PX芳烴聯(lián)合裝置的計(jì)算機(jī)模擬

王 健，吳 濤，余 洪，付文景

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116085）

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PX芳烴聯(lián)合裝置的計(jì)算機(jī)模擬

王 健，吳 濤，余 洪，付文景

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116085）

簡(jiǎn)單介紹了我國(guó)PX工業(yè)生產(chǎn)和市場(chǎng)前景，同時(shí)介紹了商用軟件在計(jì)算PX芳烴裝置過(guò)程中熱力學(xué)模型選取方法。運(yùn)用PROII模擬軟件對(duì)PX芳烴裝置的主要設(shè)備進(jìn)行模擬，并與國(guó)際先進(jìn)的70萬(wàn)t/a PX工藝包進(jìn)行比對(duì)，模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值基本吻合，從而可以建立一套PX裝置的流程模擬模型，為同類裝置的設(shè)計(jì)提供物料、能量平衡計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。

PX；模擬；模型

PX，對(duì)二甲苯（p-xylene）的縮寫(xiě)，用于生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸（PTA），進(jìn)而生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、丁二醇酯等聚酯樹(shù)脂。聚酯樹(shù)脂是生產(chǎn)滌綸纖維、聚酯薄片、聚酯中空容器的原料。

PX主要來(lái)自于重整生成油，近年來(lái)通過(guò)輕質(zhì)烴類芳構(gòu)化、重芳烴輕質(zhì)化和異構(gòu)化來(lái)生產(chǎn)PX芳烴的技術(shù)得到較快發(fā)展，并有多套裝置建成投產(chǎn)。PX生產(chǎn)主要包括石腦油重整、芳烴抽提、芳烴歧化、異構(gòu)化、吸附分離和精餾分離等。

近幾年國(guó)內(nèi)PTA產(chǎn)業(yè)鏈的大規(guī)模發(fā)展，形成了對(duì)其原料PX的巨大需求。而PX芳烴聯(lián)合裝置由于其投資大、回收周期長(zhǎng)、原料石腦油采購(gòu)困難等因素，產(chǎn)能增速明顯滯后，因此在今后一定時(shí)期內(nèi)國(guó)內(nèi)PX短缺的局面仍將持續(xù)［1］。

1　PX芳烴聯(lián)和裝置的計(jì)算機(jī)模擬

1.1工藝原理

本文依托的某煉廠70萬(wàn)t/a PX芳烴聯(lián)合裝置以外購(gòu)石腦油為原料，主要生產(chǎn)對(duì)二甲苯、鄰二甲苯和苯等芳烴產(chǎn)品。芳烴聯(lián)合裝置包括預(yù)加氫、連續(xù)重整、芳烴抽提蒸餾、苯-甲苯分離及歧化、吸附分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾及配套等部分。

1）預(yù)處理采用法國(guó) AXENS公司的工藝，通過(guò)石腦油加氫及汽提脫除其中的硫、氮、砷、鉛、銅、烯烴和水等雜質(zhì)，為重整裝置提供合格的精制石腦油。

2）連續(xù)重整采用法國(guó) AXENS公司的超低壓連續(xù)重整工藝，通過(guò)石腦油中環(huán)烷烴的脫氫和烷烴的環(huán)化脫氫等反應(yīng)生成芳烴，并副產(chǎn)含氫氣體。

3）抽提蒸餾采用石油化工科學(xué)研究院環(huán)丁砜抽提蒸餾工藝，把重整產(chǎn)物C6～C7餾分中的芳烴和非芳烴分開(kāi)，非芳烴抽余油作為產(chǎn)品外賣(mài)，混合芳烴去歧化裝置的苯-甲苯分餾部分進(jìn)行苯、甲苯分離。

4）歧化裝置采用Exxon Mobil的Trans Plus工藝，通過(guò)歧化及烷基轉(zhuǎn)移的方法，將甲苯、C9芳烴及C10芳烴轉(zhuǎn)換成苯和C8芳烴。

