朱振興, 王德華, 王少兵, 王璐璐, 毛俊義

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院， 北京 100083)

模擬移動床物料進(jìn)出管線優(yōu)化的CFD模擬

朱振興, 王德華, 王少兵, 王璐璐, 毛俊義

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院， 北京 100083)

摘要：模擬移動床吸附分離技術(shù)主要用于分離沸點(diǎn)接近但是被吸附能力不同的混合物，生產(chǎn)高純度產(chǎn)品。液相模擬移動床每個吸附劑床層均設(shè)置物料進(jìn)、出管線。物料進(jìn)、出管線的數(shù)量和位置，是模擬移動床吸附分離工藝的重要影響因素。通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬確定了物料進(jìn)、出管線的數(shù)量，以及各股物料在管線中的排列位置和進(jìn)、出料順序，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對工藝進(jìn)行了優(yōu)化，確定了生產(chǎn)高純度產(chǎn)品的液相模擬移動床物料進(jìn)、出管線沖洗工藝。

關(guān)鍵詞：模擬移動床；計(jì)算流體力學(xué)；吸附分離；管線沖洗

在石油化工生產(chǎn)中，由于某些同分異構(gòu)體的物化性質(zhì)非常相近，比如沸點(diǎn)，采用一般的精餾技術(shù)難以將它們分離。采用結(jié)晶等其他分離技術(shù)，由于收率不高、能耗較高等因素，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)[1]。液相逆流模擬移動床(SMB)吸附分離技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的分離這類同分異構(gòu)體混合物的工業(yè)技術(shù)[2]。SMB吸附分離技術(shù)來源于色譜分析技術(shù)。通過放大色譜柱的體積，并增加吸附劑的物理機(jī)械強(qiáng)度，就出現(xiàn)了現(xiàn)代移動床吸附分離工藝[3]。然而，移動床固體吸附劑用量大，吸附劑顆粒易磨損，而且吸附劑移動導(dǎo)致的顆粒分布不均會造成床層的高空隙率，嚴(yán)重影響液體的分配和吸附分離的效果。在移動床的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了逆向模擬移動床。它將吸附分離各部分運(yùn)動的參考點(diǎn)由“靜止的物料進(jìn)出口”改變?yōu)椤办o止的吸附劑”，原來分子篩逆向移動的功能就由不斷向下躍遷的物料進(jìn)、出口來實(shí)現(xiàn)，避免了移動床操作的諸多不利因素[4]。為了實(shí)現(xiàn)物料進(jìn)、出口的躍遷，吸附塔內(nèi)被劃分為若干吸附劑床層。床層間吸附劑不連通，而液相物料連通，可以在整個吸附塔內(nèi)自上而下流動。每個吸附劑床層都必須設(shè)置物料進(jìn)、出管線，連接不同的物料儲罐。在不同的步進(jìn)時間，控制這些管線的開閉，使物料進(jìn)、出口同步向下躍遷，從而實(shí)現(xiàn)固定在吸附塔內(nèi)的吸附劑模擬地向上移動。最基本的物料有4種，原料、解析劑、抽出液和抽余液。為了提高產(chǎn)品的純度和收率，還需要設(shè)置適當(dāng)?shù)墓芫€沖洗物料，并合理安排進(jìn)、出料順序和進(jìn)、出料管線的位置。整個吸附塔進(jìn)、出物料的種類以及物料進(jìn)、出管線的數(shù)量，位置和進(jìn)、出料順序，就成為了模擬移動床吸附分離工藝的核心。

SMB吸附分離技術(shù)一直被美國環(huán)球油品公司(UOP)和法國石油研究院(IFP)壟斷，主要用于分離C8芳烴異構(gòu)體[5,6]和石腦油中的正、異構(gòu)烷烴[7-8]。

UOP的SMB吸附分離技術(shù)中，所有床層各有一根管線連接到一個旋轉(zhuǎn)閥上，旋轉(zhuǎn)閥還與原料、解吸劑、抽出液、抽余液和管線沖洗等進(jìn)、出物料管線相連。旋轉(zhuǎn)閥周期性旋轉(zhuǎn)，使進(jìn)、出物料管線依次與連接不同床層的管線連通，形成模擬的兩相逆流接觸。由于解析劑和其它外部物流的引入和內(nèi)部物流的導(dǎo)出共用一條物料管線，所以該工藝在切換操作前，必須沖洗管線，沖洗物料的數(shù)量為2～4個。有向吸附塔內(nèi)沖洗的物料，如采用導(dǎo)入部分抽出液；也有向吸附塔外沖洗的物料，如采用抽出部分解析劑[9-11]。

