胡 博，郭旭青，丁澤強，李 飛，黃學(xué)敏

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司化工研究院，山西太原030021）

近年來，隨著煤化工的迅猛發(fā)展，我國甲醇和苯的產(chǎn)能迅速增加。2017年我國甲醇產(chǎn)能已達到7855.5萬t/a，但開工率在50%～60%之間，純苯產(chǎn)能達到1250萬t/a，而總產(chǎn)量為510.41萬t/a，甲醇和苯的產(chǎn)能嚴(yán)重過剩。因此，增加甲醇和苯下游衍生物的需求是化解產(chǎn)能過剩的有效途徑。甲醇和苯烷基化反應(yīng)得到的混合芳烴可用于生產(chǎn)市場廣闊的對二甲苯（PX）等[1]，我國的混合芳烴近年來進口量超過1000萬t/a。因此，甲醇與苯烷基化制備混合芳烴可以延長甲醇和苯的產(chǎn)業(yè)鏈，化解甲醇和苯的過剩產(chǎn)能[2,3]。

本文利用ASPEN PLUS軟件對烷基化工藝流程進行模擬，并分析溫度和壓力對苯的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響，為今后中試裝置的運行提供參考。

1 甲醇與苯烷基化過程模擬流程的建立

根據(jù)甲醇與苯烷基化過程各個設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時對烷基化系統(tǒng)按照ASPEN PLUS提供的標(biāo)準(zhǔn)模塊進行合理的模塊劃分，建立甲醇與苯烷基化流程的ASPEN PLUS模擬流程如下圖1。

圖1 甲醇與苯烷基化系統(tǒng)簡化模擬流

在甲醇和苯烷基化反應(yīng)中，甲醇和苯在25℃、常壓下按照物質(zhì)的量比1:1進料，根據(jù)中試裝置1000t/a混合芳烴的產(chǎn)量核算，甲醇和苯的進料摩爾流率為1.51kmol/h。首先將液相的甲醇和苯經(jīng)過氣化器氣化后變?yōu)轱柡驼羝?，氣化后的甲醇和苯?jīng)過與反應(yīng)器出來的產(chǎn)物經(jīng)換熱升溫至250℃，再經(jīng)加熱器加熱至反應(yīng)溫度360℃，然后在設(shè)置的MIXER中將甲醇和苯混合，進入反應(yīng)器在440℃下進行反應(yīng)。反應(yīng)器選擇吉布斯反應(yīng)器（RGibbs），得到的產(chǎn)物經(jīng)過冷卻器冷卻后得到最終產(chǎn)品。甲醇與苯烷基化反應(yīng)的過程中可能發(fā)生的主、副反應(yīng)如式 (1)～(15)[4]。

2 甲醇苯烷基化流程模擬計算

2.1 物性方法選擇

甲醇和苯烷基化的物系是弱極性非電解質(zhì)體系，壓力小于0.5MPa，PR-BM方程適用于所有溫度、壓力下非極性或者極性較弱的體系，適合此物系。因此選擇PR-BM方程作為實際生產(chǎn)工藝設(shè)計的物性方法[5]。

2.2 模擬工藝操作參數(shù)的設(shè)定

建立模擬流程后，需要設(shè)定各模塊的工藝操作參數(shù)，如表1所示。

表1 各模塊工藝操作參數(shù)

設(shè)置完成后進行模擬得到各個物流的信息，和文獻結(jié)果對比反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和生成物的選擇性來驗證該模型的準(zhǔn)確性。

2.3 模擬計算結(jié)果和文獻結(jié)果

在440℃，0.2MPa的反應(yīng)條件下模擬得到的物流結(jié)果如表2所示。

在440℃，0.2MPa的反應(yīng)條件下模擬得到的結(jié)果和文獻結(jié)果[6,7]的對比如表3所示。

表2 ASPEN PLUS物流模擬結(jié)果

表3 ASPEN PLUS模擬結(jié)果和文獻結(jié)果對比

由表3可以看出，苯的轉(zhuǎn)化率比文獻結(jié)果高，可能是因為此次模擬選擇的吉布斯反應(yīng)器（RGibbs）是根據(jù)系統(tǒng)的吉布斯自由能趨于最小值的原則，計算同時達到化學(xué)平衡時的系統(tǒng)組成[8]，因此模擬得到的苯的轉(zhuǎn)化率是反應(yīng)達到平衡時的結(jié)果，而文獻結(jié)果苯的轉(zhuǎn)化率低于苯的轉(zhuǎn)化率，說明實際反應(yīng)過程中反應(yīng)并未達到平衡。產(chǎn)物的選擇性模擬結(jié)果和文獻結(jié)果非常接近，因此可以說明前面所建立的甲醇與苯烷基化模型可以用于甲醇與苯烷基化流程的模擬計算。

3 操作參數(shù)對烷基化反應(yīng)過程的影響分析

3.1 反應(yīng)溫度對烷基化過程的影響

控制其他模塊的操作參數(shù)不變，改變反應(yīng)器反應(yīng)溫度，分析溫度變化對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響。使用ASPEN PLUS的靈敏度分析工具進行計算，設(shè)定反應(yīng)溫度的變化范圍為360～560℃。模擬分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)溫度對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響

由圖2可以看出，在測試區(qū)間內(nèi)隨著反應(yīng)溫度的升高，苯的轉(zhuǎn)化率逐漸降低，這是因為烷基化反應(yīng)的主反應(yīng)和大部分副反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，導(dǎo)致苯的轉(zhuǎn)化率降低。隨著溫度的升高，甲苯的選擇性逐漸升高，二甲苯的選擇性逐漸降低，而乙苯的選擇性先增加后降低，在510℃達到最大值。在420～480℃范圍內(nèi)，苯的轉(zhuǎn)化率和甲苯、乙苯及二甲苯的選擇性受溫度變化影響較大，因此在中試裝置運行時可以將溫度控制在420～480℃范圍內(nèi)進行調(diào)整。

3.2 反應(yīng)壓力對烷基化過程的影響

控制其他模塊的操作參數(shù)不變，改變反應(yīng)器反應(yīng)壓力，分析壓力變化對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響。使用ASPEN PLUS的靈敏度分析工具進行計算，設(shè)定反應(yīng)壓力的變化范圍為0.1～0.5MPa。模擬分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)壓力的增加，苯的轉(zhuǎn)化率也逐漸增加，甲苯的選擇性逐漸降低，乙苯和二甲苯的選擇性逐漸增加，但甲苯和二甲苯的產(chǎn)量總和基本不變，說明增大壓力有利于二甲苯的生成。當(dāng)壓力小于0.3MPa時，苯的轉(zhuǎn)化率和生成物產(chǎn)率隨壓力變化比較明顯，當(dāng)壓力超過0.3MPa后，二甲苯的選擇性隨壓力增加其變化幅度不大，但設(shè)備的操作費用會大大增加，因此中試裝置運行時的壓力可以控制在0.1～0.3MPa的范圍調(diào)整。

圖3 反應(yīng)壓力對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響

4 結(jié)論

(1)利用ASPEN PLUS軟件對甲醇與苯烷基化流程進行了模擬，模擬結(jié)果和文獻結(jié)果基本符合，說明所建模型比較合理。

(2)利用所建立的模型分析了反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力對烷基化反應(yīng)苯的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性的影響，在一定程度上可以指導(dǎo)中試裝置的運行生產(chǎn)。