PX芳烴聯合裝置的計算機模擬

王 健，吳 濤，余 洪，付文景

（中國石油工程建設公司大連設計分公司， 遼寧 大連 116085）

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PX芳烴聯合裝置的計算機模擬

王 健，吳 濤，余 洪，付文景

（中國石油工程建設公司大連設計分公司， 遼寧 大連 116085）

簡單介紹了我國PX工業生產和市場前景，同時介紹了商用軟件在計算PX芳烴裝置過程中熱力學模型選取方法。運用PROII模擬軟件對PX芳烴裝置的主要設備進行模擬，并與國際先進的70萬t/a PX工藝包進行比對，模擬結果與設計值基本吻合，從而可以建立一套PX裝置的流程模擬模型，為同類裝置的設計提供物料、能量平衡計算的標準。

PX；模擬；模型

PX，對二甲苯（p-xylene）的縮寫，用于生產對苯二甲酸（PTA），進而生產對苯二甲酸乙二醇酯、丁二醇酯等聚酯樹脂。聚酯樹脂是生產滌綸纖維、聚酯薄片、聚酯中空容器的原料。

PX主要來自于重整生成油，近年來通過輕質烴類芳構化、重芳烴輕質化和異構化來生產PX芳烴的技術得到較快發展，并有多套裝置建成投產。PX生產主要包括石腦油重整、芳烴抽提、芳烴歧化、異構化、吸附分離和精餾分離等。

近幾年國內PTA產業鏈的大規模發展，形成了對其原料PX的巨大需求。而PX芳烴聯合裝置由于其投資大、回收周期長、原料石腦油采購困難等因素，產能增速明顯滯后，因此在今后一定時期內國內PX短缺的局面仍將持續［1］。

1　PX芳烴聯和裝置的計算機模擬

1.1工藝原理

本文依托的某煉廠70萬t/a PX芳烴聯合裝置以外購石腦油為原料，主要生產對二甲苯、鄰二甲苯和苯等芳烴產品。芳烴聯合裝置包括預加氫、連續重整、芳烴抽提蒸餾、苯-甲苯分離及歧化、吸附分離、二甲苯異構化、二甲苯分餾及配套等部分。

1）預處理采用法國 AXENS公司的工藝，通過石腦油加氫及汽提脫除其中的硫、氮、砷、鉛、銅、烯烴和水等雜質，為重整裝置提供合格的精制石腦油。

2）連續重整采用法國 AXENS公司的超低壓連續重整工藝，通過石腦油中環烷烴的脫氫和烷烴的環化脫氫等反應生成芳烴，并副產含氫氣體。

3）抽提蒸餾采用石油化工科學研究院環丁砜抽提蒸餾工藝，把重整產物C6～C7餾分中的芳烴和非芳烴分開，非芳烴抽余油作為產品外賣，混合芳烴去歧化裝置的苯-甲苯分餾部分進行苯、甲苯分離。

4）歧化裝置采用Exxon Mobil的Trans Plus工藝，通過歧化及烷基轉移的方法，將甲苯、C9芳烴及C10芳烴轉換成苯和C8芳烴。

5）吸附分離采用法國 AXENS公司的 Eluxyl模擬移動床工藝，把對二甲苯從C8芳烴中分離出來。

6）異構化采用 Exxon Mobil的 Xymax Isomerization工藝，把 C8芳烴中的鄰、間二甲苯轉化為同分異構體的對二甲苯，乙基苯則脫除烷基轉化為苯。石腦油原料中 PX的濃度很小，經異構化反應后，各種同分異構體的 C8芳烴達到新的平衡。

7）二甲苯分餾裝置采用精密分餾工藝，將重整生成油分為 C6～C7餾分和 C8+芳烴， C6～C7 餾分作為芳烴抽提原料，C8+芳烴經二甲苯再蒸餾塔、二甲苯塔及鄰二甲苯塔分離出鄰二甲苯產品、C8芳烴和C9+重芳烴，C8芳烴送至吸附分離裝置，C9+芳烴送至歧化裝置。

1.2工藝流程圖（圖1）

圖1　PX芳烴聯合裝置總加工流程Fig.1 Total process flow diagram of PX aromatics combined unit

1.3操作參數

吸附分離、二甲苯異構化、二甲苯分餾是生產PX的核心裝置，因此本文主要針對核心裝置中的主要設備進行了模擬計算，并與工藝包設計數據進行了比對。核心裝置的工藝操作數據部分列于表1。

