芳烃抽提装置芳烃分离模拟及设计优化.pdf

石油工程化 工 设 计 通 讯Petroleum EngineeringChemical Engineering Design Communications 33第49卷第7期2023年7月随着新能源汽车及新材料领域快速发展，减油增化成为炼油企业发展转型的迫切需求，石脑油催化重整是减油增化的一套重要工艺技术，其重整生成油中C6C7馏分油经过芳烃抽提装置抽提分离成抽余油供乙烯裂解装置的原料，BTX 经精馏分离生成苯、甲苯、二甲苯，是重要的一级基本有机原料。某新建项目40万 t/a 芳烃抽提装置采用中国石化石油化工科学研究院的环丁砜抽提蒸馏工艺（SED），主要由抽提蒸馏部分和 BTX 分离部分组成。对于 BTX 分离，产品质量要求高，分离过程能耗高，因此近年来涌现出了差压热耦合精馏及隔壁塔精馏（DMC）等节能技术。虽然具有节能优势的DMC 技术越来越受关注，但由于 DMC 比普通精馏塔额外增加2个自由变量1，塔设备设计难度加大、操作条件苛刻及控制复杂等缺点，因此，国内产品质量要求高精馏，DMC 技术尚未大规模运用。文章以实际项目中 BTX 分离为研究对象，借助 PROII 流程模拟软件对 BTX 常规双塔和双塔差压热耦合精馏进行模拟优化，结合工艺用能特点、联合装置余热温位及工厂公用工程3.5 MPa 蒸汽余量不足的限制条件下，采用常压双塔蒸馏，优化联合装置换热网络，实现供热介质的优化分配和综合利用，最大限度降低3.5 MPa蒸汽消耗。1 芳烃分离部分流程模拟1.1 输入条件及设计规定芳烃分离部分原料流量为33 960 kg/h，原料组成见表1。根据国家标准中石油苯-545及甲苯-I 产品指标要求：苯塔中苯产品中甲苯含量控制0.05%，塔底产品中苯含量控制0.02%，甲苯塔中甲苯产品中乙苯含量控制0.02%，塔底产品中甲苯含量控制0.2%。表1 混合芳烃组成组分w%苯26.03甲苯72.42乙苯0.846间二甲苯0.346邻二甲苯0.007对二甲苯0.256水0.09合计100.00苯塔进出物料主要为芳烃类，含有少量水，接近理想体系，因此苯塔及甲苯塔热力学方法采用 SRK物性方法，苯塔塔顶油水分离器涉及油水分离，热力学方法采用 SRKM 物性方法进行模拟计算。摘要：采用 PRO/流程模拟软件对某新建项目40万 t/a 芳烃抽提装置，混合芳烃中苯、甲苯、二甲苯（BTX）分离进行常规双塔精馏和双塔差压热耦合精馏进行稳态模拟，在产品质量规定要求下，分别对苯塔和甲苯塔进行设计优化，对比不同分离方案用能要求及能耗，旨在工厂公用工程条件限制下，选择最合适的分离工艺，提高低温热利用效率，达到最佳节能降耗的效果。关键词：BTX；稳态模拟；设计优化；节能降耗中图分类号：TE96文献标志码：A文章编号：10036490（2023）07003303Simulation and Design Optimization of Aromatic Separation in Aromatic Extraction UnitWen lin-jingAbstract:Using PRO/II process simulation software,the separation of benzene,toluene,and xylene(BTX)from mixed aromatics in a 400 000 ton/year aromatics extraction unit of a new project was simulated using conventional dualtowerdistillationanddualtowerdifferentialpressurethermalcouplingdistillationforsteady-statesimulation.Underthespecifiedproductqualityrequirements,thedesignoptimizationofbenzeneandtoluenetowerswascarriedout separately,and the energy consumption requirements and energy consumption of different separation schemes were compared.The aim was to limit the utility conditions of the factory,Choose the most suitable separation process toimprovelow-temperatureheatutilizationefficiencyandachievethebestenergy-savingandconsumptionreducingeffect.Keywords:BTX;steady state simulation;design optimization;energy saving芳烃抽提装置芳烃分离模拟及设计优化温林景（长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南岳阳 414000）收稿日期：20230512作者简介：温林景（1988），男，广东普宁人，工程师，主要从事石油化工工艺设计工作。