IFP的SMB吸附分離工藝在原理上與UOP的類似，但是每個吸附劑床層的物料進(jìn)、出管線設(shè)置方式不同，這也是2種技術(shù)的主要差別。每個吸附劑床層都與6根物料進(jìn)、出管線相連，分別是原料、解吸劑、抽出液、抽余液、沖洗物料和與下一個吸附床層相連的旁路管線。每根物料管線均采用一個程控閥門控制開閉，提高了裝置的靈活性。由于每個吸附劑床層物料的導(dǎo)入和抽出設(shè)有單獨(dú)的管線，管線沖洗的方式也有所不同，主要采用連續(xù)的旁路沖洗來消除物料間的影響，保證產(chǎn)品的純度[12]。

中國SMB吸附分離工業(yè)裝置大多由國外引進(jìn)。在吸附劑的開發(fā)上，中國已經(jīng)取得重要進(jìn)展，中國石化石油化工科學(xué)研究院研發(fā)的RAX-2000和RAX-3000型吸附劑的各項(xiàng)分離性能和物化指標(biāo)均已達(dá)到或超過當(dāng)時國外同類產(chǎn)品水平。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，在對二甲苯(PX)純度為99.7%時，收率達(dá)99.1%[13-14]。石油化工科學(xué)研究院和中國石化工程建設(shè)有限公司也已經(jīng)成功開發(fā)出高性能的吸附塔內(nèi)構(gòu)件[15-17]和控制系統(tǒng)。作為SMB吸附分離工藝的重要組成部分的物料進(jìn)、出管線亟需研究和優(yōu)化。

1SMB計(jì)算模型設(shè)置

由于模擬移動床技術(shù)的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物料進(jìn)、出管線的優(yōu)化非常困難。進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的管線實(shí)驗(yàn)，由于投資過大等因素，也不現(xiàn)實(shí)。解決這個問題的最佳方法是進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)的模擬計(jì)算。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科?；舅枷胧菍⒃瓉碓跁r間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(如速度場和壓力場)用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合代替；通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組，從而獲得場變量的近似值[18]。

針對本研究涉及的吸附分離過程床層管線優(yōu)化問題的計(jì)算，需要用到流體力學(xué)基本方程， 包括質(zhì)量守恒方程(式(1))[19]、動量守恒方程(式(3)～式(5))[20]和組分質(zhì)量守恒方程(式(6))[21]。若流體為不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，則式(1)變形為連續(xù)性方程(式(2))。式(3)～(5) 3個方程也稱為Navier-Stokes方程，而式(6)用于計(jì)算管線內(nèi)物料切換后各組分在管道內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。

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2SMB物料進(jìn)出管線的方式

如上所述，模擬移動床吸附分離進(jìn)、出料管線有2種方式，旋轉(zhuǎn)閥和程控閥。旋轉(zhuǎn)閥是UOP公司的專有技術(shù)，對于閥門的設(shè)計(jì)、制造、安裝和操作要求很高，而且很難應(yīng)用到規(guī)模較大的裝置。程控閥是石油化工工業(yè)中常用的設(shè)備，設(shè)計(jì)簡單，安裝、操作和更換都比較方便，更適合應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)裝置。IFP的工藝中，采用單獨(dú)的管線分別進(jìn)行吸附塔內(nèi)物料的抽出和吸附塔外的物料導(dǎo)入，使得吸附塔內(nèi)管線異常復(fù)雜，給安裝和設(shè)備穩(wěn)定操作造成很大困難。旁路沖洗不但會產(chǎn)生額外的能耗，而且會對吸附塔內(nèi)的物料濃度造成較大的擾動，影響整個吸附分離過程的效率[22]。綜合以上因素，理想的吸附分離工藝是選用程控閥實(shí)現(xiàn)SMB工藝，每個吸附劑床層與所有的物料儲罐連通，且采用一根管線兼顧吸附塔內(nèi)物料的抽出和吸附塔外物料的導(dǎo)入，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┫锪锨袚Q對管線造成的污染。

