應(yīng)用流程模擬預(yù)測原料變化對間二甲苯生產(chǎn)的影響

宋 杰，易芬遠

(1.寧波中金石化有限公司，浙江 寧波 315200；2.廣西三晶化工科技有限公司，廣西 崇左 543200)

間二甲苯(MX)是C8芳烴中數(shù)量最多的組分，約占45%~50%，主要用途是通過異構(gòu)化反應(yīng)增產(chǎn)對二甲苯和鄰二甲苯，作為聚酯和苯酐的原料[1]。20世紀70年代以后，間二甲苯的直接化工利用得到發(fā)展，如間二甲苯直接氧化生產(chǎn)的間二甲酸(IPA)，是改性聚酯和新型不飽和樹脂的基本原料，間二甲苯經(jīng)氨氧化制得的間苯二腈(MPDN)，是合成特種樹脂、高級低毒農(nóng)藥、燃料和增塑劑的重要中間體[2]。

流程模擬技術(shù)以工藝過程的機理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學方法來描述化工過程，運用計算機輔助計算手段，進行過程的物料衡算、熱量衡算、能量分析等，已經(jīng)成為裝置設(shè)計、改造、新工藝流程的開發(fā)研究、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)和科學管理必不可少的工具[3]。Aspen Plus軟件是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、靈敏度分析、優(yōu)化和經(jīng)濟評價的大型化工流程模擬軟件，具有完備的物性系統(tǒng)和完整的單元操作模型庫，廣泛用于各單元操作及全工藝流程的模擬與優(yōu)化[4]。本文采用流程模擬軟件Aspen Plus，對某間二甲苯工藝生產(chǎn)線進行流程模擬，預(yù)測原料的變化給生產(chǎn)帶來的影響與機遇。

1 工藝流程簡介

某公司的間二甲苯工藝生產(chǎn)線采用模擬移動床技術(shù)進行分離[5]。生產(chǎn)線原料經(jīng)脫環(huán)烷塔脫除低沸點的環(huán)烷烴，塔底為C8芳烴，送至吸附模擬移動床系統(tǒng)，分離出抽余液和抽出液。抽余液進入抽余液塔，分離出甲苯和貧MX的抽余液。抽出液進入抽出液塔，分離出甲苯和MX產(chǎn)品。兩塔分離出的甲苯作為解吸劑，送至吸附模擬移動床系統(tǒng)循環(huán)利用。間二甲苯生產(chǎn)線的原料組成見表1。

表1 間二甲苯生產(chǎn)線的原料組成

2 模型的建立與驗證

在間二甲苯的生產(chǎn)工藝中，涉及的原料主要有甲苯、乙苯、對二甲苯、鄰二甲苯和間二甲苯，均屬于非極性物質(zhì)，因此采用RK-SOAVE方程[6]對狀態(tài)函數(shù)求解，其中二元交互參數(shù)采用Aspen Plus內(nèi)置數(shù)據(jù)。利用Aspen Plus軟件模擬分離精餾塔，采用RadFrac和SMB塊，建立了脫環(huán)烷塔、抽余液塔、抽出液塔、吸附模擬移動床系統(tǒng)的流程模擬模型。

2.1 脫環(huán)烷塔

圖1為脫環(huán)烷塔(C-3501)的模擬流程圖。原料進入脫環(huán)烷塔中部，塔頂?shù)臍庀嘟?jīng)空冷冷凝成液相后用泵加壓，送回上游異構(gòu)化單元加以利用。塔底液用泵加壓后，送至吸附模擬移動床系統(tǒng)進行分離。依據(jù)塔底液中的非芳烴含量在0.5%以下的分離要求進行模擬計算，得到脫環(huán)烷塔的模擬計算結(jié)果如表2所示。

