芳烴鄰二甲苯精餾塔流程模擬優(yōu)化研究

任紅鋒

（中國(guó)石化揚(yáng)子石化有限公司，江蘇南京210048）

某芳烴裝置是國(guó)內(nèi)最大的鄰二甲苯產(chǎn)品供應(yīng)裝置之一[1]，其鄰二甲苯精餾塔DA-3601原設(shè)計(jì)以二甲苯分餾塔DA-801塔釜富含鄰二甲苯（OX）的C8+A為原料，通過(guò)精餾方法實(shí)現(xiàn)鄰二甲苯與異丙苯（IPB）及C9以上組分的分離，分離得到的OX作為產(chǎn)品出廠。原設(shè)計(jì)DA-3601鄰二甲苯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%（w，下同），產(chǎn)品中非芳烴加C9A總量小于1.5%。2006年芳烴裝置擴(kuò)能改造后，二甲苯分餾塔DA-8501 塔釜富含OX 的C8+A 與DA-801 塔釜物料一并作為原料，DA-3601鄰二甲苯產(chǎn)能從原來(lái)的8萬(wàn)t/a提高到12萬(wàn)t/a以上，OX產(chǎn)品純度從95%提高到98%以上，非芳烴加C9A總量小于1.0%。2007年鄰二甲苯下游主要用戶苯酐生產(chǎn)廠發(fā)現(xiàn)使用含異丙苯較高的鄰二甲苯原料生產(chǎn)時(shí)裝置會(huì)造成爆鳴事故，并于2008年要求鄰二甲苯產(chǎn)品中的IPB含量不大于1.0%[2]。

鄰二甲苯塔DA-3601塔徑3.4 m，高50 m，每個(gè)塔板有兩個(gè)沉降管，內(nèi)置有100塊塔板。2010年實(shí)施了高效塔盤(pán)更換，采用了三溢流VG-PLUS 高性能塔盤(pán)，更換后應(yīng)客戶要求，鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB 控制在0.5%以下。2016 年為優(yōu)化鄰二甲苯塔原料，DA-801（100 塊塔盤(pán)）不再聯(lián)產(chǎn)鄰二甲苯，DA-3601 進(jìn)料由混合進(jìn)料改為二甲苯分餾塔DA-8501（168塊塔盤(pán)）來(lái)的優(yōu)質(zhì)物料，之后DA-3601 運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品純度在99.7%以上，IPB 控制0.1%以下，但更換高效塔盤(pán)后，回流比在12.3 左右，與同類裝置相比仍較高[3]，且鄰二甲苯單元再沸爐存在煙氣溫度偏高等瓶頸，故需通過(guò)開(kāi)展鄰二甲苯塔模擬優(yōu)化工作，為摸索鄰二甲苯塔最優(yōu)操作參數(shù)提供支撐。

2 鄰二甲苯單元運(yùn)行中存在的問(wèn)題

DA-3601實(shí)際進(jìn)料量比設(shè)計(jì)高18%，約為7.3 t/h，但OX 產(chǎn)品采出量卻增加了41%，實(shí)際回流比與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，在12.5 ～13.0 之間。與此同時(shí)，塔頂廢熱鍋爐負(fù)荷較設(shè)計(jì)增加了43.6%，塔釜再沸爐熱負(fù)荷較芳烴85萬(wàn)t/a改造設(shè)計(jì)增加了50.7%，即使與再沸爐最初熱負(fù)荷相比，也提高了10%左右。

因鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷和塔釜熱負(fù)荷的提高，塔頂氣相壓差控制閥開(kāi)度大，無(wú)調(diào)節(jié)余量，再沸爐排煙溫度較最初提高40℃以上等問(wèn)題凸顯，為裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響，同時(shí)與公司創(chuàng)建綠色節(jié)能企業(yè)的初衷背離，有必要探索目前裝置進(jìn)料條件下的優(yōu)化措施，以期降低塔頂廢熱鍋爐和塔釜再沸爐負(fù)荷，提升裝置經(jīng)濟(jì)效益。