表1　主要工藝操作數據Table 1 Main process operation data

2　單塔模擬

2.1化工流程模擬技術

1）模擬軟件

PRO/II是一個通用性的化工穩態流程模擬軟件，最早起源于1967年SimSci公司開發的世界上第一個蒸餾模擬器SP05，1973年SimSci推出基于流程圖模擬器，1979年又推出基于PC機的流程模擬軟件Process（即PRO/II的前身）。

PRO/II可廣泛應用于各種化工過程中嚴格的質量和能量平衡計算，從油氣分離到反應精餾，PRO/II提供了全面、有效、易于使用的解決方案。PRO/II擁有完善的物性數據庫、強大的熱力學物性計算系統，以及多種單元操作模塊。

PRO/II可廣泛應用于工廠設計、工藝方案比較、老裝置改造、裝置標定、開車指導、可行性研究、脫瓶頸分析、工程技術人員和操作人員的培訓等領域。PRO/II的推廣使用，可達到優化生產裝置、降低生產成本和操作費用、節能降耗等目的，能產生巨大的經濟效益。

2）模擬技術

化工過程流程模擬是借助計算機求解描述化工生產過程，得到有關化工過程性能的信息［2］。概況的說，要進行化工過程的流程模擬，從計算策略的角度需要解決兩個基本問題［3］：一個是流程的分割；另一個是包含循環物流的子系統的迭代。二者相比，迭代將是一個更困難的任務。

國外一些大公司推出的化工模擬軟件，從不同層次上提供了具有自動或半自動對流程實施分割和切斷的功能，有的能自動提供切斷值的初值。對不復雜的系統，還可以由手工去尋找最優的分解和切斷流，或借助于計算機程序來尋找［4］。化工流程穩態模擬實質上是一個大型非線形代數方程組的求解問題。從數學模型的表達及解算方法而言，已發展了兩類模型化方法［5］：序貫模塊法和聯立方程法。

2.2二甲苯分餾裝置

重整油塔主要作用是將精制石腦油輕重組分切割，C7及以下組分送至儲罐，C8及以上組分在二甲苯分餾裝置進行進一步分餾。

自重整裝置來的C6+進料，經換熱后進入重整油塔，塔頂氣經冷凝冷卻后進入重整油塔回流罐，罐中C6～C7餾份一部分回流，另一部分經冷卻后送至儲罐。

重整油塔底物C8+餾分經升壓后換熱后去白土處理器，經白土處理脫除烯烴后，C8+餾分經換熱后進入二甲苯再蒸餾塔下部。

重整油塔控制指標：塔頂C8及以上組分＜1.5% （mol）。

模擬結果分析如表2所示。

表2　重整油塔主要組分模擬結果對比分析Table 2 Comparison and analysis of simulation results of main components of reforming oil column

通過上表的模擬結果和工藝包數據對比分析看，關鍵組分存在的誤差均在合理范圍內，且塔頂C8及以上組分的含量也滿足重整油塔的控制指標［6］。因此，該塔模擬很好的吻合了工藝包數據。

表3　重整油塔熱力學模型選取結果對比分析Table 3 Comparison and analysis of thermodynamic model selection results for reforming oil column

在計算過程中，采用兩個標準進行評判模型的選取是否合適：第一條標準是軟件在運行過程中需要進行迭代計算，當相鄰兩次計算得到的物料流量和溫度相對誤差小于模擬軟件的規定值，即物料平衡［7］；第二條標準是將計算結果與工藝數據包對比，優先選擇偏差較小的模型。

通過表3的對比結果分析看，SRK和PK熱力學方程均能很好的滿足計算要求，但從誤差結果分析來看，SRK方程的誤差更小；而且根據常規的模擬計算，優先選擇 SRK方程，因此，重整油塔模擬的熱力學模型采用SRK方程。

2.3吸附分離裝置

1）成品塔

成品塔主要作用是將進料中的對二甲苯和甲苯進行輕重組分切割，塔頂生產的甲苯送至歧化裝置，塔底的對二甲苯產品送至儲罐。

成品塔控制指標：塔頂產品中PX含量＜1.0% （mol）；塔底PX含量99.65%～99.75%（mol）。

模擬結果分析如下表所示。

表4　成品塔主要組分模擬結果對比分析Table 4 Comparison and analysis of simulation results of main components of xylene end-product column

