萃取精餾石腦油重整液中芳烴與非芳烴

劉艷杰，林海尚，李文宇，趙祥

（1.吉林化工學(xué)院吉林省化工分離技術(shù)與節(jié)能工程實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林，132022；2.中國(guó)石油吉林石化公司煉油廠，吉林吉林，132022；3.譜尼測(cè)試集團(tuán)吉林有限公司，吉林長(zhǎng)春，130015）

0 引言

芳烴中含有多種組分，其中，苯、甲苯和混合二甲苯是催化重整制芳烴主要目的產(chǎn)物，也是重要石油化工基礎(chǔ)原料。隨著芳烴需求量的增長(zhǎng)，對(duì)芳烴和非芳烴進(jìn)行分離愈加重要［1，2］。由于重整液中芳烴與非芳烴存在近沸點(diǎn)或共沸組分［3］，如芳烴中的苯和非芳烴中的正己烷、甲基環(huán)戊烷等組分，故采用普通精餾的方法很難將其有效分離［4，5］。為獲得滿足工業(yè)需求質(zhì)量純度的芳烴，工業(yè)生產(chǎn)中常用液-液萃取和萃取精餾技術(shù)，其中，液-液萃取分離技術(shù)一般用于處理芳烴含量小于70%的原料；對(duì)于芳烴含量大于70%的原料，一般采用萃取精餾技術(shù)［6-8］。本研究根據(jù)石腦油重整液實(shí)際組分和組成等特征建立分離工藝流程，并對(duì)以N-甲基吡咯烷酮為萃取劑的萃取精餾塔進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化與分析，研究結(jié)果可為重整液中的芳烴和非芳烴萃取精餾塔設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 石腦油重整液分離工藝流程

1.1 分離流程建立

通過(guò)對(duì)原料組分和組成的分析，建立圖1所示工藝流程。原料經(jīng)脫丁烷塔T0101脫除大部分小分子烴類和氫氣后，進(jìn)入脫重芳烴塔T0102脫除鄰二甲苯等重組分，塔頂獲得芳烴和非芳烴的混合物進(jìn)入萃取精餾塔T0103，在萃取劑作用下，實(shí)現(xiàn)芳烴和非芳烴的有效分離，塔頂排出非芳烴等輕組分，而芳烴與萃取劑從塔底排出進(jìn)入溶劑回收T0104，在此回收萃取劑并循環(huán)至T0103，塔頂排出芳烴進(jìn)入脫二甲苯塔T0105，塔頂排出輕組分苯和甲苯的混合物進(jìn)入脫苯塔T0106進(jìn)一步分離苯和甲苯，塔底排出混合二甲苯?；旌隙妆浇?jīng)預(yù)冷后進(jìn)入結(jié)晶器CRY結(jié)晶析出對(duì)二甲苯晶體，經(jīng)固液分離器GYFLQ液固分離后，母液去異構(gòu)化反應(yīng)工段參加反應(yīng)，對(duì)二甲苯晶體被熔為液態(tài)后去儲(chǔ)罐。

圖1 石腦油重整液分離工藝流程

所建立流程中萃取精餾塔T0103的主要任務(wù)是將芳烴與非芳烴分離，分離得到的芳烴的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率將直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，故該塔在整個(gè)分離工藝中屬于關(guān)鍵塔。因此，本文重點(diǎn)對(duì)該塔進(jìn)行詳細(xì)的工藝參數(shù)模擬與優(yōu)化。

