基于Aspen Plus的二甲苯分離塔模擬優(yōu)化及應(yīng)用

李佳峻，李宏光，王朝陽

(中國石油吉林石化煉油廠，吉林 吉林 132001)

二甲苯分離塔是芳烴分離的關(guān)鍵設(shè)備[1]。中國石油吉林石化(簡稱吉林石化)二甲苯分離塔原料主要是富含C8芳烴的重重整油。塔頂采出混合二甲苯產(chǎn)品，塔底產(chǎn)物富含鄰二甲苯，進(jìn)入鄰二甲苯塔繼續(xù)分離。混合二甲苯產(chǎn)品主要包含乙苯、對二甲苯和間二甲苯，均是鄰二甲苯的同分異構(gòu)體。幾個同分異構(gòu)體中，鄰二甲苯沸點最高，但僅比間二甲苯沸點高5 ℃，沸點差較小，組分間的分離難度大[2]；且該二甲苯分離塔塔頂、塔底產(chǎn)物必須同時合格，產(chǎn)品純度要求高，故對精餾塔的控制要求非常嚴(yán)格。分離精度要求高意味著高加熱量和高回流比操作，故該塔能耗較高。由于二甲苯分離塔耗能較高，近年來有許多學(xué)者運用流程模擬軟件，對該類型塔的節(jié)能降耗方法進(jìn)行研究。武芹等[3]利用PRO/Ⅱ軟件對某煉油廠的二甲苯分離塔進(jìn)行模擬研究，得到了熱回收效率高、熱量輸入少的操作條件。王樂等[4]運用Aspen Plus軟件對某芳烴裝置的二甲苯分離塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，優(yōu)化后可以節(jié)省2.41 MW左右的熱功率。

吉林石化二甲苯分離塔與國內(nèi)多數(shù)二甲苯塔稍有區(qū)別，塔頂分離出的混合二甲苯直接作為產(chǎn)品，不再進(jìn)行進(jìn)一步分離。本研究使用Aspen Plus流程模擬軟件V9版本，對吉林石化二甲苯分離塔進(jìn)行模擬優(yōu)化。并依據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整實際生產(chǎn)的操作參數(shù)，在滿足操作指標(biāo)的同時實現(xiàn)效益最大化。

1 流程簡介

吉林石化二甲苯分離塔設(shè)計處理能力為713 kt/a，以鉑催化重整單元重整液分離塔塔釜液(自該塔塔底泵GA-205來)、異構(gòu)化單元脫庚烷塔塔釜液(自該塔塔底換熱器EA-506來)和歧化單元甲苯塔塔釜液(自該塔塔底泵GA-409來)為原料。通過分離，塔頂采出混合二甲苯產(chǎn)品，塔底為鄰二甲苯、C9芳烴和C10+芳烴的混合物，并進(jìn)入后續(xù)單元進(jìn)一步分離。二甲苯分離塔塔底再沸爐為兩臺立式圓桶爐，強制通風(fēng)，設(shè)有煙氣回收系統(tǒng)。用塔頂氣相作為苯塔、甲苯塔、鄰二甲苯塔和重芳烴塔的塔底熱源，用塔底液相作為歧化單元汽提塔和異構(gòu)化單元脫庚烷塔的塔底熱源，同時還利用塔頂氣相副產(chǎn)2.0 MPa蒸汽。塔頂采出的混合二甲苯，一部分作為產(chǎn)品經(jīng)過冷卻后進(jìn)入產(chǎn)品罐，另一部分送往異構(gòu)化單元作為原料用來增產(chǎn)鄰二甲苯。由于該塔塔板數(shù)過多(220塊)，若設(shè)計成一個塔，則單塔高度過高，故設(shè)計時將該塔拆分為兩個塔操作。圖1為二甲苯分離塔工藝流程示意。

圖1 二甲苯分離塔工藝流程示意

2 模型驗證

利用2020年6月3日至6月9日生產(chǎn)數(shù)據(jù)的平均值作為生產(chǎn)運行的實際值對二甲苯分離塔進(jìn)行建模。雖然二甲苯分離塔分為兩個塔操作，但其實質(zhì)為單塔拆分，與單塔并無二致，故為了簡化模型，使用Aspen Plus軟件模擬時采用單塔模型。由于非芳烴含量較低，具體組分未知，且非芳烴各組分沸點與塔內(nèi)其他組分相近，故模擬過程中忽略該組分。由于模型中組分屬于非極性或極性較弱的混合物體系，是較理想的物系，物性方法一般選擇Peng-Rob或SRK。而Peng-Rob方法改善了SRK方程預(yù)測液相體積不夠準(zhǔn)確的缺點[5]，故在此選擇Peng-Rob方法[6]。