3 利用Aspen 模型對(duì)鄰二甲苯塔模擬情況

3.1 鄰二甲苯塔建模情況

DA-8501塔釜富含OX的C8+A物料組成相對(duì)穩(wěn)定，以2018年6月中旬裝置平均進(jìn)料組成和鄰二甲苯塔操作數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PENG-ROB物性方法和Aspen Plus流程模擬軟件建立鄰二甲苯塔模型，模擬結(jié)果顯示，建立的模型與2018年6月中旬鄰二甲苯實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，表明該模型可靠性強(qiáng)，可以此為基礎(chǔ)對(duì)鄰二甲苯塔進(jìn)行模擬，以期摸索鄰二甲苯塔最優(yōu)操作參數(shù)。鄰二甲苯塔運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 鄰二甲苯塔運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比

利用建立的模型，從進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度、進(jìn)料位置、產(chǎn)品中異丙苯含量、目標(biāo)產(chǎn)品收率、塔盤(pán)效率六個(gè)方面對(duì)鄰二甲苯塔進(jìn)行模擬，在一定的產(chǎn)品質(zhì)量和回收率下，考察各因素對(duì)裝置回流比、加熱爐負(fù)荷的影響。

3.2 進(jìn)料量

Aspen Plus 模擬結(jié)果顯示，在同樣的進(jìn)料組成并保持鄰二甲苯收率大于99%，OX 產(chǎn)品純度大于99.3%，產(chǎn)品中IPB控制小于0.5%的情況下，進(jìn)料量越大，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量越高，但加熱爐負(fù)荷也越高。以DA3601 再沸爐改造后負(fù)荷10.3 MW 為限，DA3601 的最大進(jìn)料量為49 t/h，對(duì)應(yīng)的OX 產(chǎn)量為15.2 t/h；以改造前原設(shè)計(jì)負(fù)荷13.69 MW 為限，DA3601 最大進(jìn)料量為63.8 t/h，對(duì)應(yīng)的OX 產(chǎn)量為18.8 t/h。從裝置實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)看，DA3601的OX產(chǎn)品產(chǎn)量歷史最高達(dá)到420～480 t/d，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)一致。

3.3 進(jìn)料是否取熱

目前鄰二甲苯進(jìn)料溫度為281℃左右，屬于過(guò)熱進(jìn)料狀態(tài)，進(jìn)料溫度的變化對(duì)鄰二甲苯塔分離效果影響可通過(guò)軟件模擬來(lái)驗(yàn)證。模擬結(jié)果顯示，在OX組分收率保持在99.5%和產(chǎn)品中IPB含量保持在0.5%的條件下，對(duì)進(jìn)料進(jìn)行取熱（保持進(jìn)料溫度與進(jìn)料塔盤(pán)溫度一致）2.12 MW后，鄰二甲苯產(chǎn)品純度和產(chǎn)品沒(méi)有變化，二甲苯回流比降低了約8.6%，塔頂冷卻負(fù)荷降低了約7.8%，但同時(shí)塔釜熱負(fù)荷提高了10.6%，而目前情況下鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷用來(lái)副產(chǎn)0.8 MPa 蒸汽。也就是說(shuō)，對(duì)原料取熱后鄰二甲苯塔回流比降低，但這只是表面現(xiàn)象，而塔釜熱負(fù)荷不降反增，塔頂副產(chǎn)蒸汽產(chǎn)量降低，故對(duì)鄰二甲苯塔原料取熱加熱其他物料沒(méi)有實(shí)際意義，不具備可操作性。

3.4 進(jìn)料位置

鄰二甲苯塔DA3601 有3 個(gè)進(jìn)料位置，分別在第30 塊、40 塊和50 塊塔盤(pán)，在同樣的進(jìn)料溫度、壓力、組成和進(jìn)料流量下，利用Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)不同OX 產(chǎn)品收率對(duì)鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響進(jìn)行了考察，結(jié)果如表2所示。

