任紅鋒

（中國石化揚子石化有限公司，江蘇南京210048）

某芳烴裝置是國內(nèi)最大的鄰二甲苯產(chǎn)品供應(yīng)裝置之一[1]，其鄰二甲苯精餾塔DA-3601原設(shè)計以二甲苯分餾塔DA-801塔釜富含鄰二甲苯（OX）的C8+A為原料，通過精餾方法實現(xiàn)鄰二甲苯與異丙苯（IPB）及C9以上組分的分離，分離得到的OX作為產(chǎn)品出廠。原設(shè)計DA-3601鄰二甲苯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%（w，下同），產(chǎn)品中非芳烴加C9A總量小于1.5%。2006年芳烴裝置擴能改造后，二甲苯分餾塔DA-8501 塔釜富含OX 的C8+A 與DA-801 塔釜物料一并作為原料，DA-3601鄰二甲苯產(chǎn)能從原來的8萬t/a提高到12萬t/a以上，OX產(chǎn)品純度從95%提高到98%以上，非芳烴加C9A總量小于1.0%。2007年鄰二甲苯下游主要用戶苯酐生產(chǎn)廠發(fā)現(xiàn)使用含異丙苯較高的鄰二甲苯原料生產(chǎn)時裝置會造成爆鳴事故，并于2008年要求鄰二甲苯產(chǎn)品中的IPB含量不大于1.0%[2]。

鄰二甲苯塔DA-3601塔徑3.4 m，高50 m，每個塔板有兩個沉降管，內(nèi)置有100塊塔板。2010年實施了高效塔盤更換，采用了三溢流VG-PLUS 高性能塔盤，更換后應(yīng)客戶要求，鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB 控制在0.5%以下。2016 年為優(yōu)化鄰二甲苯塔原料，DA-801（100 塊塔盤）不再聯(lián)產(chǎn)鄰二甲苯，DA-3601 進料由混合進料改為二甲苯分餾塔DA-8501（168塊塔盤）來的優(yōu)質(zhì)物料，之后DA-3601 運行穩(wěn)定，產(chǎn)品純度在99.7%以上，IPB 控制0.1%以下，但更換高效塔盤后，回流比在12.3 左右，與同類裝置相比仍較高[3]，且鄰二甲苯單元再沸爐存在煙氣溫度偏高等瓶頸，故需通過開展鄰二甲苯塔模擬優(yōu)化工作，為摸索鄰二甲苯塔最優(yōu)操作參數(shù)提供支撐。

2 鄰二甲苯單元運行中存在的問題

DA-3601實際進料量比設(shè)計高18%，約為7.3 t/h，但OX 產(chǎn)品采出量卻增加了41%，實際回流比與設(shè)計值相當(dāng)，在12.5 ～13.0 之間。與此同時，塔頂廢熱鍋爐負(fù)荷較設(shè)計增加了43.6%，塔釜再沸爐熱負(fù)荷較芳烴85萬t/a改造設(shè)計增加了50.7%，即使與再沸爐最初熱負(fù)荷相比，也提高了10%左右。

因鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷和塔釜熱負(fù)荷的提高，塔頂氣相壓差控制閥開度大，無調(diào)節(jié)余量，再沸爐排煙溫度較最初提高40℃以上等問題凸顯，為裝置的長周期安全運行帶來不利影響，同時與公司創(chuàng)建綠色節(jié)能企業(yè)的初衷背離，有必要探索目前裝置進料條件下的優(yōu)化措施，以期降低塔頂廢熱鍋爐和塔釜再沸爐負(fù)荷，提升裝置經(jīng)濟效益。

3 利用Aspen 模型對鄰二甲苯塔模擬情況

3.1 鄰二甲苯塔建模情況

DA-8501塔釜富含OX的C8+A物料組成相對穩(wěn)定，以2018年6月中旬裝置平均進料組成和鄰二甲苯塔操作數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PENG-ROB物性方法和Aspen Plus流程模擬軟件建立鄰二甲苯塔模型，模擬結(jié)果顯示，建立的模型與2018年6月中旬鄰二甲苯實際運行數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，表明該模型可靠性強，可以此為基礎(chǔ)對鄰二甲苯塔進行模擬，以期摸索鄰二甲苯塔最優(yōu)操作參數(shù)。鄰二甲苯塔運行數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 鄰二甲苯塔運行數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比