3SMB物料進(jìn)出管線初步計(jì)算

以年產(chǎn)3×104t對二甲苯(PX)吸附分離工業(yè)裝置中一個床層的物料進(jìn)、出管線為研究體系，操作溫度為177℃，操作壓力為0.9 MPa，步進(jìn)時間為95 s，要求生產(chǎn)的PX產(chǎn)品純度大于99.7%，即管路內(nèi)的污染不能超過0.3%。

3.1簡單管線污染情況計(jì)算

圖1為簡化管路模型。首先，分析可能對管線造成污染的情況。(1)采出抽出液E之前殘留在床層管線及分配管線中的原料F；(2)進(jìn)解吸劑D之前殘留在床層管線及分配管線中的抽出液E；(3)進(jìn)原料F之前殘留在床層管線及分配管線中的抽余液R。然后，將互不污染的物料放在一起，將互相污染的物料分開，考察是否能消除管路的污染。將物料分為2組，D和E為一組與支管2連接，R和F為另一組與支管1連接，將兩組物料分別連接在兩個支管然后匯聚到床層管線，然后接入吸附塔每個吸附劑床層，如圖1所示。

根據(jù)裝置規(guī)模和工藝條件，管內(nèi)各股物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流量列于表1。其中，PX是目標(biāo)產(chǎn)品，對二乙苯(PDEB)是解吸劑，其他C8芳烴(Other C8)是污染物。模擬條件：(1)管線內(nèi)充滿解吸劑D，支管 2關(guān)閉，抽余液R從主管流向支管1，流量0.039 m3/s，時間95 s；(2)支管2關(guān)閉，原料F從支管1流向主管，流量0.019 m3/s，時間95 s。3根管管徑均為100 mm。

圖1　簡化管路模型

Streamw(PX)/%w(OtherC8)/%w(PDEB)/%qV/(m3·s-1)D001000.030F198100.019E300700.012R035650.039

針對圖1所示的管路模型，進(jìn)行3種程度的離散，分別劃分為1×104網(wǎng)格、3×104網(wǎng)格和8×104網(wǎng)格。計(jì)算解吸劑D進(jìn)入管路時，管內(nèi)的流場，結(jié)果列于表2。從表2可見，3×104網(wǎng)格的離散程度既能保證計(jì)算的精度，又能大大縮短計(jì)算時間。后面的計(jì)算均按3×104網(wǎng)格的劃分方法對模型進(jìn)行離散。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

表2　3種網(wǎng)格數(shù)量CFD模擬結(jié)果對比

由圖2可知，兩步操作過程中，盡管支管2是封閉的，仍有部分PDEB隨R和F從支管1流出，同時也有部分R和F中的污染物質(zhì)進(jìn)入支管2。對CFD模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，從管路交點(diǎn)沿支管2取1段1 m長的管路段，其體積約0.008 m3，此段為影響最大的區(qū)域，混入的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。如果此時抽出抽出液E，E的流量為0.012 m3/s，則一個步進(jìn)95 s內(nèi)抽出的E的體積為1.188 m3，其中PX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，則最終的PX產(chǎn)品中雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少為0.8%，影響較大，必須進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

圖2　簡單管路中PDEB質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.2簡單管理優(yōu)化計(jì)算

為了降低管路中的污染，可采用2種優(yōu)化方法，即在支管2和總管連接處加一節(jié)變徑或限流孔板。相應(yīng)的物理模型如圖3所示。同樣進(jìn)行抽出抽余液R和導(dǎo)入原料F的操作，從管路交點(diǎn)沿支管2一段1 m長的管路段內(nèi)PDEB質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況如圖4所示。

圖3　簡單管路的2種變徑和2種孔板物理模型

圖4　幾種結(jié)構(gòu)的管路中PDEB質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的分布

由圖4可知，使用50 mm短管直節(jié)變徑，能大大減少支管2中的PDEB對支管1和主管中物料的污染。使用篩板也可以一定程度降低這種污染，但是篩板的位置應(yīng)該盡量接近三通中心。單孔篩板的效果好于多孔篩板。雖然支管2通過50 mm的直節(jié)變徑這一方案對降低支管2內(nèi)的污染有顯著的效果，但是其0.26%的污染太接近極限值，還需采取進(jìn)一步措施。

