二甲苯異構(gòu)化催化劑性能對芳烴聯(lián)合裝置運行的影響

周震寰，白曉冬，馮小兵，王 瑩，康承琳

(1.中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國石油撫順石化公司催化劑廠)

二甲苯(X)異構(gòu)化是增產(chǎn)芳烴產(chǎn)品如對二甲苯(PX)的重要工業(yè)技術(shù)，是芳烴聯(lián)合裝置中二甲苯分離-轉(zhuǎn)化循環(huán)回路的反應(yīng)單元。異構(gòu)化催化劑的性能水平對整個聯(lián)合裝置的運行具有重要影響。

在二甲苯異構(gòu)化過程中，雙功能催化劑可以催化PX、間二甲苯(MX)和鄰二甲苯(OX)間的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)二甲苯異構(gòu)化主反應(yīng)[1]，也會導(dǎo)致副產(chǎn)物甲苯(T)和碳九以上重芳烴(C9+A)[2]的生成。二甲苯異構(gòu)化催化劑還具備對乙苯(EB)的轉(zhuǎn)化能力，一種方式是將乙苯轉(zhuǎn)化為二甲苯[3]，另一種方式是將乙苯脫烷基生成苯(B)[4]。

考察二甲苯異構(gòu)化催化劑的活性時，通常使用對二甲苯占二甲苯的比例(PX/X)作為異構(gòu)化催化性能的指標(異構(gòu)化活性)，使用乙苯轉(zhuǎn)化率(EBC)作為乙苯轉(zhuǎn)化能力的指標。盡管處理乙苯的方式有兩種，但乙苯的單程轉(zhuǎn)化率是衡量催化劑的合理指標?？疾於妆疆悩?gòu)化催化劑的選擇性時，通常是考察關(guān)鍵物料的收率或損失率。對于乙苯轉(zhuǎn)化型的催化劑，以碳八芳烴(C8A)及碳八非芳烴(C8NA)的總和作為關(guān)鍵物料，使用碳八收率(C8Y)或碳八芳烴損失率(C8L)作為衡量催化劑選擇性的指標；對于乙苯脫烷基型催化劑，以二甲苯的總和作為關(guān)鍵物料，使用二甲苯收率(XY)或二甲苯損失率(XL)作為衡量催化劑選擇性的指標[5]。

根據(jù)不同裝置設(shè)計工況和運行負荷變化，可以通過調(diào)整反應(yīng)器操作參數(shù)(如溫度、壓力及氫烴比等[6])或微調(diào)催化劑組成、生產(chǎn)工藝等獲得不同的催化劑性能表現(xiàn)[7]，使運行指標有所側(cè)重。在生產(chǎn)運行過程中，通常會面臨活性與選擇性的取舍[8]，本研究采用迭代分析法，以1.0 Mt/a PX生產(chǎn)裝置為例，分析芳烴聯(lián)合裝置中二甲苯異構(gòu)化單元運行指標對回路的影響，為新裝置的設(shè)計和運行提供一定的技術(shù)支持。

1 計算方法

1.1 模型建立

以中國石油化工股份有限公司的碳八芳烴異構(gòu)化工藝(C8AIT)為基礎(chǔ)，對芳烴聯(lián)合裝置回路進行建模計算。工藝流程描述如下：吸附分離單元產(chǎn)生的抽余液經(jīng)換熱及加熱爐加熱后進入二甲苯異構(gòu)化反應(yīng)器，通過催化劑床層后，在高壓分離器(高分)分出循環(huán)氣，高分底液經(jīng)過冷凝換熱后進入脫庚烷塔，脫庚烷塔塔頂液外送，塔底液經(jīng)過白土塔，與來自重整和/或歧化單元的新鮮補充料混合，到二甲苯塔分餾，碳八芳烴從二甲苯塔塔頂側(cè)線采出，送吸附分離單元。

在上述回路中，催化劑性能將影響到反應(yīng)器出口物料組成，進而在一系列分離單元中，影響到高分底液、脫庚烷塔塔底液和吸附分離進料的組成。同時，新鮮料的組成也會對回路的循環(huán)量產(chǎn)生影響。

1.2 流程參數(shù)

在進行回路迭代的過程中，相關(guān)的基礎(chǔ)計算參數(shù)包括以下幾部分：

(1)新鮮料通常采用重整C8A(重整料)或來自歧化單元的C8A(歧化料)。雖然這兩股來料在各裝置的工況有所不同，但組成大致穩(wěn)定，因此，選擇較典型的一組新鮮料組成作為計算基準，如表1所示。

表1 新鮮料典型組成 w，%

(2)對乙苯脫烷基型和乙苯轉(zhuǎn)化型兩種類型的二甲苯異構(gòu)化催化劑，除反應(yīng)器工況不同外，其余的分離單元均設(shè)為相同操作狀態(tài)，脫庚烷塔的分離效果視為相同，其中甲苯的塔頂采出比率設(shè)定為70%，吸附分離單元的PX收率為98%，產(chǎn)品PX純度(w)為99.8%。裝置產(chǎn)能為1.0 Mt/a，年工作時間為8 400 h。

