隋春磊（福建古雷石化有限公司，福建 漳州363216）

作為大型通用流程模擬軟件，Aspen Plus 流程模擬軟件在煉油、石化、化工等領(lǐng)域均有著較為廣泛應(yīng)用。軟件由系統(tǒng)實現(xiàn)策略、單元操作模塊、物性數(shù)據(jù)庫三部分組成，具備繪制圖標(biāo)和表格、優(yōu)化流程、過程動態(tài)分析等功能。

1 熱力學(xué)模型的選擇

作為模擬計算的主要內(nèi)容，物性的合理選擇極為關(guān)鍵，模擬計算可靠性也直接受其影響，一般情況下可通過軟件幫助選項進行選取，也可以基于操作條件、物系特點、經(jīng)驗進行選取。考慮到苯乙烯生產(chǎn)線生產(chǎn)過程涉及的物系大多為混合物，且一般采用實驗方式測定相平衡性質(zhì)、傳遞性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)等混合物性質(zhì)，但為了降低財力與物力消耗，應(yīng)結(jié)合以往研究針對性選擇模型。苯乙烯裝置分離單元主要采用PENG-ROB 熱力學(xué)方法進行模擬，選用NRTL方法進行液液分相器的模擬。

2 苯乙烯裝置分離單元流程模擬

2.1 工程流程簡介

某公司苯乙烯裝置苯乙烯分離單元采用五塔精餾工藝，由苯乙烯回收塔、精苯乙烯塔、粗苯乙烯塔、苯/甲苯塔、預(yù)分離塔組成，負(fù)責(zé)乙苯脫氫液處理，苯乙烯產(chǎn)品可基于分離得到，同時可回收乙苯繼續(xù)脫氫制苯乙烯，工藝的副產(chǎn)物為苯和甲苯產(chǎn)品，圖1為某公司的苯乙烯分離單元工藝流程。

圖1 某公司的苯乙烯分離單元工藝流程

作為進一步加工脫氫液的環(huán)節(jié)，苯乙烯分離單元的預(yù)分離塔（規(guī)整填料精餾塔）會首先接收脫氫液，通過從塔頂分餾出輕烴、苯、甲苯等組分，并通過苯/甲苯塔處理分餾出的苯和甲苯，塔釜可獲得主要由苯乙烯和乙苯的混合物，經(jīng)粗苯乙烯塔后續(xù)加工；苯/甲苯塔主要負(fù)責(zé)苯與甲苯的分離，苯為塔頂副產(chǎn)品，甲苯為塔釜副產(chǎn)品；粗苯乙烯塔采用高真空低溫工藝，乙苯在塔頂餾出后會作為反應(yīng)器進料乙苯的一部分，并循環(huán)返回脫氫反應(yīng)系統(tǒng)，塔釜粗苯乙烯送入苯乙烯精餾系統(tǒng)；苯乙烯精餾系統(tǒng)（苯乙烯回收塔+精苯乙烯塔），苯乙烯回收塔底部會在生產(chǎn)過程中得到由高沸物和聚合物為主的焦油，其苯乙烯含量較低。

2.2 工藝流程模擬

在某公司苯乙烯分離單元精餾工藝處理過程中，涉及的原料主要組分為苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、焦油，共存在5個精餾塔，四次組分切割下游精餾塔的模擬會受到每一個塔操作參數(shù)改變的深遠(yuǎn)影響，而由于涉及循環(huán)物流，模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性很容易受到影響。因此，工藝流程模擬需首先分別進行精餾塔模擬。

2.2.1 預(yù)分離塔

圖2 為預(yù)分離塔模擬流程圖，進入預(yù)分離塔中部的物流40101為完成預(yù)處理的乙苯脫氫液物流，采用40℃冷凝器、14℃后冷器的工藝，塔頂氣相、未冷凝的氣相分別進入一級/二級冷凝器冷凝，尾氣真空泵負(fù)責(zé)處理冷凝尾氣（含有不凝性氣體），冷凝后的液相進入液液分相器，利用泵加壓將塔底液相送至粗苯乙烯塔。