從表2 可以看出，在同樣OX 組分收率和IPB含量下，進(jìn)料位置直接影響著鄰二甲苯塔能耗，在進(jìn)料位置從第50 塊塔盤(pán)提高至第40 塊塔盤(pán)時(shí)，在產(chǎn)品純度、產(chǎn)量、OX 組分收率基本沒(méi)有變化的前提下，鄰二甲苯塔回流比提高約12.7%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約11.8%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約13.1%；如進(jìn)料位置改至第30 塊塔盤(pán)，則不僅OX產(chǎn)品質(zhì)量下降（純度下降、IPB含量達(dá)不到0.1%要求），而塔頂冷卻負(fù)荷、塔釜再沸爐負(fù)荷均有更大程度增加。這表明第50塊塔盤(pán)是鄰二甲苯塔的最佳進(jìn)料位置，這與二甲苯進(jìn)料組成和精餾段塔盤(pán)數(shù)有關(guān)，精餾段塔盤(pán)數(shù)越多，越利于塔頂物料產(chǎn)品的分離；鄰二甲苯塔進(jìn)料與第50塊塔盤(pán)處塔內(nèi)物料組成更為接近，有利于鄰二甲苯塔能耗的降低。任亞秋的鄰二甲苯工藝流程模擬結(jié)果[4]也表明，同樣的進(jìn)料下，適當(dāng)增加精餾段塔盤(pán)數(shù)有利于提高OX收率。

3.5 產(chǎn)品中異丙苯指標(biāo)

異丙苯是除C8A 其他幾種同分異構(gòu)體外，與OX 沸點(diǎn)最為接近的組分之一，其分離難度較高，因而鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB 的高低，直接影響著鄰二甲苯塔的塔頂冷卻負(fù)荷和再沸爐熱負(fù)荷。利用Aspen Plus 流程模擬軟件，模擬不同IPB 指標(biāo)對(duì)裝置冷熱負(fù)荷影響，模擬結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，OX 產(chǎn)品中IPB 的指標(biāo)是影響鄰二甲苯塔能耗的關(guān)鍵因素之一，在IPB 指標(biāo)從0.1%增加到0.5%的過(guò)程中，OX 產(chǎn)品純度逐步從99.7%降低至99.3%，產(chǎn)量提高了0.4%，鄰二甲苯塔回流比降低到第一種基礎(chǔ)工況的66.5%左右，塔頂冷卻負(fù)荷降低約31.9%，塔底再沸爐熱負(fù)荷降低了約34.2%。這說(shuō)明OX產(chǎn)品中IPB控制指標(biāo)對(duì)裝置能耗影響極大，在保證裝置OX產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，適當(dāng)放寬控制IPB含量，有利于大幅降低裝置能耗。

表3 不同異丙苯指標(biāo)對(duì)裝置冷熱負(fù)荷的影響

3.6 OX 組分收率

在固定進(jìn)料及產(chǎn)品指標(biāo)條件下，利用Aspen Plus 流程模擬軟件考察不同OX 產(chǎn)品收率對(duì)鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同OX 收率對(duì)裝置冷熱負(fù)荷的影響

從表4 可知，在進(jìn)料及產(chǎn)品指標(biāo)條件相同時(shí)，OX組分收率直接影響鄰二甲苯塔能耗，在OX組分收率從99%提高到99.9%的過(guò)程中，塔釜出料中OX濃度從0.5%減低到0.05%，OX 產(chǎn)品質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化，產(chǎn)量提高了約0.7%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約39.3%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約45.2%。這說(shuō)明OX組分收率對(duì)鄰二甲苯裝置能耗影響極大，能耗增加幅度明顯高于鄰二甲苯產(chǎn)品產(chǎn)量增加幅度，因此在保證裝置OX 產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，避免過(guò)分追求鄰二甲苯組分收率，有利于大幅降低裝置能耗。

