基于Aspen Plus的二甲苯分离塔模拟优化及应用

李佳峻，李宏光，王朝阳

(中国石油吉林石化炼油厂，吉林 吉林 132001)

二甲苯分离塔是芳烃分离的关键设备[1]。中国石油吉林石化(简称吉林石化)二甲苯分离塔原料主要是富含C8芳烃的重重整油。塔顶采出混合二甲苯产品，塔底产物富含邻二甲苯，进入邻二甲苯塔继续分离。混合二甲苯产品主要包含乙苯、对二甲苯和间二甲苯，均是邻二甲苯的同分异构体。几个同分异构体中，邻二甲苯沸点最高，但仅比间二甲苯沸点高5 ℃，沸点差较小，组分间的分离难度大[2]；且该二甲苯分离塔塔顶、塔底产物必须同时合格，产品纯度要求高，故对精馏塔的控制要求非常严格。分离精度要求高意味着高加热量和高回流比操作，故该塔能耗较高。由于二甲苯分离塔耗能较高，近年来有许多学者运用流程模拟软件，对该类型塔的节能降耗方法进行研究。武芹等[3]利用PRO/Ⅱ软件对某炼油厂的二甲苯分离塔进行模拟研究，得到了热回收效率高、热量输入少的操作条件。王乐等[4]运用Aspen Plus软件对某芳烃装置的二甲苯分离塔进行模拟优化，优化后可以节省2.41 MW左右的热功率。

吉林石化二甲苯分离塔与国内多数二甲苯塔稍有区别，塔顶分离出的混合二甲苯直接作为产品，不再进行进一步分离。本研究使用Aspen Plus流程模拟软件V9版本，对吉林石化二甲苯分离塔进行模拟优化。并依据模拟结果调整实际生产的操作参数，在满足操作指标的同时实现效益最大化。

1 流程简介

吉林石化二甲苯分离塔设计处理能力为713 kt/a，以铂催化重整单元重整液分离塔塔釜液(自该塔塔底泵GA-205来)、异构化单元脱庚烷塔塔釜液(自该塔塔底换热器EA-506来)和歧化单元甲苯塔塔釜液(自该塔塔底泵GA-409来)为原料。通过分离，塔顶采出混合二甲苯产品，塔底为邻二甲苯、C9芳烃和C10+芳烃的混合物，并进入后续单元进一步分离。二甲苯分离塔塔底再沸炉为两台立式圆桶炉，强制通风，设有烟气回收系统。用塔顶气相作为苯塔、甲苯塔、邻二甲苯塔和重芳烃塔的塔底热源，用塔底液相作为歧化单元汽提塔和异构化单元脱庚烷塔的塔底热源，同时还利用塔顶气相副产2.0 MPa蒸汽。塔顶采出的混合二甲苯，一部分作为产品经过冷却后进入产品罐，另一部分送往异构化单元作为原料用来增产邻二甲苯。由于该塔塔板数过多(220块)，若设计成一个塔，则单塔高度过高，故设计时将该塔拆分为两个塔操作。图1为二甲苯分离塔工艺流程示意。

图1 二甲苯分离塔工艺流程示意

2 模型验证

利用2020年6月3日至6月9日生产数据的平均值作为生产运行的实际值对二甲苯分离塔进行建模。虽然二甲苯分离塔分为两个塔操作，但其实质为单塔拆分，与单塔并无二致，故为了简化模型，使用Aspen Plus软件模拟时采用单塔模型。由于非芳烃含量较低，具体组分未知，且非芳烃各组分沸点与塔内其他组分相近，故模拟过程中忽略该组分。由于模型中组分属于非极性或极性较弱的混合物体系，是较理想的物系，物性方法一般选择Peng-Rob或SRK。而Peng-Rob方法改善了SRK方程预测液相体积不够准确的缺点[5]，故在此选择Peng-Rob方法[6]。

建模过程中，二甲苯分离塔的塔板效率和全塔压降均为未知量。本研究利用设计规范，设各层塔板的Murphree板效率相等，通过塔顶、塔底采出的组分分布模拟计算得出各层塔板的平均Murphree板效率为95%。一般来说，二甲苯分离塔塔板效率较高，该值符合经验[5]，可信度较高。通过已知的塔板温度模拟计算得出全塔压降为130 kPa。将计算出的塔板效率和全塔压降带入模型中，建立模型。模型建立后，主要操作条件实际值与计算值见表1，塔顶采出物组成实际值与计算值见表2，塔底采出物组成实际值与计算值见表3。表1～表3结果表明，所建模型模拟结果的主要参数与实际工况吻合较好，塔顶、塔底采出物组成，尤其是关键组分(塔顶邻二甲苯含量和塔底间二甲苯)含量也与实际工况吻合较好，模拟结果完全可以用于指导实际生产的优化和改造[7]。

表1 二甲苯分离塔主要操作参数

表2 塔顶采出物组成 w，%

表3 塔底采出物组成 w，%

3 优化及灵敏度分析

建模完成后，利用软件的优化器功能进行优化。塔底热负荷是塔底加热能量消耗的直接体现，且这部分能耗是该塔的主要能耗，故优化能耗的思路是改变操作条件，在保证塔顶、塔底采出物料纯度合格的前提下，找到使塔底热负荷为最小值的操作条件。