圖2 預(yù)分離塔模擬流程圖

物流40101 的溫度、壓力、質(zhì)量流量分別為83℃、303kPa、43433kg/h，預(yù)分離塔操作參數(shù)包括塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、塔底壓力、規(guī)格填料，分別為51℃、97℃、20kPa、26kPa、28m。采用PENG-ROB熱力學(xué)方法負(fù)責(zé)預(yù)分離塔的計算，同時考慮真實系數(shù)，采用NRTL 熱力學(xué)方法進行液液分相器計算。在Aspen Plus流程模擬軟件的應(yīng)用中，采用RadFrac模塊用于預(yù)分離塔的模擬，選用Flash2模塊用于冷凝器模擬，采用分流器FSplit用于回流罐模擬，采用Decanter模塊用于塔頂油水分離罐模擬，由此開展液液分相計算。

基于100PPM以下的乙苯質(zhì)量含量（塔頂液相采出）、0.75%以下的甲苯質(zhì)量含量（塔釜液相采出）的預(yù)分離塔分離要求，開展針對性模擬計算，可得出表1所示的預(yù)分離塔模擬計算結(jié)果。

表1 預(yù)分離塔模擬計算結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

阻聚劑焦油水0 0 0.1 0.09 0.42 0 0 0 0.2 868PPM 0.42 0

2.2.2 苯甲苯塔

圖3 為苯/甲苯塔模擬流程圖，物流40103 在加熱加壓處理后轉(zhuǎn)化為物流40201，苯/甲苯塔操作參數(shù)包括塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、塔底壓力、規(guī)整填料，分別為132.5℃、169℃、400kPa、420kPa、16.6m。

圖3 苯/甲苯塔模擬流程圖

采用PENG-ROB 熱力學(xué)方法負(fù)責(zé)苯/甲苯塔的計算，需同時考慮其真實體系，采用Aspen Plus流程模擬軟件的RadFrac模塊用于苯/甲苯塔的模擬。基于0.1%以下的甲苯質(zhì)量含量（塔頂液相采出）、500PPM以下的苯質(zhì)量含量（塔釜液相采出）的苯/甲苯塔分離要求，即可開展模擬計算，表2 為苯/甲苯塔模擬計算結(jié)果。

表2 苯/甲苯塔模擬計算結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.2.3 粗苯乙烯塔

圖4 為粗苯乙烯塔模擬流程圖，物流40301 在經(jīng)加壓泵加壓后由預(yù)分離塔塔釜液采出后進入粗苯乙烯塔中部。粗苯乙烯塔的操作參數(shù)包括塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、塔底壓力、規(guī)整填料，分別為59℃、80℃、7kPa、12kPa、48m。

圖4 粗苯乙烯塔模擬流程圖

采用PENG-ROB熱力學(xué)方法負(fù)責(zé)粗苯乙烯塔的計算，同時考慮真實系數(shù)，在Aspen Plus流程模擬軟件的應(yīng)用中，采用Rad-Frce 進行粗苯乙烯塔的模擬?；?.9%以下的中苯乙烯質(zhì)量含量（塔頂液相采出）、650PPM以下的乙苯質(zhì)量含量（塔釜液相采出）的粗苯乙烯塔分離要求，即可得出表3所示的粗苯乙烯塔模擬計算結(jié)果。

表3 粗苯乙烯塔模擬計算結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

甲苯乙苯二甲苯苯乙烯丙苯AMS二乙烯三乙烯多乙苯殘油阻聚劑焦油1.73 97.40 114PPB 0.85 1PPB 3PPB 69PPB 1PPB 25PPB 15PPB 0 0 645PPB 33PPB 98.80 112PPB 252PPB 7PPB 94PPB 0.24 0.14 0.70 1.73 97.40 112PPB 0.86 0 0 0 0 0 0 0 0 645PPB 26PPB 98.80 113PPB 254PPB 7PPB 95PPB 0.24 0.15 0.70

2.2.4 精苯乙烯塔和苯乙烯回收塔

圖5 為精苯乙烯塔和苯乙烯回收塔模擬流程圖，采出的物流40401在經(jīng)加壓泵加壓后會由粗苯乙烯塔塔釜液相進入精苯乙烯塔中部，采出的物流40501 在經(jīng)加壓泵加壓后會由塔釜液相進入苯乙烯回收塔頂部。精苯乙烯塔的操作參數(shù)包括塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、塔底壓力、規(guī)整填料，分別為64℃、91℃、6kPa、9kPa、20m，苯乙烯回收塔的操作參數(shù)分別為80℃、126℃、6kPa、8kPa、6m。

