煤焦油常减压蒸馏装置的模拟与优化

叶启亮，奚茂华，杨敬一，袁佩青

(华东理工大学化工学院，上海 200237)

煤炭是我国最基础的能源，目前对其利用方式主要有直接燃烧、炼焦和气化[1]。煤焦油是煤在炼焦时产生的具有刺激性气味、呈黑色或黑褐色黏稠状的液体[2]。煤焦油作为焦化工业的重要产品，其组成极为复杂，含有上万种有机化合物，目前大约鉴定出500余种[3-4]，其中许多化合物是生产农药、医药、染料、涂料、合成橡胶和多种功能性材料的重要原料，有的化合物甚至是石油化工过程难以生产的[5]。为获取这些宝贵的化合物，需先采用蒸馏方法从煤焦油中切取轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油及沥青等不同馏分，使苯、酚、萘、甲基萘、喹啉、蒽、咔唑等多种化合物集中到相应馏分中，再通过深加工进一步分离。煤焦油常减压蒸馏工艺通常基建投资大，操作复杂，因此确定合理工艺条件是提高煤焦油利用率及产品质量的关键。

本研究基于Aspen Plus V9.0建立煤焦油常减压蒸馏工艺流程，通过灵敏度分析对整个工艺流程进行优化，确立合理的工艺条件，提高产品质量。模拟结果对煤焦油常减压蒸馏工艺的优化设计及装置的高效操作具有重要指导作用。

1 煤焦油蒸馏流程模拟

1.1 煤焦油组分表征

根据馏程不同，煤焦油可分为中低沸程煤焦油(常压沸点400 ℃以下)和高沸程煤焦油(常压沸点400 ℃以上)[6]。针对宁夏某焦化企业高温煤焦油，为简化模拟计算但又保证模拟计算的准确性，将煤焦油中质量分数小于0.02%的组分不单独输入[7]，根据其沸点分别合并到沸点相邻的组分中。将甲基吡啶等吡啶同系物合并到吡啶中；将三甲苯、四甲苯等苯的高级同系物合并到苯乙烯和偏三甲苯中；将三甲基苯酚等高沸点酚类合并到3，5-二甲酚中；将甲基喹啉等喹啉同系物合并到喹啉中；将甲基氧芴等氧芴同系物合并到氧芴中；将苯并荧蒽及荧蒽同系物合并到荧蒽中；其他高沸点物质合并到沥青中。经过组分合并后，用39种真实组分(见表1)来表征中低沸程煤焦油；通过煤焦油沥青的实沸点(TBP)蒸馏数据[8](见表2)生成虚拟组分沥青[9-10]来表征高沸程煤焦油。

表1 煤焦油组成

表2 煤焦油沥青的实沸点蒸馏数据

1.2 物性方法选择

煤焦油的主要成分为多环芳烃，其内包含多种极性物系和非极性物系，并且煤焦油物系中的许多组分互溶，存在着多种共沸体系，因而具有很强的非理想性[11-12]。对于这种非理想性极强的物系，通常选用的物性方法有NRTL，UNIQUAC，WILSON，UNIFIC等。本研究选用NRTL物性方法来模拟脱水塔，选用UNIQ-RK物性方法来模拟常压蒸馏塔和减压蒸馏塔[13]。

1.3 煤焦油蒸馏流程的建立

煤焦油常减压蒸馏装置主要包括脱水塔、常压蒸馏塔和减压蒸馏塔，宁夏某焦化企业0.30 Mta煤焦油常减压蒸馏装置的工艺流程如图1所示。原料煤焦油经预热到130 ℃后进入脱水塔脱水，脱水塔塔顶馏分经冷凝器冷却到45 ℃，经油水分离器分离出氨水和轻油馏分，轻油馏分一部分为产品，另一部分回流至脱水塔。脱水塔塔底采出无水煤焦油，无水煤焦油经管式加热炉加热到260 ℃进入常压蒸馏塔，常压蒸馏塔塔顶采出酚油馏分，侧线采出萘油馏分，塔底采出重质混合油。重质混合油经管式加热炉加热到350 ℃进入减压蒸馏塔，减压蒸馏塔塔顶采出洗油馏分，侧线采出蒽油馏分，塔底采出沥青。根据工艺流程建立Aspen Plus V9.0模拟流程，精馏塔选用RadFrac严格精馏计算模块、管式加热炉选用Heater加热器模块、换热器选用HeatX换热器模块、输送泵选用Pump模块、脱水塔油水分离器运用RadFrac中倾析水功能模块。

图1 煤焦油常减压蒸馏工艺流程示意

2 模拟结果分析优化

2.1 模拟结果验证

采用Aspen Plus V9.0软件建模，对上述煤焦油加工工艺进行模拟，将模拟值与实际工况操作参数进行对比，结果如表3所示。由表3可以看出，模拟值与实际工况操作参数吻合良好。这表明Aspen Plus V9.0能够有效地模拟煤焦油蒸馏流程，同时也验证了之前煤焦油组分的表征、物性方法的选择、模拟流程的建立是合理的。

表3 模拟值与实际工况操作参数的对比

2.2 模拟流程优化

在建立合理模拟流程的基础上，以各馏分中关键组分收率和产品质量为主要目标，同时考虑操作能耗的影响，对关键的常压蒸馏塔的回流比、理论塔板数、进料位置等进行灵敏度分析，确定了常压蒸馏塔的最优工艺条件。