1.2 萃取精餾溶劑選擇與可行性分析

目前，常用于萃取精餾脫芳烴和非芳烴的單一溶劑主要有環(huán)丁砜、N-甲?；鶈徇,N-二甲基甲酰胺等。其中，環(huán)丁砜對(duì)芳烴具有良好的選擇性、溶解性和熱穩(wěn)定性，但由于Aspen中缺乏相關(guān)的二元交互作用參數(shù)，因此模擬之后的分離效果不是很理想［9，10］；N-甲?；鶈徇鵁o(wú)毒無(wú)腐蝕，熱穩(wěn)定性和選擇性均較好，溶劑消耗量也較少，但以N-甲?；鶈徇鵀槿軇┑妮腿【s工藝為國(guó)內(nèi)外專利技術(shù)，公開發(fā)表的文獻(xiàn)中相關(guān)的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)很少［11］；N,N-二甲基甲酰胺毒性大，且需從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格比較昂貴，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)萃取精餾溶劑選擇要求［12，13］，本文選擇對(duì)芳烴有良好溶解性和選擇性的N-甲基吡咯烷酮（常壓下沸點(diǎn)202℃），因其無(wú)毒無(wú)害，易于生化處理，所以選擇其作為萃取精餾分離芳烴和非芳烴的溶劑，符合 “綠色化工”的要求。

根據(jù)組分特性選擇UNIQUE方程［14］，其中組分間交互作用參數(shù)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提供，缺少參數(shù)采用UNIFAC 方法估算。經(jīng)物性分析，得到常壓下芳烴中的苯與非芳烴中的正己烷和甲基環(huán)戊烷的共沸情況，結(jié)果見圖2。

圖2 常壓下苯-正己烷-甲基環(huán)戊烷三元相圖

由圖2可見，苯-正己烷-甲基環(huán)戊烷體系存在2個(gè)二元最低共沸物，即苯-正己烷（68.68℃）和苯-甲基環(huán)戊烷（71.52℃）。若采用萃取精餾有效分離該體系的芳烴（主要是苯）和非芳烴（主要是正己烷和甲基環(huán)戊烷），需要引入特定的質(zhì)量分離劑改善該體系的汽液平衡關(guān)系，并打破共沸現(xiàn)象。圖3、圖4為有無(wú)N-甲基吡咯烷酮（NMP）作用下，苯-正己烷、苯-甲基環(huán)戊烷汽液平衡曲線。

圖3 苯-正己烷汽液平衡曲線

圖4 苯-甲基環(huán)戊烷汽液平衡曲線

由圖3和圖4可見，在N-甲基吡咯烷酮存在條件下，打破了苯-正己烷、苯-甲基環(huán)戊烷兩個(gè)體系的共沸現(xiàn)象，且使汽液平衡曲線液均得到了良好的改善，即提高了苯-正己烷、苯-甲基環(huán)戊烷的相對(duì)揮發(fā)度，這說(shuō)明以N-甲基吡咯烷酮作為萃取劑建立的萃取精餾工藝分離苯-正己烷-甲基環(huán)戊烷是可行的。

2 結(jié)果與討論

為保證芳烴的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)和回收率及后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，在萃取精餾塔的操作中，控制苯在塔頂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.015。采用Aspen Plus 模擬軟件的Radfrac模塊，經(jīng)初步模擬計(jì)算，獲得芳烴-非芳烴萃取精餾塔工藝條件為理論塔板數(shù)23、原料進(jìn)料位置第15塊、回流比0.18、萃取劑進(jìn)料位置第5塊、萃取劑與原料進(jìn)料質(zhì)量比（萃取比）3.6。在此基礎(chǔ)上，利用靈敏度分析和設(shè)計(jì)規(guī)定等工具綜合考慮分離效果和能耗，對(duì)該塔工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化與分析。

2.1 理論塔板數(shù)

在初始模擬條件下，考察理論塔板數(shù)與熱負(fù)荷和塔頂苯質(zhì)量分率關(guān)系，結(jié)果見圖5。

圖5 理論塔板數(shù)與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率關(guān)系曲線

由圖5可見，隨著理論塔板數(shù)的增加，苯質(zhì)量分率呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，即分離效果明顯變好，而熱負(fù)荷呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)。但當(dāng)理論塔板數(shù)大于18塊時(shí)，苯質(zhì)量分率變化量很小，熱負(fù)荷增加趨勢(shì)也隨之變得緩慢。因此，綜合考慮分離效果和能耗，適宜理論塔板數(shù)取20塊，此時(shí)，苯質(zhì)量分率為0.0128。