石油工程化 工 设 计 通 讯Petroleum EngineeringChemical Engineering Design Communications34 第49卷第7期2023年7月1.2 常规双塔和双塔差压热耦合精馏模拟优化以能量为分离剂的精馏塔是耗能大户，对其进行优化也有显著的节能效果；最简单的方案是优化回流比/回流量2。利用 PRO/流程模拟软件中严格法精馏模块，模拟研究常规双塔和双塔差压热耦合精馏分离 BTX 的过程。优化操作条件是精馏塔器及工艺流程设计的最基本前提，在设计规定前提下，采用灵敏度分析和参数优化等方法，分别对理论板数、进料位置、苯产品抽出位置等条件进行优化。在塔压一定条件下，影响塔分离性能的主要参数就是塔的理论板数和回流比，回流比增大时，建设投资费用减少而能耗增加，因此选择回流比与理论板数存在最合适的关系，通过作理论板数与回流比乘积-理论板数（N X RR-N）关系曲线，可较明显地找出最低点对应的塔板数，即为合理的最佳理论板数3。模拟结果如下：苯塔塔板液相浓度分布见图1，苯塔与甲苯塔内最佳进料位置条件下，回流比随理论板数变化情况分别见图2、图3、图4。?图1 苯塔塔板液相浓度分布?图2 苯塔?图3 常规低压甲苯塔?图4 双塔差压热耦合甲苯塔从图1苯塔塔板苯浓度分布曲线得出，第3块理论板苯浓度最高，为苯产品最佳抽出位置。从图2、图3、图4N X RR-N 关系曲线可以看出，苯塔最佳理论板数为44层，常规低压甲苯塔最佳理论板数为40层，双塔差压热耦合甲苯塔最佳理论板数为46层，双塔差压热耦合甲苯塔的理论板数增加，是由于塔操作压力提高，轻重组分相对挥发度减小。优化后苯塔和甲苯塔的设计参数见表2，根据塔热负荷可知，差压热耦合精馏工艺，甲苯塔顶气作为苯塔重沸器热源后，重沸器负荷较常规双塔精馏工艺减少3 553 kW，但甲苯塔底温度更高，需要消耗更多高温热源。表2 设计参数项目单位设计参数苯塔常规低压甲苯塔差压热耦合甲苯塔理论塔板数块444044进料塔板数块202324侧线抽出板数块3-进料流量kg/h33 96025 08825 088塔顶回流量kg/h35 81727 13749 628塔顶温度95128173塔底温度137164207塔顶压力MPa（G）0.060.060.35塔底压力MPa（G）0.10.10.39塔顶冷凝冷却负荷kW4 5226 9947 128塔底再沸器负荷kW5 1005 9507 4972 用能分析及工艺技术选择2.1 全厂蒸汽系统现状新建项目所在工厂设有3.5 MPa 和1.0 MPa 蒸汽管网供工艺生产装置使用，由于工厂总加工流程中设有两套催化裂化装置和一套延迟焦化装置，3套装置富气压缩机均采用背压式汽轮机，导致全厂1.0 MPa蒸汽有富余，3.5 MPa 蒸汽受锅炉负荷影响，供新建项目余量有限。由于连续重整装置压缩机需要消耗大量3.5 MPa 蒸汽，装置抽提蒸馏部分需要2.2 MPa 饱和蒸汽作为热源，因此降低3.5 MPa 蒸汽消耗成为本项目重点设计工作。2.2 装置蒸汽用能及余热现状系统管网来的3.5 MPa 蒸汽经减温减压成2.2 MPa饱和蒸汽供抽提蒸馏部分重沸器用汽，联合装置共产生35.7 t/h 中压饱和凝结水，经闪蒸后蒸出1.0 MPa 饱和蒸汽，用于装置部分管线伴热，多余蒸汽不加以利用，只能并入1.0 MPa 蒸汽管网（280），由于饱和蒸汽温度低，造成1.0 MPa 蒸汽管网品质下降，影响工艺用汽温度，而且系统1.0 MPa 蒸汽有富余。重整装置分馏部分二甲苯塔塔顶二甲苯气给重整油分离塔重沸器作为热源后，过剩1.85 MW 热量，温位为221，若不加以利用，只能用于发生1.0 MPa（下转第38页）油气开采化 工 设 计 通 讯Oil and Gas ProductionChemical Engineering Design Communications38 第49卷第7期2023年7月气田除砂治理，具有很好的应用和推广价值。参考文献1 何保生,曹砚锋,曾祥林,等.