利用建立的模型，從進料流量、進料溫度、進料位置、產(chǎn)品中異丙苯含量、目標(biāo)產(chǎn)品收率、塔盤效率六個方面對鄰二甲苯塔進行模擬，在一定的產(chǎn)品質(zhì)量和回收率下，考察各因素對裝置回流比、加熱爐負(fù)荷的影響。

3.2 進料量

Aspen Plus 模擬結(jié)果顯示，在同樣的進料組成并保持鄰二甲苯收率大于99%，OX 產(chǎn)品純度大于99.3%，產(chǎn)品中IPB控制小于0.5%的情況下，進料量越大，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量越高，但加熱爐負(fù)荷也越高。以DA3601 再沸爐改造后負(fù)荷10.3 MW 為限，DA3601 的最大進料量為49 t/h，對應(yīng)的OX 產(chǎn)量為15.2 t/h；以改造前原設(shè)計負(fù)荷13.69 MW 為限，DA3601 最大進料量為63.8 t/h，對應(yīng)的OX 產(chǎn)量為18.8 t/h。從裝置實際數(shù)據(jù)來看，DA3601的OX產(chǎn)品產(chǎn)量歷史最高達到420～480 t/d，模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)一致。

3.3 進料是否取熱

目前鄰二甲苯進料溫度為281℃左右，屬于過熱進料狀態(tài)，進料溫度的變化對鄰二甲苯塔分離效果影響可通過軟件模擬來驗證。模擬結(jié)果顯示，在OX組分收率保持在99.5%和產(chǎn)品中IPB含量保持在0.5%的條件下，對進料進行取熱（保持進料溫度與進料塔盤溫度一致）2.12 MW后，鄰二甲苯產(chǎn)品純度和產(chǎn)品沒有變化，二甲苯回流比降低了約8.6%，塔頂冷卻負(fù)荷降低了約7.8%，但同時塔釜熱負(fù)荷提高了10.6%，而目前情況下鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷用來副產(chǎn)0.8 MPa 蒸汽。也就是說，對原料取熱后鄰二甲苯塔回流比降低，但這只是表面現(xiàn)象，而塔釜熱負(fù)荷不降反增，塔頂副產(chǎn)蒸汽產(chǎn)量降低，故對鄰二甲苯塔原料取熱加熱其他物料沒有實際意義，不具備可操作性。

3.4 進料位置

鄰二甲苯塔DA3601 有3 個進料位置，分別在第30 塊、40 塊和50 塊塔盤，在同樣的進料溫度、壓力、組成和進料流量下，利用Aspen Plus流程模擬軟件對不同OX 產(chǎn)品收率對鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響進行了考察，結(jié)果如表2所示。

從表2 可以看出，在同樣OX 組分收率和IPB含量下，進料位置直接影響著鄰二甲苯塔能耗，在進料位置從第50 塊塔盤提高至第40 塊塔盤時，在產(chǎn)品純度、產(chǎn)量、OX 組分收率基本沒有變化的前提下，鄰二甲苯塔回流比提高約12.7%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約11.8%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約13.1%；如進料位置改至第30 塊塔盤，則不僅OX產(chǎn)品質(zhì)量下降（純度下降、IPB含量達不到0.1%要求），而塔頂冷卻負(fù)荷、塔釜再沸爐負(fù)荷均有更大程度增加。這表明第50塊塔盤是鄰二甲苯塔的最佳進料位置，這與二甲苯進料組成和精餾段塔盤數(shù)有關(guān)，精餾段塔盤數(shù)越多，越利于塔頂物料產(chǎn)品的分離；鄰二甲苯塔進料與第50塊塔盤處塔內(nèi)物料組成更為接近，有利于鄰二甲苯塔能耗的降低。任亞秋的鄰二甲苯工藝流程模擬結(jié)果[4]也表明，同樣的進料下，適當(dāng)增加精餾段塔盤數(shù)有利于提高OX收率。

3.5 產(chǎn)品中異丙苯指標(biāo)

異丙苯是除C8A 其他幾種同分異構(gòu)體外，與OX 沸點最為接近的組分之一，其分離難度較高，因而鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB 的高低，直接影響著鄰二甲苯塔的塔頂冷卻負(fù)荷和再沸爐熱負(fù)荷。利用Aspen Plus 流程模擬軟件，模擬不同IPB 指標(biāo)對裝置冷熱負(fù)荷影響，模擬結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，OX 產(chǎn)品中IPB 的指標(biāo)是影響鄰二甲苯塔能耗的關(guān)鍵因素之一，在IPB 指標(biāo)從0.1%增加到0.5%的過程中，OX 產(chǎn)品純度逐步從99.7%降低至99.3%，產(chǎn)量提高了0.4%，鄰二甲苯塔回流比降低到第一種基礎(chǔ)工況的66.5%左右，塔頂冷卻負(fù)荷降低約31.9%，塔底再沸爐熱負(fù)荷降低了約34.2%。這說明OX產(chǎn)品中IPB控制指標(biāo)對裝置能耗影響極大，在保證裝置OX產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，適當(dāng)放寬控制IPB含量，有利于大幅降低裝置能耗。

