付 博，裴 軍，陳玉石，陳韶輝

（1 天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津300072；2 中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院，江蘇南京210048；3 中國石化揚子石油化工有限公司芳烴廠，江蘇南京210048；4 石化盈科信息技術(shù)有限公司上海分公司，上海200120）

芳烴是石油化工工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料，其中苯（B）、甲苯 （T）、二甲苯 （X）是和乙烯、丙烯及丁二烯具有同等地位的一級基本有機原料。BTX芳烴是合成橡膠、樹脂、纖維、洗滌劑、增塑劑、炸藥、染料和農(nóng)藥等的重要原料。隨著石油化工及紡織工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，全球?qū)Ψ紵N的需求量不斷增長［1－2］。隨著石油煉化工業(yè)和芳烴生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今世界芳烴總產(chǎn)量的90%以上來自石油。石油生產(chǎn)芳烴的原料主要來源于催化重整裝置中的重整油和乙烯裝置副產(chǎn)的裂解汽油［3］。由于原料中芳烴和非芳烴之間沸點差很小且易形成共沸物，通常工業(yè)上采用芳烴抽提技術(shù)獲得高純度芳烴。芳烴抽提技術(shù)按工作原理可分為兩大類：液液抽提 （或稱液液萃取）和抽提蒸餾 （或稱萃取精餾），二者均為物理過程。液液抽提是利用原料中各烴類組分在某種溶劑中溶解度的不同，來實現(xiàn)分離芳烴和非芳烴的一種工藝過程；抽提蒸餾是在原料中加入極性溶劑，以改變原料中各組分的相對揮發(fā)度，通過精餾實現(xiàn)芳烴和非芳烴分離的一種工藝過程。一般來說，液液抽提工藝適用于餾分較寬、芳烴含量低的原料；抽提蒸餾工藝適用于餾分較窄、芳烴含量較高的原料。與液液抽提工藝相比，抽提蒸餾工藝具有流程簡單、能耗低的優(yōu)點，但其芳烴收率略低。隨著催化重整和蒸汽裂解反應(yīng)深度的不斷提高，重整油和裂解加氫汽油中芳烴的含量也不斷上升，因而在近年來的工業(yè)生產(chǎn)中抽提蒸餾技術(shù)的應(yīng)用多于液液抽提［4］。通常用于芳烴抽提技術(shù)的溶劑主要有：環(huán)丁砜、甘醇類 （三甘醇、四甘醇）、二甲基亞砜、N－甲基吡咯烷酮、N－甲酰基嗎啉及復(fù)合溶劑。其中，環(huán)丁砜是目前工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的溶劑，以其為溶劑的芳烴抽提技術(shù)主要有：美國UOP公司的Sulfolane液液抽提工藝、美國GTC公司的GT－BTX抽提蒸餾工藝、中國石化石油化工科學(xué)研究院的SED抽提蒸餾工藝和抽提蒸餾－液液抽提組合工藝［5－7］。其中，抽提蒸餾－液液抽提組合工藝具有兼顧能耗物耗低和芳烴回收率高的優(yōu)勢，比較適用于現(xiàn)有液液抽提裝置的大幅擴能改造［8－9］。前人采用流程模擬技術(shù)對環(huán)丁砜液液抽提裝置進行挖潛增效，進而為生產(chǎn)實際提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持［10－12］。本文則利用Aspen Plus流程模擬軟件，針對某石化抽提蒸餾－液液抽提組合工藝中的抽提蒸餾裝置，考察主要工藝參數(shù)對抽提蒸餾過程的影響，以充分挖掘現(xiàn)有工業(yè)裝置的生產(chǎn)能力。