進(jìn)一步的模擬數(shù)據(jù)顯示，如控制OX 收率在98%以上，IPB 控制在0.3%以下時(shí)，此時(shí)回流比9.12，則OX產(chǎn)品純度可控制在99.5%以上，塔頂冷卻負(fù)荷可以降低至12.64 MW，塔釜熱負(fù)荷可以降低至10.93 MW左右；如同時(shí)將IPB控制在0.5%以下時(shí)，塔頂冷卻負(fù)荷可以降低至11.48 MW，塔釜熱負(fù)荷可以降低至10 MW以下。

3.7 塔板效率

利用Aspen Plus流程模擬軟件考察了塔盤(pán)效率對(duì)鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響。結(jié)果表明，在同樣進(jìn)料、OX 組分收率和產(chǎn)品指標(biāo)條件下，塔盤(pán)效率直接影響鄰二甲苯塔能耗，在塔盤(pán)效率從75%降低至70%時(shí)，產(chǎn)品純度、OX組分收率基本沒(méi)有變化，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量降低了約0.3%，鄰二甲苯塔回流比提高約5.8%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約5.3%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約6.0%。這說(shuō)明塔盤(pán)效率對(duì)鄰二甲苯裝置能耗有較大影響，在可能的前提下，采用高效塔盤(pán)替代普通篩板塔盤(pán)有利于降低裝置回流比和鄰二甲苯裝置能耗。在同樣的回流比下，選擇高效塔盤(pán)可明顯改善精餾塔分離效果，這與DA3601 更換高效塔盤(pán)后，OX產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升的情況一致。

4 DA3601 操作優(yōu)化建議

4.1 鄰二甲苯塔再沸爐設(shè)計(jì)負(fù)荷限制下的優(yōu)化

從模擬數(shù)據(jù)來(lái)看，2018年6月14.1 t/h的OX產(chǎn)量要求下，理論上可以通過(guò)控制產(chǎn)品OX 中IPB 含量不大于0.5%，OX收率不低于99%，降低OX產(chǎn)品純度至不小于99.3%的措施，降低DA3601 回流比至經(jīng)濟(jì)回流比8.5左右，此時(shí)DA3601再沸爐負(fù)荷在10.21 MW，處于芳烴85萬(wàn)t/a改造后再沸爐設(shè)計(jì)負(fù)荷下（10.3 MW），對(duì)應(yīng)的凈回流量約為120 t/h。

考慮到模擬誤差，在當(dāng)前進(jìn)料負(fù)荷下，回流比可保持在9.66（約為經(jīng)濟(jì)回流比的1.15倍），則鄰二甲苯塔再沸爐熱負(fù)荷11.77 MW，對(duì)應(yīng)的凈回流量約為147 t/h，再沸爐熱負(fù)荷約比經(jīng)濟(jì)回流比情況下增加1.47 MW，比實(shí)際回流比負(fù)荷可降低3.75 MW，約相當(dāng)于可節(jié)約燃料消耗322 kg/h，以年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)油2 576 t。根據(jù)模擬結(jié)果，此時(shí)OX 產(chǎn)品純度在99.5%，IPB 含量在0.3%以下，OX收率在99.3%以上，除IPB含量比目前（0.1%以下）略高，OX 純度（99.8%左右）略低外，與目前鄰二甲苯塔分離效果略低，但產(chǎn)品保持在優(yōu)級(jí)品，且節(jié)能效果顯著。