圖5 精苯乙烯塔和苯乙烯回收塔模擬流程圖

在精制苯乙的過程中，苯乙烯回收塔和精苯乙烯塔均需要充分發(fā)揮自身作用，因此研究采用PENG-ROB熱力學(xué)方法負(fù)責(zé)兩個塔的計算，同時考慮真實系數(shù)，采用RadFrac模塊用于苯乙烯回收塔和精苯乙烯塔的模擬?；?9.8%以上的苯乙烯質(zhì)量含量（塔頂液相采出）、40%以下的苯乙烯質(zhì)量含量（塔釜液相采出）的精苯乙烯塔分離要求，以及5%以下的苯乙烯質(zhì)量含量（塔釜液相采出）苯乙烯回收塔分離要求，即可得出表4所示的精苯乙烯塔和苯乙烯回收塔模擬計算結(jié)果。

表4 精苯乙烯塔和苯乙烯回收塔模擬計算結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3 全流程模擬

基于上文建立的單個塔的模擬模型，適當(dāng)加入流體輸送模塊與換熱模塊，并將各個單塔采用物流線依次連接，且全流程模擬的熱力學(xué)方法采用PENG-ROB熱力學(xué)方法，并為每個模塊設(shè)置對應(yīng)的熱力學(xué)方法。對于循環(huán)物流，在合適的初值前需選擇撕裂物流，采用Broyden作為修改撕裂方法，并基于研究需要適當(dāng)增加收斂迭代次數(shù)，苯乙烯分離單元精餾工藝全流程模擬可由此順利實現(xiàn)，圖6為苯乙烯分離單元模擬流程，表5直觀展示了主要流股模擬計算結(jié)果。

圖6 苯乙烯分離單元模擬流程

表5 主要流股模擬計算結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

結(jié)合表5 可以發(fā)現(xiàn)，苯乙烯產(chǎn)品在分離后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.855，產(chǎn)品要求得到較好滿足，且各股物流組分組成的分離要求也得到較好滿足，對比實際值與單個塔模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各項組成吻合良好，這說明全流程模擬模型與實際生產(chǎn)相二者存在較高符合性，該分離單元的工藝流程和工藝參數(shù)優(yōu)化可基于該全流程模擬模型實現(xiàn)。

3 苯乙烯裝置分離單元工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 預(yù)分離塔工藝參數(shù)

在進料位置和塔板數(shù)確定的前提下，精餾塔分離會在很大程度上受到回流比的影響，返塔液相量與塔頂液相產(chǎn)品量的比值為常規(guī)精餾塔回流比，但本文研究的精餾塔回流比不包括塔頂分水包中的水，即回流罐返塔有機液相量與塔頂有機液相產(chǎn)品的比值。控制模擬條件，深入分析回流比對塔釜再沸器熱負(fù)荷和甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂氣相采出）的影響。可確定，回流比的增加會導(dǎo)致甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂氣相采出）呈現(xiàn)總體增加趨勢，這種增加效果字啊回流比較小時最為明顯，但甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會在回流比到達(dá)18.75 時基本停止。隨著回流比增加，塔釜再沸器熱負(fù)荷出現(xiàn)線性增加，因此選擇18.75的回流比，這一參數(shù)的選擇即可同時降低再沸器熱負(fù)荷，并保證甲苯質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3.2 苯/甲苯塔工藝參數(shù)

在確定塔板數(shù)后，塔內(nèi)提餾段和精餾段的相對大小直接受到精餾塔進料位置影響，為滿足輕組分和重組分的提純需要，進料位置的合理選擇極為關(guān)鍵。在控制其他模擬條件不變前提下，分析苯和甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂液相采出）受到的進料位置影響，可發(fā)現(xiàn)向下偏移的苯/甲苯塔進料位置會導(dǎo)致苯和甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂液相采出）出現(xiàn)先增加后減少的變化，苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第18塊理論板處達(dá)到最大，此時甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，因此選擇第18塊理論板，由此理想的苯和甲苯提純即可順利實現(xiàn)。

3.3 粗苯乙烯塔工藝參數(shù)