2.2.1 理论塔板数优化为选取合适的理论塔板数，控制常压蒸馏塔塔顶酚油馏分和侧线萘油馏分中的萘含量不变，考察回流比与理论塔板数的关系，结果如图2所示。

图2 回流比与理论塔板数的关系

由图2可知：在控制分离指标不变的情况下，回流比随着理论塔板数的增加而减小；当理论塔板数小于30时，回流比随理论塔板数的增加而大幅减小；当理论塔板数为30～33时，回流比随理论塔板数的增加而小幅减小，每增加1块塔板，回流比的减小幅度约为3.2；当理论塔板数为33～38时，回流比随理论塔板数增加而减小的幅度更小，每增加1块塔板，回流比的减小幅度约为0.9。理论塔板数增加导致塔高增大，设备费用随之增加；回流比增大导致塔顶冷凝器和塔釜再沸器负荷增加，操作能耗随之增加。综合考虑，确定理论塔板数为33。

2.2.2 侧线采出位置优化确定理论塔板数后，控制其他模拟条件不变，考察侧线采出位置对常压蒸馏塔分离效果的影响，结果如图3所示。

图3 侧线采出位置对分离效果的影响■—酚油中萘质量分数； ▲—萘油中萘质量分数。图4同

由图3可知：酚油馏分中的萘含量随侧线采出位置的下移而不断减少；当侧线采出位置在第5～10块塔板时，萘油馏分中的萘含量随侧线采出位置的下移而小幅度增加；当侧线采出位置在第10～14块塔板时，萘油馏分中的萘含量基本不变；当侧线采出位置在第14～22块塔板时，萘油馏分中的萘含量随侧线采出位置的下移而减少，且幅度越来越大。综合考虑酚油馏分和萘油馏分的质量要求，确定常压蒸馏塔的侧线采出位置为第14块塔板。

2.2.3 进料位置优化在理论塔板数和侧线采出位置确定的情况下，控制其他模拟条件不变，考察进料位置对常压蒸馏塔分离效果的影响，结果如图4所示。

图4 进料位置对分离效果的影响

由图4可知：由于在第14块塔板处有侧线采出，所以酚油馏分和萘油馏分中的萘含量在第14块塔板处有阶跃式变化；经过第14块塔板后，当进料位置在第15～21块塔板时，酚油馏分和萘油馏分中的萘含量都随着进料位置的下移而增加，并

在第21块塔板处萘油馏分中的萘含量达到最大；当进料位置在第22～30块塔板时，酚油馏分中的萘含量仍随着进料位置的下移而增加，而萘油馏分中的萘含量随着进料位置的下移而减少。综合考虑，确定常压蒸馏塔的进料位置为第21块塔板。

2.2.4 回流比优化在理论塔板数、侧线采出位置和进料位置确定后，考察回流比对常压蒸馏塔分离效果和能耗的影响，结果如图5所示。

图5 回流比对分离效果及能耗的影响■—酚油中萘质量分数； ▲—萘油中萘质量分数； ●—加热炉热负荷

由图5可知：随着回流比的增加，酚油馏分中的萘含量不断减少，萘油馏分中的萘含量不断增加；当回流比为15～25时，回流比每增加1，酚油馏分中的萘质量分数平均减少0.36百分点，萘油馏分中的萘质量分数平均增加0.31百分点；当回流比为25～35时，回流比每增加1，酚油馏分中的萘质量分数平均减少0.15百分点，萘油馏分中的萘质量分数平均增加0.07百分点；随着回流比的增加，塔低加热炉热负荷持续增加。增加回流比增加了塔内物料循环，塔的分离能力上升，有利于组分分离，但同时也将增大塔的操作能耗。为了提高酚油馏分和萘油馏分的产品质量以及控制合适的操作能耗，确定常压蒸馏塔的回流比为25。

2.3 优化结果

经过同样的方法与分析，得到脱水塔和减压蒸馏塔的优化工艺参数，与常压蒸馏塔一起，汇总于表4。在表4所示的优化参数下，煤焦油全流程常减压蒸馏流程模拟中的关键组分及收率(分离效果)如表5所示，产品质量模拟值与产品指标的对比如表6所示。

表4 煤焦油全流程常减压蒸馏流程模拟中各精馏塔的优化参数汇总

表5 煤焦油全流程常减压蒸馏流程模拟中的关键组分及收率 w，%

由表5可以看出，各馏分中的关键组分收率都很高，其中萘的收率在95%以上，说明该流程模拟经工艺参数优化后能够很好地用于指导煤焦油的蒸馏分离。

表6 煤焦油全流程常减压蒸馏流程模拟中的产品质量模拟值与产品指标的对比

由表6可以看出：经过全流程中各精馏塔的参数优化，模拟所得各产品的质量远优于相应标准的要求；轻油馏分中酚质量分数为0.5%；洗油馏分中酚质量分数为0.11%；酚油馏分中酚质量分数达到42.4%；酚油馏分中萘质量分数为9.5%；洗油馏分中萘质量分数为2.6%，萘油馏分中萘质量分数达到85%。酚油馏分中酚含量和萘油馏分中萘含量均大幅提高，有利于后续工艺中酚和萘组分的更高纯度的回收利用及提高煤焦油的利用率。

3 结 论

采用Aspen Plus V9.0模拟软件，运用真实组分与虚拟组分相结合的方法来表征煤焦油体系，对煤焦油常减压蒸馏流程进行了模拟。分析并讨论了各塔工艺参数对产品质量的影响，确定了各塔的最优工艺参数。在优化后的工艺参数下，提高了各产品中关键组分的收率，轻油馏分中酚质量分数为0.5%；酚油馏分中酚质量分数达到42.4%，萘质量分数为9.5%；萘油馏分中萘质量分数达到85.0%；洗油馏分中酚质量分数和萘质量分数分别为0.11%和2.6%；产品质量显著提升。