5）吸附分離采用法國(guó) AXENS公司的 Eluxyl模擬移動(dòng)床工藝，把對(duì)二甲苯從C8芳烴中分離出來(lái)。

6）異構(gòu)化采用 Exxon Mobil的 Xymax Isomerization工藝，把 C8芳烴中的鄰、間二甲苯轉(zhuǎn)化為同分異構(gòu)體的對(duì)二甲苯，乙基苯則脫除烷基轉(zhuǎn)化為苯。石腦油原料中 PX的濃度很小，經(jīng)異構(gòu)化反應(yīng)后，各種同分異構(gòu)體的 C8芳烴達(dá)到新的平衡。

7）二甲苯分餾裝置采用精密分餾工藝，將重整生成油分為 C6～C7餾分和 C8+芳烴， C6～C7 餾分作為芳烴抽提原料，C8+芳烴經(jīng)二甲苯再蒸餾塔、二甲苯塔及鄰二甲苯塔分離出鄰二甲苯產(chǎn)品、C8芳烴和C9+重芳烴，C8芳烴送至吸附分離裝置，C9+芳烴送至歧化裝置。

1.2工藝流程圖（圖1）

圖1　PX芳烴聯(lián)合裝置總加工流程Fig.1 Total process flow diagram of PX aromatics combined unit

1.3操作參數(shù)

吸附分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾是生產(chǎn)PX的核心裝置，因此本文主要針對(duì)核心裝置中的主要設(shè)備進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與工藝包設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)。核心裝置的工藝操作數(shù)據(jù)部分列于表1。

表1　主要工藝操作數(shù)據(jù)Table 1 Main process operation data

2　單塔模擬

2.1化工流程模擬技術(shù)

1）模擬軟件

PRO/II是一個(gè)通用性的化工穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件，最早起源于1967年SimSci公司開(kāi)發(fā)的世界上第一個(gè)蒸餾模擬器SP05，1973年SimSci推出基于流程圖模擬器，1979年又推出基于PC機(jī)的流程模擬軟件Process（即PRO/II的前身）。

PRO/II可廣泛應(yīng)用于各種化工過(guò)程中嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡計(jì)算，從油氣分離到反應(yīng)精餾，PRO/II提供了全面、有效、易于使用的解決方案。PRO/II擁有完善的物性數(shù)據(jù)庫(kù)、強(qiáng)大的熱力學(xué)物性計(jì)算系統(tǒng)，以及多種單元操作模塊。

PRO/II可廣泛應(yīng)用于工廠設(shè)計(jì)、工藝方案比較、老裝置改造、裝置標(biāo)定、開(kāi)車(chē)指導(dǎo)、可行性研究、脫瓶頸分析、工程技術(shù)人員和操作人員的培訓(xùn)等領(lǐng)域。PRO/II的推廣使用，可達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)裝置、降低生產(chǎn)成本和操作費(fèi)用、節(jié)能降耗等目的，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）模擬技術(shù)

化工過(guò)程流程模擬是借助計(jì)算機(jī)求解描述化工生產(chǎn)過(guò)程，得到有關(guān)化工過(guò)程性能的信息［2］。概況的說(shuō)，要進(jìn)行化工過(guò)程的流程模擬，從計(jì)算策略的角度需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題［3］：一個(gè)是流程的分割；另一個(gè)是包含循環(huán)物流的子系統(tǒng)的迭代。二者相比，迭代將是一個(gè)更困難的任務(wù)。

國(guó)外一些大公司推出的化工模擬軟件，從不同層次上提供了具有自動(dòng)或半自動(dòng)對(duì)流程實(shí)施分割和切斷的功能，有的能自動(dòng)提供切斷值的初值。對(duì)不復(fù)雜的系統(tǒng)，還可以由手工去尋找最優(yōu)的分解和切斷流，或借助于計(jì)算機(jī)程序來(lái)尋找［4］?；ち鞒谭€(wěn)態(tài)模擬實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大型非線形代數(shù)方程組的求解問(wèn)題。從數(shù)學(xué)模型的表達(dá)及解算方法而言，已發(fā)展了兩類模型化方法［5］：序貫?zāi)K法和聯(lián)立方程法。