4SMB復(fù)雜物料進(jìn)出管路計(jì)算

既然不能忽略各股物料間的相互影響，就必須設(shè)置沖洗物料消除管路內(nèi)的污染。根據(jù)產(chǎn)生污染的原因，設(shè)置3種沖洗物料，即解吸劑沖洗物料 C1，組成與解吸劑D相同；抽出液沖洗物料C2和C3，組成與抽出液E相同；原料沖洗物料C4，組成與原料F相同。為了保證抽出液E的純度，設(shè)置2股抽出液沖洗。

4.1復(fù)雜物料進(jìn)出管路初步計(jì)算

沖洗方案：C1位于D和E之間，C2、C3位于E和F之間，C4位于F和R之間，排布方式如圖5所示。

模擬過程：先假定所有管路充滿D，然后依次進(jìn)行出R、進(jìn)C4、進(jìn)F、進(jìn)C3、進(jìn)C2、出E、進(jìn)C1、進(jìn)D，步進(jìn)時間都是90 s。然后再計(jì)算1個周期。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5　復(fù)雜物料進(jìn)出管路模型

由圖6可知，C3沖洗后，管路兩端仍有大量其它C8芳烴雜質(zhì)未被沖干凈。C2沖洗后，總管右側(cè)的其它C8芳烴雜質(zhì)基本沖洗干凈，但是左側(cè)仍有大量殘留。這些殘留將隨抽出液E抽出，造成PX產(chǎn)品污染。管路內(nèi)各種物質(zhì)質(zhì)量隨時間變化列于表3。

由表3可知，在導(dǎo)入原料F后，管路內(nèi)殘留大量其他C8芳烴雜質(zhì)，并隨抽出液E一起抽出，影響產(chǎn)品純度。由此可以計(jì)算抽出液E的污染程度。

圖6　復(fù)雜管路內(nèi)各物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

Operationm(PDEB)/kgm(OtherC8)/kgm(PX)/kgInitial17.9550.0000.000DrawingR11.7686.0810.000FlushingC43.83611.6162.291IntroducingF0.37014.0573.263FlushingC39.9662.9734.882FlushingC211.7860.8275.232DrawingE12.2600.2815.311FlushingC116.9360.1200.882IntroducingD17.6690.0350.246

從吸附床層抽出進(jìn)入管路的E的質(zhì)量流速為8.877 kg/s，90 s內(nèi)流入管路的PX質(zhì)量為239.685 kg，殘留在管內(nèi)PX質(zhì)量為0.079 kg，流出管路的PX質(zhì)量為239.606 kg，隨E抽出的其它C8質(zhì)量為0.546 kg，污染程度為0.23%。雖然低于0.3%，但是比較接近極限值，一旦其它操作出現(xiàn)波動，將難以保證PX產(chǎn)品99.7%的純度，必須進(jìn)一步優(yōu)化。同理可計(jì)算出對F的污染為1.489%，對D的污染為0.037%。

4.2復(fù)雜物料管路優(yōu)化

造成抽出液E污染的原因是管路沖洗物料C2和C3不能完全將管路中靠近抽余液R抽出口處的其它C8芳烴殘留沖干凈。在抽出液E抽出時，此處殘留的物料就會隨E流出，對PX產(chǎn)品造成污染。因此，可以移動C3的位置使之更接近抽余液R抽出口，相應(yīng)的計(jì)算模型如圖7所示，計(jì)算結(jié)果示于圖8。

圖7　移動C3后的復(fù)雜管路計(jì)算模型

圖8　移動C3后的復(fù)雜管路內(nèi)各物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由圖8可知，移動C3后，污染情況明顯改善，能比較徹底地將主管左側(cè)區(qū)域的其它C8芳烴殘余沖洗掉。經(jīng)過C2再次沖洗后，管路內(nèi)其它C8殘留量非常少，大大降低了對PX產(chǎn)品的污染。不同步進(jìn)時間管路內(nèi)各組分殘留的質(zhì)量列于表4。