圖1 脫環(huán)烷塔(C-3501)模擬流程圖

表2 脫環(huán)烷塔的模擬計算結(jié)果 /%

2.2 抽余液塔

圖2為抽余液塔(C-3503)的模擬流程圖。從吸附模擬移動床系統(tǒng)抽出的抽余液進入抽余液塔中部，塔頂氣相為熱聯(lián)合系統(tǒng)，作為脫環(huán)烷塔和抽出液塔的再沸熱源。經(jīng)兩塔再沸器換熱后的液相，利用泵加壓將塔頂?shù)囊合嗉妆阶鳛榻馕鼊┭h(huán)利用。塔底液用泵加壓后，送回上游異構(gòu)化單位加以利用。依據(jù)塔頂液中C8芳烴含量在0.05%以下的分離要求進行模擬計算，得到抽余液塔的模擬計算結(jié)果如表3所示。

圖2 抽余液塔(C-3503)模擬流程圖

表3 抽余液塔的模擬計算結(jié)果 /%

2.3 抽出液塔

圖3為抽出液塔(C-3504)的模擬流程圖。從吸附模擬移動床系統(tǒng)抽出的抽出液進入抽出液塔中部，塔頂氣相經(jīng)空冷冷凝后全回流操作。甲苯從塔的第5層塔盤側(cè)線采出，經(jīng)泵加壓后作為解吸劑循環(huán)利用。塔底液用泵加壓，經(jīng)空冷、水冷冷卻至40℃后，送間二甲苯產(chǎn)品儲罐。依據(jù)塔底液中間二甲苯含量不低于99.5%的質(zhì)量控制要求進行模擬計算，得到抽出液塔的模擬計算結(jié)果如表4所示。

表4 抽出液塔模擬計算結(jié)果 /%

圖3 抽出液塔(C-3504)模擬流程圖

2.4 吸附模擬移動床系統(tǒng)

借鑒對二甲苯模擬移動床的流程模擬方法[7]，選用SMB模型，在理論收率不低于95%的要求下，對間二甲苯模擬移動床系統(tǒng)進行建模，模擬結(jié)果為理論收率達到95.8%。

3 預(yù)測原料組分變化帶來的影響

由于原料供貨方計劃實施技術(shù)更新，預(yù)計原料組成會發(fā)生較大變化，因此研究原料變化對間二甲苯工藝生產(chǎn)線的影響十分必要。

表5 間二甲苯生產(chǎn)線原料的組成變化

3.1 對工藝生產(chǎn)的影響

技術(shù)更新后的原料中，非芳烴含量在0.5%以下，可以不經(jīng)脫環(huán)烷塔處理直接進入吸附模擬移動床系統(tǒng)進行分離。脫環(huán)烷塔可停用或?qū)ふ倚碌募庸し桨浮?/p>

進料中的鄰二甲苯含量升高了2.96%，經(jīng)模擬，間二甲苯的理論收率由95.8%降至94%。

3.2 增產(chǎn)鄰二甲苯的機遇

用脫環(huán)烷塔對原料變化后的抽余液塔底的物料進行分離，發(fā)現(xiàn)塔底物料（表6）符合《SH/T 1613.1-2018 石油鄰二甲苯》中優(yōu)級品的規(guī)格要求。塔的壓降、塔頂冷凝器負荷、回流流量和再沸器熱負荷的模擬數(shù)據(jù)見表7。相比脫環(huán)烷工藝方案，此加工方案中，塔的冷卻負荷、回流泵負荷、再沸器負荷等指標是降低的，表明脫環(huán)烷塔具備生產(chǎn)鄰二甲苯產(chǎn)品的能力，可通過增加一些流程，經(jīng)技術(shù)改造后生產(chǎn)鄰二甲苯產(chǎn)品。

表6 脫環(huán)烷塔塔底模擬組成

表7 脫環(huán)烷塔生產(chǎn)鄰二甲苯的模擬數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文采用流程模擬軟件Aspen Plus，對生產(chǎn)間二甲苯的工藝過程進行了建模和模擬，預(yù)測了生產(chǎn)線的原料組成發(fā)生較大變化帶來的影響，并通過流程模擬，確定脫環(huán)烷塔具備生產(chǎn)鄰二甲苯產(chǎn)品的能力，可以通過增加產(chǎn)品種類，減少因原料變化導(dǎo)致收率降低的不利影響。