鄰二甲苯精餾塔靈敏板的確定

楊 紀(jì)

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

精餾是石油與化學(xué)工業(yè)中最重要的高效分離技術(shù)之一，通常在具有一定塔板數(shù)量的板式精餾塔或具有一定填料層高的填料式精餾塔中進行；它是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同將各組分加以分離的過程，如乙苯、苯乙烯通過精餾分離可得到高純度的苯乙烯產(chǎn)品。由于精餾塔在運行中會受到各種因素的干擾，在精餾塔控制的常規(guī)設(shè)計中，一般用塔頂或塔底溫度來控制產(chǎn)品質(zhì)量。然而對于產(chǎn)品純度要求很高且原料各組分之間相對揮發(fā)度很小的高精密分餾來講，為保證塔的平穩(wěn)操作和獲得高純度、高質(zhì)量的合格產(chǎn)品，一般應(yīng)采用調(diào)節(jié)靈敏塔板的溫度來控制產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

芳烴聯(lián)合裝置鄰二甲苯精餾塔主要用來生產(chǎn)純度98%的鄰二甲苯產(chǎn)品，且塔進料中各組分性質(zhì)相似、沸點相近，適合采用靈敏板溫度來控制塔頂鄰二甲苯產(chǎn)品質(zhì)量。而鄰二甲苯精餾塔在設(shè)計時沒有明確靈敏板位置，在實際生產(chǎn)中增大了塔的操作難度和產(chǎn)品質(zhì)量控制的不穩(wěn)定性，迫切需要確定靈敏板位置。文章使用Aspen Plus模擬軟件對鄰二甲苯精餾塔進行穩(wěn)態(tài)模擬，并對影響靈敏板溫度的干擾因素如回流量、再沸器負(fù)荷等因素進行擾動仿真模擬，從而確定精餾塔靈敏板位置，為鄰二甲苯精餾塔的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

1 確定精餾塔靈敏板的方法

1.1 靈敏板的特點

在精餾塔運行過程中，推動精餾塔內(nèi)各組分之間傳質(zhì)和傳熱的動力是塔內(nèi)上部與下部的溫差，又稱溫度梯度。不同的溫度梯度反映精餾塔塔板上物料濃度的變化，又稱濃度梯度，然而溫度梯度和濃度梯度在塔內(nèi)的變化并不是均勻的，主要受到進出塔的物料組成、塔頂回流量、塔底再沸熱負(fù)荷等因素的影響，這對精餾塔的穩(wěn)定操作及塔頂/底餾出液組成起著決定性作用。正常運行的精餾塔在受到干擾時，塔內(nèi)各塔板的組成和溫度分布都會發(fā)生變化，其中溫度變化較顯著的塔板通常稱為靈敏板。靈敏板能及時反映精餾塔波動時的溫度變化，對擾動反應(yīng)敏感。因此監(jiān)控靈敏板的溫度可以快速發(fā)現(xiàn)塔的波動，通過調(diào)整操作來控制靈敏板溫度，可以確保精餾塔的平穩(wěn)運行和產(chǎn)品質(zhì)量合格。

1.2 用Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬確定塔的靈敏板

在求取靈敏板的過程中，一般用擾動仿真的方法來確定靈敏板的位置[2]。斜率判據(jù)、靈敏度判據(jù)、奇異值判據(jù)、恒定溫度判據(jù)和產(chǎn)品波動最小判據(jù)等5種判據(jù)方法可以用來確定靈敏板[3]，一般采用前兩種方法，尤其是靈敏度判據(jù)最為常見，它通過改變回流、進料組成和再沸器熱負(fù)荷等方法判斷各塔板溫差的變化，找到有較大溫度變化的塔板，從而確認(rèn)精餾塔的靈敏板。確定鄰二甲苯精餾塔靈敏板的步驟如下：首先通過Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬作出基本工況時的塔板溫度曲線，通過斜率判據(jù)，初步確定靈敏板位置；其后人為改變操作變量(如回流量、進料濃度、再沸熱負(fù)荷等)且變化值上下等量，模擬后作出塔板與基本工況下相比較的溫差曲線，在各種變量情況下溫度均有較大變化的那塊板可以確定為靈敏板。由于塔工況各組分性質(zhì)接近，模擬調(diào)控變量的變化幅度一般控制在基本工況的-10%～+10%[4]。

2 鄰二甲苯精餾塔靈敏板的確定

2.1 基本工況的穩(wěn)態(tài)模擬

芳烴裝置鄰二甲苯精餾塔按照設(shè)計共有68塊理論板，進料板為第34塊理論板，具有塔頂全凝器和塔釜Kettle再沸器，塔進料流量66.65 t/h，按生產(chǎn)純度98%以上的鄰二甲苯的要求，用Aspen Plus軟件的RadFrac模塊來進行模擬，用RK-Aspen狀態(tài)方程來求解。基本工況見表1所示。

表1 鄰二甲苯精餾塔的基本工況

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以作出鄰二甲苯精餾塔塔板的溫度曲線(如圖1)，溫度曲線的拐點在第27塊理論板處，通過斜率判據(jù)可近似認(rèn)為第27塊理論塔板為塔的靈敏板。