海上稠油油田开发多枝导流适度出砂技术研究 J.中国海上油气,2013,25(6):82-87.2 张明,李凡,刘光泽,等.自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究与应用 J.中国海上油气,2016,28(3):111-114.3 曾祥林,孙福街,王星,等.渤海稠油油藏简易防砂条件下出砂规律模拟实验研究 J.中国海上油气,2004,16(6):395-400.4 汪伟英,张公社,何海峰,等.毛管力与含水饱和度对岩石出砂的影响 J.中国海上油气,2003,15(3):47-49.5 孙峰,葛洪魁,薛世峰,等.生产压差对疏松砂岩储层出砂影响规律研究 J.中国海上油气,2009,21(1):39-42.6 陈金庆,吕宏凌.Navier-Stokes 方程组证明及理论本质探究 J.化学教育(中英文),2021,42(8):34-38.7 陈丽荣,李琼,张芳,等.气井出砂原因及如何预防生产过程中的出砂现象 J.化工管理,2018(9):220.8 李洪波.气砂两相流在天然气开采过程中的理论及实验研究 D.成都:四川大学,2004.9 张昕,方传新,刘洋志,等.海上油气井出砂监测影响因素评价 J.化工管理,2022(14):61-63.10 田红,汪绪刚.出砂管理技术研究与应用新进展 J.西部探矿工程,2005,17(11):78-81.饱和蒸汽，造成管网1.0 MPa 蒸汽进一步过剩。因此降低芳烃抽提装置的中压蒸汽用量，提高低压闪蒸汽利用率，对于本项目芳烃抽提装置和整个厂区的蒸汽管网平稳运行具有重要意义。2.3 工艺优化及换热网络选择根据上述模拟优化后设计参数、蒸汽管网条件及装置余热现状，常规双塔精馏流程中苯塔选择1.0 MPa饱和蒸汽作为重沸器热源，其蒸汽消耗量为9.15 t/h（其中3.2 t/h 为联合装置闪蒸气）。甲苯塔选择二甲苯塔顶气作为重沸器热源，不足负荷用3.5 MPa 蒸汽作为补充，蒸汽消耗量为6.82 t/h，塔顶甲苯气用于与低温热水换热，供装置伴热用水。差压热耦合精馏流程苯塔采用甲苯塔顶气作为热源，由于甲苯塔底温度为207，甲苯塔顶只能用3.5 MPa 蒸汽作为重沸器热源，蒸汽消耗量为12.5 t/h。因此，本项目 BTX 分离选择常规双塔精馏工艺，减少3.5 MPa 蒸汽消耗，并充分利用装置闪蒸1.0 MPa 饱和蒸汽和多余塔顶气热量，降低装置能耗。3 优化效果利用 PRO/模拟软件优化后的常压双塔精馏工艺参数，其能耗较技术方提供工艺条件有进一步降低，每小时降低91.39 kg 标油。能耗对比见表3。表3 常规双塔精馏优化前后能耗对比名称单位工艺优化前工艺优化后 备注苯塔 甲苯塔 苯塔 甲苯塔塔顶冷凝冷却负荷kW4 9777 1794 5226 994塔底再沸器负荷kW5 5566 1365 1005 9501.0 MPa 蒸汽消耗kg/h9 9679 1503.5 MPa 蒸汽消耗kg/h7 1406 820二甲苯气热源利用MW1.851.85空冷电消耗kW h114.36110.22能耗kg/h1 570.271 478.88注：能耗计算按GB/T504412016石油化工设计能耗计算标准。从全厂公用工程现状考虑，本项目采用常规双塔精馏工艺，优化工艺流程和换热网络，与差压热耦合精馏工艺相比，降低装置3.5 MPa 蒸汽消耗5.68 t/h，降低3.5 MPa 蒸汽负荷，避免锅炉超负荷运行带来安全隐患；中压凝结水闪蒸1.0 MPa 饱和蒸汽用于苯塔重沸器热源，具有明显节能效果；有效利用二甲苯气热源，避免1.0 MPa 蒸汽管网进一步过剩，有利蒸汽管网稳定运行。4 结论1）利用 PRO/流程模拟软件，采用灵敏度分析等方法，优化塔的设计参数，得到最佳工艺条件，达到节能降耗效果。2）对于 BTX 分离，虽差压热耦合精馏工艺较常规双塔精馏具有降耗的效果，但其对高品位蒸汽消耗量增加，装置产生低品位蒸汽无法利用。因此，BTX分离工艺流程设计，应根据全厂蒸汽管网负荷和装置供热条件统筹考虑，做到能源尽量逐级综合利用，既降低装置能耗又保证蒸汽管网平稳运行，避免装置低品位闪蒸汽无法外送的问题。3）装置中压凝结水闪蒸发生蒸汽后的低压凝结水温度仍然较高，需经空冷冷却后送至凝结水总管，造成低温热量的损失和电能消耗。此部分低温热应进一步利用。参考文献1 何西涛,干爱华,陈宁.分壁精馏塔分离苯/甲苯/二甲苯的模拟工艺研究 J.化学工业与工程,2012,29(2):51-57.2 赵勇,张迪,王鹏.芳烃抽提装置的节能优化 J.化工设计,2020,30(5):22-25.3 孙兰义,王志刚,谢崇亮,等 过程模拟实训-PRO/教程 M.北京:中国石化出版社,2017.（上接第34页）