1 抽提蒸餾過程建模

1.1 工藝流程

抽提蒸餾裝置工藝流程如圖1所示，該工藝用于從裂解加氫汽油C6C8餾分 （苯和甲苯質(zhì)量含量分別為47%和22%）中分離制取苯產(chǎn)品。C6C8餾分首先經(jīng)過苯餾分切割塔 （T1）得到苯餾分和苯后餾分。苯餾分送入抽提蒸餾塔 （T3），在溶劑環(huán)丁砜的作用下，通過萃取精餾實現(xiàn)苯與非芳烴的分離，塔頂直接得到苯產(chǎn)品；苯后餾分經(jīng)脫庚烷塔 （T2）得到甲苯餾分 （含少量苯）和混合二甲苯產(chǎn)品；來自抽提蒸餾塔塔底的富溶劑在溶劑回收塔 （T4）內(nèi)進行減壓蒸餾，分離得到苯產(chǎn)品與貧溶劑。將貧溶劑分成兩路，一路直接送至抽提蒸餾塔上部，另一路去溶劑再生罐。抽提蒸餾裝置的抽余油 （非芳烴）和脫庚烷塔的甲苯餾分合并作為液液抽提單元的進料，得到芳烴產(chǎn)品和抽余油。

1.2 模型簡介

圖1 抽提蒸餾裝置工藝流程示意圖

苯餾分切割塔T1、脫庚烷塔T2、抽提蒸餾塔T3和溶劑回收塔T4均采用基于平衡級的Rad Frac嚴格計算模型。由于進料中主要以苯、環(huán)己烷等非極性物質(zhì)為主，而抽提溶劑是強極性物質(zhì)，故整個系統(tǒng)為一非理想性體系，因而本文選用NRTL活度系數(shù)模型估算汽液相平衡數(shù)據(jù)，其中缺失的NRTL二元交互參數(shù)采用基團貢獻法UNIFAC方程進行回歸。以企業(yè)提供的實際數(shù)據(jù)為依據(jù)進行建模，這些數(shù)據(jù)包括進料溫度、壓力、流量及各塔操作參數(shù)等，模型建成后以實際運行數(shù)據(jù)對模型進行驗證。

1.3 模型驗證

按照以上模型，對芳烴抽提蒸餾裝置進行全流程模擬，主要工藝參數(shù)的模擬值與實際值對比見表1。由表1可知，主要工藝參數(shù)計算結(jié)果與工業(yè)實際數(shù)據(jù)基本一致。因此采用UNIFAC模型擬合得到的NRTL二元交互作用參數(shù)可以較好地應(yīng)用于芳烴抽提蒸餾工藝流程模擬中，所建立的模型可以用于下一步的流程分析與優(yōu)化。需要說明的是，實際生產(chǎn)中為了兼顧液液抽提單元的原料組成及處理量，抽提蒸餾塔T3回流比通常為0，此時抽余油中苯含量（質(zhì)量分數(shù)）為41.0%，其與脫庚烷塔的甲苯餾分合并作為液液抽提單元的進料。

表1 芳烴抽提蒸餾裝置主要工藝參數(shù)模擬值與實際值對比

2 過程分析與參數(shù)優(yōu)化

在芳烴抽提蒸餾裝置中，抽提蒸餾塔T3和溶劑回收塔T4為核心裝置，其操作狀況直接影響裝置能耗、苯產(chǎn)品純度和收率等關(guān)鍵指標。因此，本節(jié)通過靈敏度分析對T3和T4進行優(yōu)化研究。

2.1 抽提蒸餾塔T3優(yōu)化分析

2.1.1 溶劑比對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響

溶劑比對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖2。由圖2可知，隨著溶劑比的增加抽余油中苯含量逐漸降低，而苯產(chǎn)品純度逐漸增加。當溶劑比等于3.5左右時為當前操作拐點：溶劑比大于3.5時，其對抽余油中苯含量影響不大，且苯產(chǎn)品純度符合要求；溶劑比小于3.5時，抽余油中苯含量會隨溶劑比的減小而增大，且苯產(chǎn)品純度不符合要求。因此，實際操作中考慮到能耗和苯產(chǎn)品收率，溶劑比最好控制在3.5左右。

圖2 溶劑比S F對抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)X B，C和苯產(chǎn)品純度X B的影響

2.1.2 溶劑溫度對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響

溶劑溫度對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖3。由圖3可知，隨著溶劑溫度的提高，抽余油中苯含量增加，而苯產(chǎn)品純度降低；溶劑溫度在130℃左右時出現(xiàn)拐點，溫度高于130℃時抽余油中苯含量會快速上升，苯產(chǎn)品純度會快速下降。因此，實際操作中需要控制溶劑溫度小于130℃。