(3)兩種類型的二甲苯異構(gòu)化催化劑的牌號及操作參數(shù)如表2所示，通過調(diào)節(jié)溫度、壓力等，達成不同的性能指標。

表2 二甲苯異構(gòu)化催化劑部分操作參數(shù)

上述參數(shù)確定后，以新鮮料組成為基準，對吸附分離進料組成賦初值，獲得PX采出量及抽余液側(cè)線組成；以抽余液側(cè)線組成作為二甲苯異構(gòu)化進料組成，按照不同的催化劑性能指標確定出口產(chǎn)物組成；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)脫庚烷塔脫除輕組分后，與新鮮料會合，作為新的吸附進料。對每一套性能指標，經(jīng)過迭代循環(huán)，至回路組成趨于穩(wěn)定，兩次迭代偏差小于0.01%，即為該指標下的裝置穩(wěn)定結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的影響

在乙苯轉(zhuǎn)化型和乙苯脫烷基型兩種工藝下，考察新鮮料組成對芳烴回路的影響。在典型工況下，兩種類型催化劑的性能水平可以長期穩(wěn)定在表3所列的水平。

表3 二甲苯異構(gòu)化催化劑穩(wěn)定運行指標水平 %

基于催化劑的典型指標，改變新鮮料的來源比例，原料對芳烴回路的影響如表4和表5所示，其中PX收率是以PX產(chǎn)量對新鮮料的消耗量計算得出，是循環(huán)回路的總收率。

表4 原料組成對芳烴回路的影響(乙苯轉(zhuǎn)化型工藝)

表5 原料組成對芳烴回路的影響(乙苯脫烷基型工藝)

由表4可見：對乙苯轉(zhuǎn)化型工藝，當新鮮進料規(guī)模為130 t/h時，采用兩種不同原料對PX產(chǎn)量和收率影響不大，歧化料僅略好于重整料；原料差異主要體現(xiàn)在吸附單元進料量和組成上，完全采用重整料比完全采用歧化料會使吸附進料負荷增加約11%，提高重整料比例使吸附單元進料中增加的部分主要是乙苯，這使單程循環(huán)的效率降低；在催化劑的用量上，采用重整料比歧化料時多用14%。

由表5可見：對乙苯脫烷基型工藝，當新鮮進料量為130 t/h時，完全采用歧化料比完全采用重整料時PX增產(chǎn)18%，且使吸附單元進料負荷增高9%，但吸附進料的PX含量較高，質(zhì)量分數(shù)達到23.24%；在催化劑的用量上，完全采用歧化料比完全采用重整料時多用6.5%。歧化料的乙苯含量低，對采用乙苯脫烷基型工藝的裝置非常有利，因此，在新裝置設(shè)計和聯(lián)合裝置的操作調(diào)度上，優(yōu)先使用歧化料是合理的方案。

以下在考察催化劑指標的影響時，以乙苯轉(zhuǎn)化型工藝使用重整料、乙苯脫烷基型工藝使用歧化料為基準。

2.2 異構(gòu)化的影響

對于兩種類型的催化劑，均可以通過調(diào)節(jié)溫度、壓力等操作參數(shù)，使二甲苯異構(gòu)化指標在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而保持乙苯轉(zhuǎn)化指標基本不變。由于要提高溫度來獲得更高的二甲苯異構(gòu)化活性，因此，關(guān)鍵物料的損失會增加。表6為不同二甲苯異構(gòu)化指標時，乙苯轉(zhuǎn)化型工藝條件下PX產(chǎn)量、收率、催化劑用量以及吸附單元進料的相應(yīng)情況。表7為乙苯脫烷基型工藝裝置的情況。

表6 二甲苯異構(gòu)化指標對乙苯轉(zhuǎn)化型工藝裝置的影響

表7 二甲苯異構(gòu)化指標對乙苯脫烷基型工藝裝置的影響

由表6可見：對乙苯轉(zhuǎn)化型工藝來說，當異構(gòu)化活性(PX/X)在22.80%～23.50%范圍內(nèi)變化時，低活性、低損失的運行可使PX收率提高1.00百分點，PX產(chǎn)量增加1.09%，但催化劑用量也相應(yīng)增加3.6%；但是在低異構(gòu)化活性運行時，若要維持1.0 Mt/a的PX產(chǎn)量，吸附單元進料負荷要增加3.1%，進料組成中的PX質(zhì)量分數(shù)降低了0.38百分點。優(yōu)劣相抵，二甲苯異構(gòu)化指標對整個裝置的運行影響較小。

對乙苯脫烷基型工藝來說，對二甲苯異構(gòu)化活性的調(diào)節(jié)手段較少，溫度、壓力等對活性的影響很小，一般需要在催化劑配方上加以微調(diào)，適當控制酸催化中心的數(shù)量，以便實現(xiàn)不同的異構(gòu)化活性水平。若溫度、壓力保持不變，乙苯轉(zhuǎn)化率和關(guān)鍵物料損失也基本保持不變，迭代計算后獲得回路的穩(wěn)定工況。