2.2二甲苯分餾裝置

重整油塔主要作用是將精制石腦油輕重組分切割，C7及以下組分送至儲(chǔ)罐，C8及以上組分在二甲苯分餾裝置進(jìn)行進(jìn)一步分餾。

自重整裝置來(lái)的C6+進(jìn)料，經(jīng)換熱后進(jìn)入重整油塔，塔頂氣經(jīng)冷凝冷卻后進(jìn)入重整油塔回流罐，罐中C6～C7餾份一部分回流，另一部分經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。

重整油塔底物C8+餾分經(jīng)升壓后換熱后去白土處理器，經(jīng)白土處理脫除烯烴后，C8+餾分經(jīng)換熱后進(jìn)入二甲苯再蒸餾塔下部。

重整油塔控制指標(biāo)：塔頂C8及以上組分＜1.5% （mol）。

模擬結(jié)果分析如表2所示。

表2　重整油塔主要組分模擬結(jié)果對(duì)比分析Table 2 Comparison and analysis of simulation results of main components of reforming oil column

通過(guò)上表的模擬結(jié)果和工藝包數(shù)據(jù)對(duì)比分析看，關(guān)鍵組分存在的誤差均在合理范圍內(nèi)，且塔頂C8及以上組分的含量也滿足重整油塔的控制指標(biāo)［6］。因此，該塔模擬很好的吻合了工藝包數(shù)據(jù)。

表3　重整油塔熱力學(xué)模型選取結(jié)果對(duì)比分析Table 3 Comparison and analysis of thermodynamic model selection results for reforming oil column

在計(jì)算過(guò)程中，采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判模型的選取是否合適：第一條標(biāo)準(zhǔn)是軟件在運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)相鄰兩次計(jì)算得到的物料流量和溫度相對(duì)誤差小于模擬軟件的規(guī)定值，即物料平衡［7］；第二條標(biāo)準(zhǔn)是將計(jì)算結(jié)果與工藝數(shù)據(jù)包對(duì)比，優(yōu)先選擇偏差較小的模型。

通過(guò)表3的對(duì)比結(jié)果分析看，SRK和PK熱力學(xué)方程均能很好的滿足計(jì)算要求，但從誤差結(jié)果分析來(lái)看，SRK方程的誤差更??；而且根據(jù)常規(guī)的模擬計(jì)算，優(yōu)先選擇 SRK方程，因此，重整油塔模擬的熱力學(xué)模型采用SRK方程。

2.3吸附分離裝置

1）成品塔

成品塔主要作用是將進(jìn)料中的對(duì)二甲苯和甲苯進(jìn)行輕重組分切割，塔頂生產(chǎn)的甲苯送至歧化裝置，塔底的對(duì)二甲苯產(chǎn)品送至儲(chǔ)罐。

成品塔控制指標(biāo)：塔頂產(chǎn)品中PX含量＜1.0% （mol）；塔底PX含量99.65%～99.75%（mol）。

模擬結(jié)果分析如下表所示。

表4　成品塔主要組分模擬結(jié)果對(duì)比分析Table 4 Comparison and analysis of simulation results of main components of xylene end-product column

通過(guò)上表的模擬結(jié)果和工藝包數(shù)據(jù)對(duì)比分析，由于部分組分含量較小，因此模擬值與工藝包值相對(duì)誤差較大，而關(guān)鍵的組分存在的誤差均在合理范圍內(nèi)。因此，該塔模擬可以認(rèn)為很好的吻合了工藝包數(shù)據(jù)。

針對(duì)該塔，SRK和PK熱力學(xué)方程均能很好的滿足計(jì)算要求，但從誤差結(jié)果分析來(lái)看，SRK方程和PR方程的誤差相當(dāng)，因此，成品塔的模擬采用SRK方程或PR方程均可，但根據(jù)常規(guī)的成品塔模擬計(jì)算，一般選擇SRK方程。

2）抽余液塔

抽余液塔主要作用是將 C8芳烴和解吸劑分離。

抽余液經(jīng)換熱后進(jìn)入該塔，塔頂氣經(jīng)冷凝冷卻后進(jìn)入回流罐，回流罐液體全回流至塔頂。抽余液塔底物即解吸劑換熱后返回吸附塔。抽余液從塔側(cè)線抽出，然后送至二甲苯異構(gòu)化部分。

