zhì)量要求下，常規(guī)精餾塔和DWC塔分離工藝比較結(jié)果見表2。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品分離效果確定的情況下，DWC的熱負荷比常規(guī)雙塔精餾減少24.05%。由此可見，DWC在節(jié)能方面占有優(yōu)勢。這是因為常規(guī)雙塔精餾塔一中，從精餾段開始隨著塔板層數(shù)的增加，甲苯的濃度逐漸增加，但如果繼續(xù)增加塔板層數(shù)，物料中二甲苯濃度開始增加，導(dǎo)致甲苯純度降低，從而在塔的中段甲苯濃度出現(xiàn)最大值。由于在塔的中段與提餾段出現(xiàn)物料返混現(xiàn)象，無法完成二甲苯與甲苯的分離，導(dǎo)致能耗增大，分離效果降低。而DWC內(nèi)，在副塔的Ⅱ區(qū)甲苯先進行一次初步分離，副塔的塔頂和塔底物料進入主塔Ⅲ區(qū)完成分離，即在塔頂公共精餾段完成苯—甲苯的分離，在塔底的公共提餾段完成二甲苯—甲苯的分離。因此在該區(qū)域甲苯濃度出現(xiàn)最大值，避免了物料返混，大大地降低了能耗。

4結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)的甲苯甲醇烷基化生產(chǎn)PX的工藝中，將傳統(tǒng)序列雙塔精餾改為分隔壁精餾塔，節(jié)省了設(shè)備投資，具有明顯的經(jīng)濟效益。

(2)采用分隔壁精餾技術(shù)分離，通過模擬及靈敏度分析可知該工藝的最佳操作條件為：總理論塔板數(shù)為53塊，側(cè)線采出位置為第23塊理論板，進料板位置為第16塊理論板，即在副塔的第4塊理論板處進料，進料組分流率為722.5 kmol/h，進料組成n(苯)∶n(甲苯)∶n(混合二甲苯)=100∶427∶192，回流比為17。此時，DWC比常規(guī)雙塔精餾熱負荷降低了24.05%，各段餾出物的含量均大于98.5%，滿足工業(yè)生產(chǎn)對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

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(責(zé)任編輯：李華云)

Simulation for Separating Benzene /Methylbenzene /Xylene in the

Project of Annual Production Capacity of 600,000 tons of Paraxylene

DONG Jihong, SHAO Jingling, GU Jun, LI Weihui, LIU Jing

(School of Chemistry & Chemical Engineering， Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu224051, China)

Abstract：The research is about separating benzene / methylbenzene /xylene with dividing wall column in the project of annual production capacity of 600,000 tons of paraxylene by using Aspen Plus software for simulation. In order to achieve the best economic benefits and energy saving, we have optimized parameters of the feed position and reflux ratio, side-draw position and others, compared DWC with common distillation in separation efficiency and energy consumption. The result showed that the DWC distillation was excellent in the separation efficiency and the energy consumption， thermal load are lower than common distillation columns 24.05%, and the reason of less energy was analyzed.

Keywords：paraxylene； Dividing Wall Column； Benzene； Methylbenzene； Xylene； Aspen Plus

作者簡介：董繼紅(1977-)，女，湖北紅安人，講師，博士，主要研究方向為化學(xué)化工。

收稿日期：2015-03-21

中圖分類號：TQ824

文獻標識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)02-0059-06

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502011