通過將苯乙烯從塔釜采出，將乙苯從塔頂餾出，粗苯乙烯塔即可較好服務(wù)于丙乙烯分離。在常壓狀態(tài)下，乙苯沸點與苯乙烯沸點分別為136℃、145℃，常壓下沸點相近的二者無法順利分離，因此需在負(fù)壓下操作。在整個苯乙烯分離單元中，粗苯乙烯塔的操作費用較高且耗能較大，因此乙苯和苯乙烯的精餾分離采用雙效精餾工藝，同時減少對苯乙烯的加熱次數(shù)，苯乙烯的自聚即可得到較好控制，因此最終選擇并流雙效精餾工藝，該工藝僅需加熱一次苯乙烯；在并流雙效精餾工藝的應(yīng)用中，精鎦塔溫度分布直接受到粗苯乙烯低壓塔與高壓塔的塔壓選擇，各塔塔頂和塔釜的溫度范圍也直接受其影響，合適的操作壓力選擇也極為關(guān)鍵。開展針對性分析，粗苯乙烯高壓塔的塔釜壓力、塔頂壓力分別選擇35kPa與30kPa，粗苯乙烯低壓塔則分別為12kPa與7kPa。同時還需要優(yōu)化理論板數(shù)，在同樣的分離指標(biāo)和分離任務(wù)下，回流比會隨著理論板數(shù)的增大而減小，回流比變化幅度會隨著理論板數(shù)的增加不斷減少。實際塔板數(shù)直接受到理論板數(shù)影響，并決定設(shè)備費用與塔的高度，綜合操作成本和設(shè)備費用成本，最終粗苯乙烯低壓塔與高壓塔的理論板數(shù)分別選擇110塊、120塊。

確定塔板數(shù)后，即可針對性優(yōu)化進料位置，保持其他模擬條件不變，分別進行高低塔進料位置改變與對比，由此可確定進料位置向下偏移使得苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂液相采出）先減少后增加，乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減少，第45塊理論板時粗苯乙烯低壓塔對應(yīng)的苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小而乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，第47塊理論板時，粗苯乙烯高壓塔對應(yīng)的苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小而乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，因此最終進料位置分別選擇第45塊理論板和第47塊理論板；為進一步優(yōu)化回流比，需確定其他模擬條件不變，由此進行分析可以發(fā)現(xiàn)，乙苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體（塔頂液相采出）隨著回流比增加而呈現(xiàn)先增加后保持基本不變的特性，且增加效果在回流比較小時明顯，粗苯乙烯高壓塔對應(yīng)的乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在回流比達(dá)到7.7 時停止增加，粗苯乙烯低壓塔對應(yīng)的乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在回流比達(dá)到6.65時停止增加，苯乙烯存在相反變化趨勢。最終選擇6.65 和7.68 分別作為粗苯乙烯低壓塔與高壓塔的回流比設(shè)置；進料配比優(yōu)化基于PENG-ROB方法，其他參數(shù)均選擇優(yōu)化后參數(shù)，通過模擬并流雙效精餾過程，并采用RECT 模型和PACKSTR1 模型（RadFrac 模塊）作為精餾塔模型，采用Mixer 作為混合器模型，采用FSplit 作為分流器模型，即可針對性開展模擬計算，最終可確定并流雙效精餾可滿足實際生產(chǎn)工況需要，進一步對比能耗，可發(fā)現(xiàn)并流雙效精餾的冷熱負(fù)荷分別為7279kW 與7036kW，單塔精餾則分別為13575kW與12992kW，并流雙效精餾在能效層面具備的優(yōu)勢可見一斑。

3.4 精苯乙烯塔工藝參數(shù)

確定塔板數(shù)后，需針對性選擇精餾塔進料位置，控制模擬條件開展對比，可發(fā)現(xiàn)進料位置向下偏移會導(dǎo)致苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)（塔頂液相采出）出現(xiàn)先增大后減小的變化，且苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第13 塊理論板處達(dá)到最大，因此選擇該處作為最佳進料位置。

3.5 優(yōu)化結(jié)果

基于優(yōu)化參數(shù)進行對比，可確定優(yōu)化后各塔再沸器與冷凝器荷均實現(xiàn)長足降低，整個苯乙烯分離單元的再沸器熱負(fù)荷與冷凝器冷負(fù)荷分別下降32.68%與33.27%。優(yōu)化后參數(shù)的苯乙烯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于優(yōu)化前提高0.01%，為99.86%，回收的乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、副產(chǎn)甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、副產(chǎn)苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為97.44%、99.95%、99.42%。

4 結(jié)語

綜上所述，苯乙烯裝置分離單元流程模擬與優(yōu)化具備較高現(xiàn)實意義。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的苯乙烯裝置分離單元工藝參數(shù)優(yōu)化分析等內(nèi)容，則直觀展示了優(yōu)化路徑。為更好提升苯乙烯裝置分離單元生產(chǎn)性能并降低能源消耗，更為先進的模擬計算方法引入和應(yīng)用必須得到重視。