抽余液塔控制指標(biāo)：塔底產(chǎn)品中PX組分含量＜50×10-6。

模擬結(jié)果分析如表5所示。

表5　抽余液塔主要組分模擬結(jié)果對(duì)比分析Table 5 Comparison and analysis of simulation results of main components of raffinate column

通過(guò)表5的模擬結(jié)果和工藝包數(shù)據(jù)對(duì)比分析，關(guān)鍵的組分存在的誤差均在合理范圍內(nèi)。因此，該塔模擬很好的吻合了工藝包數(shù)據(jù)。

表6　抽余液塔熱力學(xué)模型選取結(jié)果對(duì)比分析Table 6 Comparison and analysis of thermodynamic model selection results for raffinate column

表6中的SRK和PK熱力學(xué)方程均能很好的滿足計(jì)算要求，但從誤差結(jié)果分析來(lái)看，采用PR方程模擬的塔底物流中關(guān)鍵組分誤差較大，因此，抽余液塔的模擬采用SRK方程。

3　結(jié) 論

本文利用流程模擬軟件PROII對(duì)PX裝置中的核心裝置：吸附分離裝置、二甲苯異構(gòu)化裝置和二甲苯分餾裝置進(jìn)行了主要設(shè)備的流程模擬。上述三套裝置主要處理的是氣相和液相的烴類物系，該物系通常呈現(xiàn)出近似理想狀態(tài)，一般的熱力學(xué)方法可以滿足要求，但通過(guò)對(duì)比計(jì)算分析選出最優(yōu)的方法，因此本次模擬熱力學(xué)方程除了解吸劑再蒸餾塔為氣、液、液三相而選擇了NRTL方程外，其余均選擇了 SRK方程。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與工藝包數(shù)據(jù)的對(duì)比，誤差在允許的范圍內(nèi)，熱力學(xué)方程的選取滿足實(shí)際的要求。

因此，可以認(rèn)為：在誤差允許范圍內(nèi)，模擬文件可以為同類裝置的設(shè)計(jì)提供物料、能量平衡工藝計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)；使PX裝置的工藝設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確、快速，提高裝置工藝設(shè)計(jì)效率；同時(shí)也能夠指導(dǎo)實(shí)際裝置的生產(chǎn)。

［1］ 錢(qián)伯章.我國(guó)PX近期生產(chǎn)能力［J］. 聚酯工業(yè)，2014，27：4.

［2］ 王靜康.化工設(shè)計(jì)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995-06：276-290.

［3］ 張志檁，葉立軍，莊芹仙.流程模擬中分解與切斷的計(jì)算機(jī)處理方法探討［J］. 化學(xué)工程，1995，23（6）：59-61.

［4］ 楊友麒.過(guò)程流程模擬［J］. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1995，12（1）：1-6.

［5］ 羅銘芳.乙醇胺裝置流程模擬與開(kāi)發(fā)研究［D］. 天津：天津大學(xué)，2004.

［6］ 曾世虎，張鵬，等.重整油芳烴組分快速分析方法建立［J］. 當(dāng)代化工，2014，43（8）：1672-1673.

［7］ 郭天民.多元?dú)?液平衡和精餾［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2002.

Computer Simulation of PX Aromatics Combination Unit

WANG Jian，WU Tao，YU Hong，F(xiàn)U Wen-jing
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. Dalian Design Branch Company, Liaoning Dalian 116000，China）

Industrial production and market prospect of PX in China were introduced, and the selection method of the thermodynamic model for calculation of PX aromatics unit was discussed. In this paper, the PROII process simulation software was used to simulate PX aromatics main equipments,and compared with international advanced 700 kt/a PX process packages. The simulation results are basically consistent with the design values, which can be used to establish a process simulation model for PX unit.

PX; simulation; thermodynamic model

王?。?981-），男，遼寧省大連市人，工程師，碩士研究生，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：流程模擬及優(yōu)化，從事煉油裝置工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：wangjian-dl@cpecc.com.cn。

TQ 018

A

1671-0460（2016）05-1012-04

2016-03-31