圖1 基本工況下鄰二甲苯精餾塔理論板溫度

2.2 回流量對鄰二甲苯精餾塔靈敏板位置的影響

在塔進料流量、組成與塔頂采出量不變的情況下，用回流量作為擾動變量進行穩(wěn)態(tài)模擬，使回流量在-10%～+10%之間變化，即回流量設(shè)置為126 t/h和154 t/h。塔板溫度與基本工況下的變化見圖2，在回流減少時精餾段溫度提高，在第27、28、29塊板溫度變化最大；而在回流增大后精餾塔精餾段溫度下降，其趨勢與回流減少相反，但溫度變化最大的是第29、30、31塊板。經(jīng)綜合考慮，第29塊板可以作為靈敏板，這與穩(wěn)態(tài)模擬相比相差2塊板。

圖2 鄰二甲苯精餾塔回流調(diào)整時理論塔板溫度變化

2.3 再沸器熱負(fù)荷對鄰二甲苯精餾塔靈敏板位置的影響

鄰二甲苯精餾塔在進料、塔頂采出不變的情況下，使再沸器熱負(fù)荷增減10%進行模擬，其結(jié)果如果圖3所示。精餾塔在進料、塔頂采出不變的情況下改變再沸器熱負(fù)荷，實際上相當(dāng)于改變精餾塔的回流。再沸熱負(fù)荷增加，塔內(nèi)氣相負(fù)荷增大，回流必須增大才能保證塔頂采出不變。從圖3中可以看出：溫度變化比較明顯的是第29、30、31塊板；降低熱負(fù)荷情況正好相反，塔內(nèi)負(fù)荷減小，回流量減少，溫度變化明顯的是第27、28、29塊板，因此可將第29塊作為靈敏板。由此可以證明，精餾塔熱負(fù)荷調(diào)整后各塔板溫度的變化與回流量調(diào)整后的溫度變化趨勢是一致的。

圖3 鄰二甲苯精餾塔再沸熱負(fù)荷調(diào)整時理論塔板溫度變化

2.4 進料組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對靈敏度的影響

由于精餾塔用來生產(chǎn)鄰二甲苯，進料中組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對塔的操作也有擾動?？紤]到在實際工況下進料組分變化較小，保持基本工況下的回流量與采出量不變的情況下調(diào)整進料組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將進料中鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增減1.0%進行模擬，考察各塔板上的溫差變化，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 鄰二甲苯精餾塔進料質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整時理論塔板溫度變化

從圖4可以看出：進料中鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低1.0%時，第28、29兩塊塔盤溫度變化較大，重組分整體上移，而第43板反映輕組分減少與重組分增加的變化最大；進料中鄰二甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1.0%時，第29、30兩塊塔板溫度變化最大，輕組分整體下移，第43板反映輕組分增加與重組分減少的變化最大。由于第43塊板反映了提餾段輕、重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，不適合用來控制塔頂鄰產(chǎn)品質(zhì)量，由此可以得出精餾段第29塊板最適宜作為靈敏板，與改變回流確定的靈敏板位置是一致的。

對于不同的分離體系，靈敏板所處的位置不盡相同，有的在精餾段，也有的在提餾段，還有的精餾段與提餾段都有，這主要取決于分離體系的氣液平衡性質(zhì)[5]。

2.5 鄰二甲苯精餾塔靈敏板溫度控制實踐

鄰二甲苯精餾塔實際塔共有98塊塔板，進料在第49塊板；在第31塊和第39塊塔盤上設(shè)有熱電偶，而在平時操作時大多數(shù)情況下是監(jiān)控第31塊板的溫度，通過Aspen Plus穩(wěn)態(tài)擬擾動流程模，確定鄰二甲苯精餾塔靈敏板是第29塊理論板，精餾塔按效率70%設(shè)計，冷凝器作為1塊理論板，第29塊理論板板相當(dāng)于在實際塔盤的第40塊板，操作時將相鄰的安裝了熱電偶的第39塊看作靈敏板，將第39塊塔板溫度與塔回流進行串級控制。通過一個多星期的試運行，發(fā)現(xiàn)鄰二甲苯精餾塔實際塔第39板比第31板的溫度波動大(見圖5)，表明塔的操作工況發(fā)生波動時第39塊塔板溫度變化更靈敏，且與模擬結(jié)果相果吻合。同時在第39塊板溫度與塔回流串接控制后塔運行穩(wěn)定，操作調(diào)整方便快捷，鄰二甲苯產(chǎn)品質(zhì)量得到有效控制，因此可以將第39塊實際塔板確定為塔的靈敏板，鄰二甲苯精餾塔的操作實踐證明Aspen Plus流程模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)是準(zhǔn)確可信的。

圖5 鄰二甲苯精餾塔靈敏板與回流串級控制時第31、39塊實際塔板溫度

3 結(jié)論

(1)通過改變回流量、塔進料組成和再沸器熱負(fù)荷進行Aspen Plus流程模擬，可以確定鄰二甲苯精餾塔的靈敏板是第29塊理論塔板。

(2)根據(jù)流程模擬確定的靈敏板與回流串接控制后，提高了塔的運行平穩(wěn)性和產(chǎn)品合格率，同時說明Aspen Plus模擬軟件指導(dǎo)生產(chǎn)是準(zhǔn)確可靠的。

(3)采用的靈敏板判據(jù)方法不同，靈敏板在精餾塔中所處的位置也有所不同，但模擬計算必須與實際精餾塔操作相結(jié)合，才能有效確定靈敏板位置。