2.1.3 溶劑中苯含量對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響

溶劑中苯含量對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖4。由圖4可知，隨著溶劑中苯含量的增加，抽余油中苯含量亦增加，而苯產(chǎn)品的純度降低；當溶劑中苯質(zhì)量分數(shù)小于1.55%時，苯產(chǎn)品質(zhì)量合格（99.9%）。因此，T4塔底溶劑中苯質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于1.55%。

圖3 溶劑溫度T S對抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)X B，C和苯產(chǎn)品純度X B的影響

圖4 溶劑中苯質(zhì)量含量X B，S對抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)X B，C和苯產(chǎn)品純度X B的影響

2.1.4 進料中苯含量對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響

進料中苯含量對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖5。由圖5可知，隨進料中苯含量的增加，苯產(chǎn)品純度迅速增加，當進料苯質(zhì)量分數(shù)到達拐點77%左右時，苯產(chǎn)品純度合格；而抽余油中苯含量隨著進料苯含量的增加而增加，故為了保證苯產(chǎn)品收率，進料中苯質(zhì)量分數(shù)應(yīng)控制在77%左右。

2.1.5 進料溫度對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響

進料溫度對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖6。由圖6可知，進料溫度大于135℃時，苯產(chǎn)品純度開始急劇下降，非芳中苯含量急劇增加；而當進料溫度小于135℃時，進料溫度對苯產(chǎn)品純度及非芳中苯含量基本無影響。實際操作中進料溫度為110℃，因而可適當增加進料溫度，以節(jié)約蒸汽消耗，但要注意進料需維持液相狀態(tài)，否則將很難對操作進行控制。

圖5 進料中苯質(zhì)量含量X B，F(xiàn)對抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)X B，C和苯產(chǎn)品純度X B的影響

圖6 進料溫度T F對抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)X B，C和苯產(chǎn)品純度X B的影響

2.2 溶劑回收塔T4優(yōu)化分析

圖7 回流比R對貧溶劑中苯質(zhì)量分數(shù)X B，S和苯產(chǎn)品純度X B的影響

回流比對貧溶劑中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響見圖7。由圖7可知，回流比的拐點為0.4，當回流比大于0.4時，貧溶劑中苯含量和苯產(chǎn)品純度基本不變；當回流比小于0.4時，貧溶劑中苯含量會隨回流比的減小迅速增加，苯產(chǎn)品純度會隨回流的減小迅速降低?？紤]再沸器熱負荷會隨回流比的增大而增大，因此實際操作中應(yīng)在保證苯產(chǎn)品純度和收率的情況下盡量靠近拐點操作，實際生產(chǎn)中回流比為1.6，可降至0.4操作，以節(jié)約蒸汽消耗。

3 結(jié) 論

（1）利用Aspen Plus流程模擬軟件建立了抽提蒸餾裝置的模型，該模型能夠較好地描述裝置實際運行工況。

（2）考察了抽提蒸餾塔的溶劑比、溶劑溫度、溶劑中苯含量、進料中苯含量和進料溫度對抽余油中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響，得到最佳操作條件為：溶劑比為3.5，溶劑溫度小于130℃，溶劑中苯含量（質(zhì)量分數(shù)）小于1.55%，進料中苯含量為77%，進料溫度為135℃。

（3）考察了溶劑回收塔的回流比對貧溶劑中苯含量和苯產(chǎn)品純度的影響，找到了回流比最優(yōu)操作點。當前回流比為1.6，可降至0.4操作，以節(jié)約蒸汽消耗。

符 號 說 明

R——回流比

SF——溶劑抽提劑與原料的質(zhì)量比

TF——進料溫度，K

TS——溶劑溫度，K

XB——苯產(chǎn)品純度 （質(zhì)量分數(shù)），

XB，C——抽余油中苯質(zhì)量分數(shù)，

XB，F(xiàn)——進料中苯質(zhì)量分數(shù)，

XB，S——溶劑中苯質(zhì)分數(shù)量，

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