分析指标要求二甲苯分离塔塔底间二甲苯质量分数不大于0.1%，塔顶邻二甲苯质量分数不大于3.5%。实际生产中，塔顶邻二甲苯含量存在一定波动，为避免优化后卡边操作造成产品不合格，模拟优化时缩小了塔顶邻二甲苯含量的限定范围。限定的约束条件为：二甲苯分离塔塔底间二甲苯质量分数不大于0.1%，塔顶邻二甲苯质量分数不大于3.0%，误差范围为1×10-7。

首先改变塔顶回流量和塔顶采出量。回流量在600～800 m3/h(温度197 ℃左右)范围变化，塔顶采出量在64～65 t/h(体积流量92.60～94.05 m3/h)范围变化。在回流量约为660 m3/h时，得到满足约束条件的塔底热负荷的最小值。此时塔底热负荷为65.96 MW，较优化前的69.45 MW降低了5.0%。在此基础上，使塔压在0.58～0.7 MPa范围变化，得到满足约束条件的塔底热负荷最小值在塔压0.58 MPa下出现，为65.70 MW，较优化前降低5.41%。

优化器得出的结果为生产优化提供了方向。但优化器仅能搜索出给定约束条件下的最优解，无法得出每个操作参数变化时精馏塔分离效果和塔底热负荷的变化趋势。故进一步利用软件中灵敏度分析功能，分别观察回流量、塔板压力及板效率变化对分离效果和塔底热负荷的影响，以指导实际生产。

图2为塔底热负荷随回流比变化的灵敏度分析。由图2可知，随着回流量的减小，塔底热负荷大幅降低，但分离效果下降，塔顶邻二甲苯含量升高。

图2 回流量对二甲苯塔塔底热负荷和分离效果的影响

降低回流量虽然使分离效果下降，但二甲苯分离塔平稳操作时产品质量有较大裕量，塔顶邻二甲苯含量的指标为质量分数不大于3.5%，优化前回流量为700 m3/h，塔顶产品邻二甲苯的质量分数为2.41%，具备一定的调整空间。且降低回流量能大幅降低塔底热负荷，实现节能降耗。

图3为塔底热负荷随塔顶压力变化的灵敏度分析。由图3可知，随着塔顶压力下降，塔底热负荷小幅降低，分离效果略微下降，影响较小。通过调整塔顶压力来降低塔底热负荷收效甚微，压力降低0.02 MPa仅能降低0.5%的热负荷，且塔顶压力过低不利于平稳操作。不建议采用此优化方式。

图3 塔顶压力对二甲苯分离塔塔底热负荷和分离效果的影响

图4为塔底热负荷随塔板效率变化的灵敏度分析(此处板效率为各层塔板的Murphree板效率)[8-9]。本研究主要讨论的是如何减少能量消耗，而不是提高分离效果，故在此引入优化器，使分离效果固定在塔顶邻二甲苯质量分数为3%时进行灵敏度分析。由图4可知，随着塔板效率的增加，达到同一分离效果时，塔底热负荷小幅降低。根据模拟计算结果，二甲苯分离塔平均每层塔板的Murphree板效率为95%。塔板效率较高，故进一步提高塔板效率空间有限，且收效甚微。另外调整塔板效率难度较大，投入较高，需要在检修时更换塔盘。故不建议采用此优化方式。

图4 塔板效率对二甲苯分离塔塔底热负荷的影响

4 工业应用及成效

根据模拟得出的结论，实际生产中拟通过降低回流量的方式对二甲苯分离塔进行优化。以每次回流量降低5 m3/h的幅度对二甲苯分离塔进行操作调整，目标是将回流量降至660 m3/h。本研究通过灵敏度分析对优化过程进行预测，以指导生产操作。灵敏度分析结果见表4。

当二甲苯分离塔回流量调整至目标值660 m3/h时，对比优化前和优化后各路进料及采出物的组成，结果见表5。优化前后进料组分变化幅度较小。二甲苯分离塔塔顶混合二甲苯中邻二甲苯质量分数由优化前的2.41%升至优化后的3.08%，仍满足产品控制指标(质量分数不大于3.5%)。优化后邻二甲苯产量减少约2 t/d，混合二甲苯产量增加2 t/d。

表6为优化前后二甲苯分离塔的主要操作参数。受二甲苯分离塔回流量降低的影响，塔顶回流泵实际运行电流降低3 A，电机功率降低19.8 kW。塔底两台再沸炉燃料消耗分别降低203.96 kg/h和178.39 kg/h，合计降低燃料消耗382.35 kg/h。按照天然气单价2 170元/t、电价1.12元/(kW·h)计算，经过本次优化调整，每年节约成本费用746.25万元。

表4 优化过程中的灵敏度分析

表5 优化前后二甲苯分离塔各路进料及采出物组成 w，%

表6 优化前后主要操作参数对比

5 结 论

利用Aspen Plus流程模拟软件对吉林石化二甲苯分离塔进行建模，所建模型与实际生产偏差较小，说明该模型可以较好地模拟实际生产。在该模型基础上，利用优化器和灵敏度分析研究操作条件对该二甲苯分离塔的影响，为塔的操作优化提供了方向指导，并预测参数调整幅度及调整后的生产状态，降低了过程优化的成本。实际生产中，利用模拟计算得出的结果，通过调整回流量，在保证产品质量的基础上，实现了二甲苯塔的节能优化，降低了操作费用。