建模過程中，二甲苯分離塔的塔板效率和全塔壓降均為未知量。本研究利用設(shè)計規(guī)范，設(shè)各層塔板的Murphree板效率相等，通過塔頂、塔底采出的組分分布模擬計算得出各層塔板的平均Murphree板效率為95%。一般來說，二甲苯分離塔塔板效率較高，該值符合經(jīng)驗[5]，可信度較高。通過已知的塔板溫度模擬計算得出全塔壓降為130 kPa。將計算出的塔板效率和全塔壓降帶入模型中，建立模型。模型建立后，主要操作條件實際值與計算值見表1，塔頂采出物組成實際值與計算值見表2，塔底采出物組成實際值與計算值見表3。表1～表3結(jié)果表明，所建模型模擬結(jié)果的主要參數(shù)與實際工況吻合較好，塔頂、塔底采出物組成，尤其是關(guān)鍵組分(塔頂鄰二甲苯含量和塔底間二甲苯)含量也與實際工況吻合較好，模擬結(jié)果完全可以用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)的優(yōu)化和改造[7]。

表1 二甲苯分離塔主要操作參數(shù)

表2 塔頂采出物組成 w，%

表3 塔底采出物組成 w，%

3 優(yōu)化及靈敏度分析

建模完成后，利用軟件的優(yōu)化器功能進(jìn)行優(yōu)化。塔底熱負(fù)荷是塔底加熱能量消耗的直接體現(xiàn)，且這部分能耗是該塔的主要能耗，故優(yōu)化能耗的思路是改變操作條件，在保證塔頂、塔底采出物料純度合格的前提下，找到使塔底熱負(fù)荷為最小值的操作條件。

分析指標(biāo)要求二甲苯分離塔塔底間二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%，塔頂鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.5%。實際生產(chǎn)中，塔頂鄰二甲苯含量存在一定波動，為避免優(yōu)化后卡邊操作造成產(chǎn)品不合格，模擬優(yōu)化時縮小了塔頂鄰二甲苯含量的限定范圍。限定的約束條件為：二甲苯分離塔塔底間二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%，塔頂鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.0%，誤差范圍為1×10-7。

首先改變塔頂回流量和塔頂采出量?；亓髁吭?00～800 m3/h(溫度197 ℃左右)范圍變化，塔頂采出量在64～65 t/h(體積流量92.60～94.05 m3/h)范圍變化。在回流量約為660 m3/h時，得到滿足約束條件的塔底熱負(fù)荷的最小值。此時塔底熱負(fù)荷為65.96 MW，較優(yōu)化前的69.45 MW降低了5.0%。在此基礎(chǔ)上，使塔壓在0.58～0.7 MPa范圍變化，得到滿足約束條件的塔底熱負(fù)荷最小值在塔壓0.58 MPa下出現(xiàn)，為65.70 MW，較優(yōu)化前降低5.41%。

優(yōu)化器得出的結(jié)果為生產(chǎn)優(yōu)化提供了方向。但優(yōu)化器僅能搜索出給定約束條件下的最優(yōu)解，無法得出每個操作參數(shù)變化時精餾塔分離效果和塔底熱負(fù)荷的變化趨勢。故進(jìn)一步利用軟件中靈敏度分析功能，分別觀察回流量、塔板壓力及板效率變化對分離效果和塔底熱負(fù)荷的影響，以指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

圖2為塔底熱負(fù)荷隨回流比變化的靈敏度分析。由圖2可知，隨著回流量的減小，塔底熱負(fù)荷大幅降低，但分離效果下降，塔頂鄰二甲苯含量升高。

圖2 回流量對二甲苯塔塔底熱負(fù)荷和分離效果的影響

降低回流量雖然使分離效果下降，但二甲苯分離塔平穩(wěn)操作時產(chǎn)品質(zhì)量有較大裕量，塔頂鄰二甲苯含量的指標(biāo)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.5%，優(yōu)化前回流量為700 m3/h，塔頂產(chǎn)品鄰二甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.41%，具備一定的調(diào)整空間。且降低回流量能大幅降低塔底熱負(fù)荷，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