2.2 原料進(jìn)料板位置

在適宜理論塔板數(shù)及初始模擬條件下，考察原料進(jìn)料板位置與熱負(fù)荷和塔頂苯質(zhì)量分率的關(guān)系，結(jié)果見圖6。

圖6 原料進(jìn)料位置與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率關(guān)系曲線

由圖6可見，隨著原料進(jìn)料板位置下移至第9塊板，苯質(zhì)量分率呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，即分離效果明顯變好，而熱負(fù)荷呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)；原料進(jìn)料板位置繼續(xù)下移時(shí)，苯質(zhì)量分率和熱負(fù)荷的變化量均變得緩慢；但當(dāng)進(jìn)料位置移動(dòng)到第16板以下時(shí)，苯質(zhì)量分率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，即分離效果變差。綜合考慮分離效果和能耗，適宜原料進(jìn)料位置選在第12塊板，此時(shí)苯質(zhì)量分率為0.0074。

2.3 回流比

在適宜理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置及初始模擬條件下，考察回流比與熱負(fù)荷和塔頂苯質(zhì)量分率的關(guān)系，結(jié)果見圖7。

圖7 回流比與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率關(guān)系曲線

由圖7可見，隨著回流比的增加，苯質(zhì)量分率和熱負(fù)荷雖然都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但總的變化量均不大，在回流比大于0.14時(shí)，苯質(zhì)量分率變化趨于平緩，但熱負(fù)荷仍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。綜合考慮分離效果和能耗，適宜回流比選0.15，此時(shí)苯質(zhì)量分率為0.0138。

2.4 萃取劑進(jìn)料位置

在適宜理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、回流比及初始模擬條件下，考察萃取劑進(jìn)料位置與熱負(fù)荷和塔頂苯質(zhì)量分率的關(guān)系，結(jié)果見圖8。

圖8 萃取劑進(jìn)料位置與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率關(guān)系曲線

由圖8可見，隨著萃取劑進(jìn)料板位置的下移，苯質(zhì)量分率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，而熱負(fù)荷呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。在第3—6塊板時(shí)，苯質(zhì)量分率和熱負(fù)荷變化均很緩慢，分離效果較好，但繼續(xù)下移萃取劑進(jìn)料板位置時(shí)，苯質(zhì)量分率和熱負(fù)荷均呈現(xiàn)快速變化趨勢(shì)，且分離效果明顯變差。綜合考慮分離效果和能耗，適宜萃取劑進(jìn)料位置選在第5塊塔板，此時(shí)苯質(zhì)量分率為0.0081。

2.5 萃取比

在適宜理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、回流比、萃取劑進(jìn)料板位置及初始模擬條件下，考察萃取比與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率的關(guān)系，結(jié)果見圖9。

圖9 萃取比與熱負(fù)荷和苯質(zhì)量分率關(guān)系曲線

由圖9可見，隨著萃取劑比的增大，苯質(zhì)量分率呈先下降隨后快速上升趨勢(shì)，當(dāng)萃取比高于 3.6時(shí)，分離效果明顯變差，而熱負(fù)荷隨萃取劑比的增大呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)。綜合考慮分離效果和能耗，適宜萃取劑比選3.4，此時(shí)苯質(zhì)量分率為0.0127。

3 結(jié)論

采用Aspen模擬軟件，在萃取劑N-甲基吡咯烷酮的作用下，建立石腦油重整液分離工藝流程。利用靈敏度分析和設(shè)計(jì)規(guī)定等工具，重點(diǎn)對(duì)重整液分離流程中芳烴與非芳烴分離的萃取精餾塔工藝參數(shù)進(jìn)行模擬與優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果為理論塔板數(shù)為20，原料進(jìn)料位置為12，回流比為0.15，萃取劑進(jìn)料位置為5，萃取劑比為3.4。在優(yōu)化的條件下，萃取精餾塔塔頂苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011，在控制指標(biāo)0.015以下，滿足工藝要求的分離指標(biāo)，芳烴總回收率達(dá)到99.8%以上。優(yōu)化結(jié)果可為石腦油重整液中芳烴與非芳烴的萃取精餾工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。