通過上表的模擬結果和工藝包數據對比分析，由于部分組分含量較小，因此模擬值與工藝包值相對誤差較大，而關鍵的組分存在的誤差均在合理范圍內。因此，該塔模擬可以認為很好的吻合了工藝包數據。

針對該塔，SRK和PK熱力學方程均能很好的滿足計算要求，但從誤差結果分析來看，SRK方程和PR方程的誤差相當，因此，成品塔的模擬采用SRK方程或PR方程均可，但根據常規的成品塔模擬計算，一般選擇SRK方程。

2）抽余液塔

抽余液塔主要作用是將 C8芳烴和解吸劑分離。

抽余液經換熱后進入該塔，塔頂氣經冷凝冷卻后進入回流罐，回流罐液體全回流至塔頂。抽余液塔底物即解吸劑換熱后返回吸附塔。抽余液從塔側線抽出，然后送至二甲苯異構化部分。

抽余液塔控制指標：塔底產品中PX組分含量＜50×10-6。

模擬結果分析如表5所示。

表5　抽余液塔主要組分模擬結果對比分析Table 5 Comparison and analysis of simulation results of main components of raffinate column

通過表5的模擬結果和工藝包數據對比分析，關鍵的組分存在的誤差均在合理范圍內。因此，該塔模擬很好的吻合了工藝包數據。

表6　抽余液塔熱力學模型選取結果對比分析Table 6 Comparison and analysis of thermodynamic model selection results for raffinate column

表6中的SRK和PK熱力學方程均能很好的滿足計算要求，但從誤差結果分析來看，采用PR方程模擬的塔底物流中關鍵組分誤差較大，因此，抽余液塔的模擬采用SRK方程。

3　結 論

本文利用流程模擬軟件PROII對PX裝置中的核心裝置：吸附分離裝置、二甲苯異構化裝置和二甲苯分餾裝置進行了主要設備的流程模擬。上述三套裝置主要處理的是氣相和液相的烴類物系，該物系通常呈現出近似理想狀態，一般的熱力學方法可以滿足要求，但通過對比計算分析選出最優的方法，因此本次模擬熱力學方程除了解吸劑再蒸餾塔為氣、液、液三相而選擇了NRTL方程外，其余均選擇了 SRK方程。通過模擬數據與工藝包數據的對比，誤差在允許的范圍內，熱力學方程的選取滿足實際的要求。

因此，可以認為：在誤差允許范圍內，模擬文件可以為同類裝置的設計提供物料、能量平衡工藝計算的標準；使PX裝置的工藝設計更加準確、快速，提高裝置工藝設計效率；同時也能夠指導實際裝置的生產。

［1］ 錢伯章.我國PX近期生產能力［J］. 聚酯工業，2014，27：4.

［2］ 王靜康.化工設計［M］. 北京：化學工業出版社，1995-06：276-290.

［3］ 張志檁，葉立軍，莊芹仙.流程模擬中分解與切斷的計算機處理方法探討［J］. 化學工程，1995，23（6）：59-61.

［4］ 楊友麒.過程流程模擬［J］. 計算機與應用化學，1995，12（1）：1-6.

［5］ 羅銘芳.乙醇胺裝置流程模擬與開發研究［D］. 天津：天津大學，2004.

［6］ 曾世虎，張鵬，等.重整油芳烴組分快速分析方法建立［J］. 當代化工，2014，43（8）：1672-1673.

［7］ 郭天民.多元氣-液平衡和精餾［M］. 北京：石油工業出版社，2002.

Computer Simulation of PX Aromatics Combination Unit

WANG Jian，WU Tao，YU Hong，FU Wen-jing
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. Dalian Design Branch Company, Liaoning Dalian 116000，China）

Industrial production and market prospect of PX in China were introduced, and the selection method of the thermodynamic model for calculation of PX aromatics unit was discussed. In this paper, the PROII process simulation software was used to simulate PX aromatics main equipments,and compared with international advanced 700 kt/a PX process packages. The simulation results are basically consistent with the design values, which can be used to establish a process simulation model for PX unit.

PX; simulation; thermodynamic model

王健（1981-），男，遼寧省大連市人，工程師，碩士研究生，2007年畢業于天津大學化工學院化學工程專業，研究方向：流程模擬及優化，從事煉油裝置工程設計工作。E-mail：wangjian-dl@cpecc.com.cn。

TQ 018

A

1671-0460（2016）05-1012-04

2016-03-31