由表7可見，若PX/X從23.30%提高到24.00%，催化劑用量只增加2.8%，PX產(chǎn)量和收率幾乎不變，吸附單元進料負荷只減少了2.1%，進料組成中，PX質(zhì)量分數(shù)只提高了0.52百分點。對比乙苯轉(zhuǎn)化型工藝的情況可見，乙苯脫烷基型工藝中，二甲苯異構(gòu)化指標對裝置的影響更小。

2.3 乙苯轉(zhuǎn)化的影響

進一步考察乙苯轉(zhuǎn)化能力對裝置回路的影響。溫度、壓力對兩種催化劑的乙苯轉(zhuǎn)化均有顯著影響，提高溫度和壓力，會提高乙苯轉(zhuǎn)化率，也會增加關(guān)鍵物料損失，回路迭代的結(jié)果如表8和表9所示。表8為不同乙苯轉(zhuǎn)化指標時，乙苯轉(zhuǎn)化型工藝條件下PX產(chǎn)量、收率、催化劑用量以及吸附單元進料的相應(yīng)情況；表9為乙苯脫烷基型工藝的情況。

表8 乙苯轉(zhuǎn)化指標對乙苯轉(zhuǎn)化型工藝裝置的影響

表9 乙苯轉(zhuǎn)化指標對乙苯脫烷基型工藝裝置的影響

在乙苯轉(zhuǎn)化型工藝中，提高乙苯轉(zhuǎn)化能力的主要操作方法是提升溫度和壓力，這會導(dǎo)致產(chǎn)物選擇性下降，C8A損失率相應(yīng)提高。由表8可見：乙苯轉(zhuǎn)化率由27.00%增至45.00%時，目標產(chǎn)物PX產(chǎn)量下降2.73%，PX收率下降2.74%，造成原料損耗；相對乙苯轉(zhuǎn)化更快的結(jié)果，可使催化劑用量減少8.9%，吸附單元進料負荷降低7.8%，盡管進料中的C8NA比例略有增加，但進料中的PX比例提高了1.01百分點，回路的運行效率更高，能耗降低。

在乙苯脫烷基型工藝中，提高乙苯脫烷基能力的主要操作方法也是提升溫度和壓力，因而同樣會導(dǎo)致產(chǎn)物選擇性下降，二甲苯損失率對應(yīng)提高；由于乙苯脫烷基型催化劑的Pt含量很低，對非芳烴的影響不大。由表9可見，當乙苯轉(zhuǎn)化率提高時，PX收率和產(chǎn)量以及催化劑用量略有降低，吸附進料負荷減少2.7%，進料組成幾乎不變。

2.4 產(chǎn)物選擇性的影響

乙苯脫烷基型催化劑的特點是，二甲苯異構(gòu)化活性比較穩(wěn)定，乙苯脫烷基活性受溫度和壓力的影響較大。除了調(diào)整操作參數(shù)外，對性能指標的調(diào)變主要依靠催化劑配方和制備工藝的微調(diào)。在乙苯脫烷基型工藝裝置設(shè)計階段，催化劑的產(chǎn)物選擇性對回路的影響是重要的選型招標考慮因素。因此，以歧化料為基準，考察產(chǎn)物選擇性對乙苯脫烷基工藝的影響，結(jié)果見表10。

由表10可見，在常規(guī)的選擇性波動范圍內(nèi)，若能控制好副反應(yīng)，可使二甲苯損失率從1.93%降至1.04%，則PX產(chǎn)量可增加2.8%，PX收率可提高2.66百分點，催化劑用量增加2.5%，吸附進料負荷增加2.50%，進料組成基本不變。

表10 產(chǎn)物選擇性指標對乙苯脫烷基型工藝裝置的影響

3 結(jié) 論

(1)二甲苯異構(gòu)化催化劑的性能指標對聯(lián)合裝置芳烴回路存在較復(fù)雜的影響規(guī)律。

(2)新鮮料組成結(jié)構(gòu)對裝置的收率、負荷等運行參數(shù)的影響最大，歧化料普遍優(yōu)于重整料，轉(zhuǎn)化型工藝適應(yīng)原料能力較強，乙苯脫烷基型工藝則應(yīng)首選歧化料。

(3)乙苯脫烷基型工藝的回路較穩(wěn)定，催化劑的二甲苯異構(gòu)化活性、乙苯脫烷基活性以及二甲苯損失三項性能指標對回路迭代結(jié)果的影響幅度均很小，在所考察的范圍內(nèi)，PX收率、催化劑用量以及吸附負荷所受的波動均低于3%。

(4)乙苯轉(zhuǎn)化型工藝受催化劑的乙苯轉(zhuǎn)化活性影響更大，在所考察的范圍內(nèi)，乙苯轉(zhuǎn)化能力對吸附負荷約有8%的影響，而二甲苯異構(gòu)化性能的影響幅度只有3%左右。