表4　移動C3后復(fù)雜管路內(nèi)各組分質(zhì)量殘留

由表4可知，改變C3位置后，沖洗效果明顯改善，沖洗后管路內(nèi)殘存的污染雜質(zhì)質(zhì)量明顯下降。詳細(xì)計(jì)算管路內(nèi)的污染程度，結(jié)果列于表5。

表5　移動C3后復(fù)雜管路污染程度計(jì)算結(jié)果

表5結(jié)果表明，管路內(nèi)的污染情況比移動C3前大幅降低，對抽出液E的污染只有0.110%，基本能滿足PX產(chǎn)品純度達(dá)到99.7%的要求。而且與移動C3前對比，對原料F和解吸機(jī)D的污染程度也很小。對F的污染程度降低，有益于提高產(chǎn)品收率。對D的污染程度降低，則可在解吸劑D回收時降低精餾過程的能耗。

5結(jié)論

運(yùn)用CFD對模擬移動床吸附分離過程中與每個吸附劑床層相連接的物料進(jìn)出管線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。當(dāng)管路內(nèi)物料切換時，會對管路產(chǎn)生較大的污染。將互不污染的物料排列在一起，與互相污染的物料分置于連接吸附塔的總管兩側(cè)的方案，能有效的降低管路內(nèi)的污染，但是達(dá)不到產(chǎn)品純度要求。改變管徑和加入內(nèi)構(gòu)件后，管路內(nèi)的污染程度大大降低，但是仍難以完全滿足PX產(chǎn)品純度要求。

對一個包含4股沖洗物料的物料管線進(jìn)行CFD模擬計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置沖洗物料能有效降低管路內(nèi)的污染，但是由于C3的沖洗位置不合理，導(dǎo)致管路污染程度仍難以滿足要求。調(diào)整C3的位置后，C3沖洗管線更靠近抽余液R抽出口，能大大降低管路內(nèi)物料的污染，提高產(chǎn)品純度，而且也滿足PX產(chǎn)品收率要求，并能降低能耗。

符號說明：

cs——組分s的體積分?jǐn)?shù)，%；

C1～C4——四股沖洗液；

Ds——組分s的擴(kuò)散系數(shù)；

D——解吸劑；

E——抽出液；

F——原料；

m——質(zhì)量，kg；

P——壓力，MPa；

qV——體積流量，m3/s；

R——抽余液；

Sx、Sy和Sz——流體在x、y和z3個方向上的廣義源項(xiàng)，kg/(m3·s)；

Ss——單位時間和單位體積內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分s的質(zhì)量，kg/(m3·s)；

t——時間，s；

u——流體的速度矢量，m/s；

ux、uy和uz——x、y和z方向上的速度分量，m/s；

w——組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

X——管路交點(diǎn)沿支管2延伸的距離，m；

φ——孔板直徑，mm；

ρ——流體的密度，kg/m3；

μ——流體的動力黏度，Pa·s。

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CFD Simulations for Optimization of Feeding and DischargingPipelines of Simulated Moving Bed

ZHU Zhenxing, WANG Dehua, WANG Shaobing, WANG Lulu, MAO Junyi

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing,SINOPEC,Beijing100083,China)

Abstract：Adsorptive separation technology with simulated moving bed is mainly applied in separation of mixture, in which the components possessed similar boiling points and different adsorption abilities, to produce high purity product. The feeding and discharging pipelines are set up for every adsorbing bed in a simulated moving bed. The number and position of pipelines are the important factors affecting the process of adsorptive separation. The number and position of pipelines and switching schedule of feeding and discharging were calculated by computational fluid dynamics (CFD) simulations. Then the optimization was carried out based on the calculating results, and a flushing process of feeding and discharging pipelines for a simulated moving bed to produce high purity product was developed finally.

Key words：simulated moving bed; computational fluid dynamics (CFD); adsorptive separation; pipelines cleaning

收稿日期：2015-09-09

基金項(xiàng)目：中國石化科研開發(fā)課題項(xiàng)目(107011)資助

文章編號：1001-8719(2016)03-0531-08

中圖分類號：TE969

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.013

通訊聯(lián)系人： 朱振興，男，高級工程師，博士，從事計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算、漿態(tài)床反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件開發(fā)、模擬移動床內(nèi)構(gòu)件開發(fā)等領(lǐng)域的研究；E-mail：zhuzx.ripp@sinopec.com