4.2 DA3601 最大OX 產(chǎn)品產(chǎn)量探討

模型數(shù)據(jù)顯示，以鄰二甲苯塔再沸爐原設(shè)計(jì)負(fù)荷為基礎(chǔ)，DA3601最大進(jìn)料量為63.8 t/h，對(duì)應(yīng)的OX產(chǎn)品產(chǎn)量為19.8 t/h，此時(shí)，經(jīng)濟(jì)回流比為8.43，對(duì)應(yīng)的回流量約170 t/h，與當(dāng)前實(shí)際回流量相當(dāng)。實(shí)際操作中，為確保OX 產(chǎn)品的穩(wěn)定性，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量會(huì)有5%左右的降低，即在再沸爐設(shè)計(jì)負(fù)荷下，最大OX產(chǎn)能應(yīng)在18.8 t/h左右。

4.3 優(yōu)化建議

1）低OX產(chǎn)量下鄰二甲苯塔回流比優(yōu)化

在當(dāng)前鄰二甲苯進(jìn)料組成和O X 產(chǎn)品產(chǎn)量（14.7 t/h）下，建議放寬OX產(chǎn)品中IPB濃度至0.5%，控制OX回收率至99.0%，從而在保持OX產(chǎn)品純度在99.3%以上的情況下，鄰二甲苯塔回流比可從目前的12.66 左右降低至9.66 左右，再沸加熱爐熱負(fù)荷可降低3.75 MW，預(yù)計(jì)可節(jié)約燃料322 kg/h；此時(shí)鄰二甲苯塔再沸爐熱負(fù)荷11.77 MW，小于再沸爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷13.69 MW。

2）高OX產(chǎn)量下鄰二甲苯塔回流比優(yōu)化

在當(dāng)前進(jìn)料組成下，如需最大化生產(chǎn)OX，可實(shí)施鄰二甲苯產(chǎn)品卡邊操作，即放寬OX產(chǎn)品中IPB濃度至0.5%，降低OX 回收率至98%～99%，通過(guò)增加進(jìn)料量，可控制OX 產(chǎn)品純度在99.3%以上的情況下，保持適當(dāng)?shù)幕亓鞅认聦⑧彾妆剿M(jìn)料量增加至63.8 t/h，此時(shí)鄰二甲苯產(chǎn)量為18.8 t/h左右，再沸爐負(fù)荷略小于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。

5 結(jié)論

從鄰二甲苯塔模擬優(yōu)化情況可以看出，當(dāng)前DA-3601塔鄰二甲苯產(chǎn)品存在質(zhì)量過(guò)剩情況，建議采取以下優(yōu)化措施，摸索嘗試降低鄰二甲苯單元能耗，提升裝置經(jīng)濟(jì)效益。

1）低負(fù)荷下鄰二甲苯塔優(yōu)化

通過(guò)放寬鄰二甲苯中IPB 控制指標(biāo)在0.5%以下，控制鄰二甲苯回收率在99%左右的方法，大幅降低鄰二甲苯回流比和塔釜再沸爐熱負(fù)荷，此時(shí)對(duì)應(yīng)OX 產(chǎn)品純度在99.3%左右。因預(yù)期節(jié)能效果明顯，建議盡快開(kāi)展降低回流比實(shí)驗(yàn)，并逐步摸索DA3601塔頂OX產(chǎn)品中IPB上限指標(biāo)，避免能源無(wú)效消耗。例如可控制OX 產(chǎn)品中IPB 含量在0.4%～0.6%，并與歧化單元OX 產(chǎn)品調(diào)和的方式，確保外供鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB含量在0.5%以下。

2）高負(fù)荷生產(chǎn)下鄰二甲苯塔優(yōu)化

在高產(chǎn)OX 時(shí)，為避免DA3601 再沸爐負(fù)荷過(guò)高，可在控制鄰二甲苯中IPB 含量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低OX 產(chǎn)品收率至98%～98.5%，以適當(dāng)犧牲OX 收率為代價(jià)，確保鄰二甲苯塔再沸加熱爐熱負(fù)荷低于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷（約為設(shè)計(jì)的96%），降低再沸爐最終排煙溫度和鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷，確保裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。