表3 不同異丙苯指標(biāo)對裝置冷熱負(fù)荷的影響

3.6 OX 組分收率

在固定進料及產(chǎn)品指標(biāo)條件下，利用Aspen Plus 流程模擬軟件考察不同OX 產(chǎn)品收率對鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同OX 收率對裝置冷熱負(fù)荷的影響

從表4 可知，在進料及產(chǎn)品指標(biāo)條件相同時，OX組分收率直接影響鄰二甲苯塔能耗，在OX組分收率從99%提高到99.9%的過程中，塔釜出料中OX濃度從0.5%減低到0.05%，OX 產(chǎn)品質(zhì)量幾乎沒有變化，產(chǎn)量提高了約0.7%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約39.3%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約45.2%。這說明OX組分收率對鄰二甲苯裝置能耗影響極大，能耗增加幅度明顯高于鄰二甲苯產(chǎn)品產(chǎn)量增加幅度，因此在保證裝置OX 產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，避免過分追求鄰二甲苯組分收率，有利于大幅降低裝置能耗。

進一步的模擬數(shù)據(jù)顯示，如控制OX 收率在98%以上，IPB 控制在0.3%以下時，此時回流比9.12，則OX產(chǎn)品純度可控制在99.5%以上，塔頂冷卻負(fù)荷可以降低至12.64 MW，塔釜熱負(fù)荷可以降低至10.93 MW左右；如同時將IPB控制在0.5%以下時，塔頂冷卻負(fù)荷可以降低至11.48 MW，塔釜熱負(fù)荷可以降低至10 MW以下。

3.7 塔板效率

利用Aspen Plus流程模擬軟件考察了塔盤效率對鄰二甲苯塔冷熱負(fù)荷的影響。結(jié)果表明，在同樣進料、OX 組分收率和產(chǎn)品指標(biāo)條件下，塔盤效率直接影響鄰二甲苯塔能耗，在塔盤效率從75%降低至70%時，產(chǎn)品純度、OX組分收率基本沒有變化，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量降低了約0.3%，鄰二甲苯塔回流比提高約5.8%，塔頂冷卻負(fù)荷提高了約5.3%，塔底再沸爐熱負(fù)荷提高了約6.0%。這說明塔盤效率對鄰二甲苯裝置能耗有較大影響，在可能的前提下，采用高效塔盤替代普通篩板塔盤有利于降低裝置回流比和鄰二甲苯裝置能耗。在同樣的回流比下，選擇高效塔盤可明顯改善精餾塔分離效果，這與DA3601 更換高效塔盤后，OX產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升的情況一致。

4 DA3601 操作優(yōu)化建議

4.1 鄰二甲苯塔再沸爐設(shè)計負(fù)荷限制下的優(yōu)化

從模擬數(shù)據(jù)來看，2018年6月14.1 t/h的OX產(chǎn)量要求下，理論上可以通過控制產(chǎn)品OX 中IPB 含量不大于0.5%，OX收率不低于99%，降低OX產(chǎn)品純度至不小于99.3%的措施，降低DA3601 回流比至經(jīng)濟回流比8.5左右，此時DA3601再沸爐負(fù)荷在10.21 MW，處于芳烴85萬t/a改造后再沸爐設(shè)計負(fù)荷下（10.3 MW），對應(yīng)的凈回流量約為120 t/h。

考慮到模擬誤差，在當(dāng)前進料負(fù)荷下，回流比可保持在9.66（約為經(jīng)濟回流比的1.15倍），則鄰二甲苯塔再沸爐熱負(fù)荷11.77 MW，對應(yīng)的凈回流量約為147 t/h，再沸爐熱負(fù)荷約比經(jīng)濟回流比情況下增加1.47 MW，比實際回流比負(fù)荷可降低3.75 MW，約相當(dāng)于可節(jié)約燃料消耗322 kg/h，以年運行時間8 000 h計，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)油2 576 t。根據(jù)模擬結(jié)果，此時OX 產(chǎn)品純度在99.5%，IPB 含量在0.3%以下，OX收率在99.3%以上，除IPB含量比目前（0.1%以下）略高，OX 純度（99.8%左右）略低外，與目前鄰二甲苯塔分離效果略低，但產(chǎn)品保持在優(yōu)級品，且節(jié)能效果顯著。