圖3為塔底熱負(fù)荷隨塔頂壓力變化的靈敏度分析。由圖3可知，隨著塔頂壓力下降，塔底熱負(fù)荷小幅降低，分離效果略微下降，影響較小。通過調(diào)整塔頂壓力來降低塔底熱負(fù)荷收效甚微，壓力降低0.02 MPa僅能降低0.5%的熱負(fù)荷，且塔頂壓力過低不利于平穩(wěn)操作。不建議采用此優(yōu)化方式。

圖3 塔頂壓力對二甲苯分離塔塔底熱負(fù)荷和分離效果的影響

圖4為塔底熱負(fù)荷隨塔板效率變化的靈敏度分析(此處板效率為各層塔板的Murphree板效率)[8-9]。本研究主要討論的是如何減少能量消耗，而不是提高分離效果，故在此引入優(yōu)化器，使分離效果固定在塔頂鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時進(jìn)行靈敏度分析。由圖4可知，隨著塔板效率的增加，達(dá)到同一分離效果時，塔底熱負(fù)荷小幅降低。根據(jù)模擬計算結(jié)果，二甲苯分離塔平均每層塔板的Murphree板效率為95%。塔板效率較高，故進(jìn)一步提高塔板效率空間有限，且收效甚微。另外調(diào)整塔板效率難度較大，投入較高，需要在檢修時更換塔盤。故不建議采用此優(yōu)化方式。

圖4 塔板效率對二甲苯分離塔塔底熱負(fù)荷的影響

4 工業(yè)應(yīng)用及成效

根據(jù)模擬得出的結(jié)論，實際生產(chǎn)中擬通過降低回流量的方式對二甲苯分離塔進(jìn)行優(yōu)化。以每次回流量降低5 m3/h的幅度對二甲苯分離塔進(jìn)行操作調(diào)整，目標(biāo)是將回流量降至660 m3/h。本研究通過靈敏度分析對優(yōu)化過程進(jìn)行預(yù)測，以指導(dǎo)生產(chǎn)操作。靈敏度分析結(jié)果見表4。

當(dāng)二甲苯分離塔回流量調(diào)整至目標(biāo)值660 m3/h時，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后各路進(jìn)料及采出物的組成，結(jié)果見表5。優(yōu)化前后進(jìn)料組分變化幅度較小。二甲苯分離塔塔頂混合二甲苯中鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)由優(yōu)化前的2.41%升至優(yōu)化后的3.08%，仍滿足產(chǎn)品控制指標(biāo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.5%)。優(yōu)化后鄰二甲苯產(chǎn)量減少約2 t/d，混合二甲苯產(chǎn)量增加2 t/d。

表6為優(yōu)化前后二甲苯分離塔的主要操作參數(shù)。受二甲苯分離塔回流量降低的影響，塔頂回流泵實際運行電流降低3 A，電機功率降低19.8 kW。塔底兩臺再沸爐燃料消耗分別降低203.96 kg/h和178.39 kg/h，合計降低燃料消耗382.35 kg/h。按照天然氣單價2 170元/t、電價1.12元/(kW·h)計算，經(jīng)過本次優(yōu)化調(diào)整，每年節(jié)約成本費用746.25萬元。

表4 優(yōu)化過程中的靈敏度分析

表5 優(yōu)化前后二甲苯分離塔各路進(jìn)料及采出物組成 w，%

表6 優(yōu)化前后主要操作參數(shù)對比

5 結(jié) 論

利用Aspen Plus流程模擬軟件對吉林石化二甲苯分離塔進(jìn)行建模，所建模型與實際生產(chǎn)偏差較小，說明該模型可以較好地模擬實際生產(chǎn)。在該模型基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化器和靈敏度分析研究操作條件對該二甲苯分離塔的影響，為塔的操作優(yōu)化提供了方向指導(dǎo)，并預(yù)測參數(shù)調(diào)整幅度及調(diào)整后的生產(chǎn)狀態(tài)，降低了過程優(yōu)化的成本。實際生產(chǎn)中，利用模擬計算得出的結(jié)果，通過調(diào)整回流量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了二甲苯塔的節(jié)能優(yōu)化，降低了操作費用。