4.2 DA3601 最大OX 產(chǎn)品產(chǎn)量探討

模型數(shù)據(jù)顯示，以鄰二甲苯塔再沸爐原設(shè)計負(fù)荷為基礎(chǔ)，DA3601最大進料量為63.8 t/h，對應(yīng)的OX產(chǎn)品產(chǎn)量為19.8 t/h，此時，經(jīng)濟回流比為8.43，對應(yīng)的回流量約170 t/h，與當(dāng)前實際回流量相當(dāng)。實際操作中，為確保OX 產(chǎn)品的穩(wěn)定性，OX 產(chǎn)品產(chǎn)量會有5%左右的降低，即在再沸爐設(shè)計負(fù)荷下，最大OX產(chǎn)能應(yīng)在18.8 t/h左右。

4.3 優(yōu)化建議

1）低OX產(chǎn)量下鄰二甲苯塔回流比優(yōu)化

在當(dāng)前鄰二甲苯進料組成和O X 產(chǎn)品產(chǎn)量（14.7 t/h）下，建議放寬OX產(chǎn)品中IPB濃度至0.5%，控制OX回收率至99.0%，從而在保持OX產(chǎn)品純度在99.3%以上的情況下，鄰二甲苯塔回流比可從目前的12.66 左右降低至9.66 左右，再沸加熱爐熱負(fù)荷可降低3.75 MW，預(yù)計可節(jié)約燃料322 kg/h；此時鄰二甲苯塔再沸爐熱負(fù)荷11.77 MW，小于再沸爐設(shè)計熱負(fù)荷13.69 MW。

2）高OX產(chǎn)量下鄰二甲苯塔回流比優(yōu)化

在當(dāng)前進料組成下，如需最大化生產(chǎn)OX，可實施鄰二甲苯產(chǎn)品卡邊操作，即放寬OX產(chǎn)品中IPB濃度至0.5%，降低OX 回收率至98%～99%，通過增加進料量，可控制OX 產(chǎn)品純度在99.3%以上的情況下，保持適當(dāng)?shù)幕亓鞅认聦⑧彾妆剿M料量增加至63.8 t/h，此時鄰二甲苯產(chǎn)量為18.8 t/h左右，再沸爐負(fù)荷略小于設(shè)計熱負(fù)荷。

5 結(jié)論

從鄰二甲苯塔模擬優(yōu)化情況可以看出，當(dāng)前DA-3601塔鄰二甲苯產(chǎn)品存在質(zhì)量過剩情況，建議采取以下優(yōu)化措施，摸索嘗試降低鄰二甲苯單元能耗，提升裝置經(jīng)濟效益。

1）低負(fù)荷下鄰二甲苯塔優(yōu)化

通過放寬鄰二甲苯中IPB 控制指標(biāo)在0.5%以下，控制鄰二甲苯回收率在99%左右的方法，大幅降低鄰二甲苯回流比和塔釜再沸爐熱負(fù)荷，此時對應(yīng)OX 產(chǎn)品純度在99.3%左右。因預(yù)期節(jié)能效果明顯，建議盡快開展降低回流比實驗，并逐步摸索DA3601塔頂OX產(chǎn)品中IPB上限指標(biāo)，避免能源無效消耗。例如可控制OX 產(chǎn)品中IPB 含量在0.4%～0.6%，并與歧化單元OX 產(chǎn)品調(diào)和的方式，確保外供鄰二甲苯產(chǎn)品中IPB含量在0.5%以下。

2）高負(fù)荷生產(chǎn)下鄰二甲苯塔優(yōu)化

在高產(chǎn)OX 時，為避免DA3601 再沸爐負(fù)荷過高，可在控制鄰二甲苯中IPB 含量的基礎(chǔ)上，進一步降低OX 產(chǎn)品收率至98%～98.5%，以適當(dāng)犧牲OX 收率為代價，確保鄰二甲苯塔再沸加熱爐熱負(fù)荷低于設(shè)計熱負(fù)荷（約為設(shè)計的96%），降低再沸爐最終排煙溫度和鄰二甲苯塔頂冷卻負(fù)荷，確保裝置的長周期安全穩(wěn)定運行。