基于PRO/II的甲苯歧化及烷基转移单元模拟策略研究

陈 婷，路 平，雷 杨，胥桂萍

（1.江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056；2.武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 430081）

基于PRO/II的甲苯歧化及烷基转移单元模拟策略研究

陈 婷1，路 平1，雷 杨2，胥桂萍1

（1.江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056；2.武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 430081）

歧化及烷基转移单元是芳烃联合装置中的重要组成部分，针对歧化及烷基转移单元运用流程模拟软件PRO/II进行建模，为整个流程的优化设计提供基础。运用PRO/II对国内某石化厂典型歧化及烷基转移单元进行建模，对采集的数据进行校核。模拟结果显示，现场采集的数据与模拟结果基本吻合，表明所运用的流程模拟策略是合理的。

歧化及烷基转移单元；PRO/II；流程模拟；数据校核

0 引言

芳烃联合装置主要包括重整、歧化及烷基转移、异构化、吸附分离、萃取分离和二甲苯分离等单元，各个单元之间存在复杂的物料和能量关联关系。甲苯歧化及烷基转移单元是芳烃联合装置中重要的工艺过程之一，该单元的主要目的是将相对过剩并且直接用途比较少的甲苯和C9芳烃转化成用途广泛的苯和对二甲苯［1-2］。甲苯歧化及烷基转移反应的本质是芳烃侧链的烷基基团在芳环之间的移动以及重排［3］。在芳烃联合装置中，此单元可大幅度增产苯和对二甲苯，还可通过改变进料组成，调整产品结构，提高芳烃的利用水平。

流程模拟软件PRO/II由SIMSCI公司开发，该软件用数学模型对各个操作单元以及整个工艺流程进行描述和模拟，是一种可以将全流程视为一个整体的大型综合性计算模拟软件，它包含了巨大的化学组分库和热力学方法，因此，较其他软件而言，该软件可运用于很多领域，如化学、石油化工、天然气、合成燃料等，可提供比较正确及可靠的模拟计算功能［4］。因此，笔者运用流程模拟软件PRO/II对甲苯歧化及烷基转移单元进行建模和探讨，校核采集的现场数据，为后续的整个流程的优化提供基础。

1 甲苯歧化及烷基转移单元工艺流程建模

芳烃联合装置中的甲苯歧化及烷基转移单元是整个装置中重要的生产单元之一，该单元生产的主要原理是在氢气和催化剂存在的条件下，以芳烃联合装置中价格相对较低廉的C9芳烃、甲苯以及少量的C10芳烃为原料进行烷基转移反应，生成C8芳烃和苯［5］。

此单元包括10台换热器、3座分馏塔和1台加热炉。在本研究中，运用流程模拟软件PRO/II对歧化及烷基转移单元进行模拟，模拟流程中不涉及歧化反应部分。相关操作参数见表1，采用PRO/II建立的模拟流程如图1所示。

表1 歧化及烷基转移单元主要操作参数Tab.1 Key parameters of disproportionation and transalkylation unit

图1 歧化及烷基转移单元流程模拟图Fig.1 Process simulation chart of disproportionation and transalkylation unit

2 热力学方法的选择

热力学方法库是流程模拟系统中最重要的组成部分，物性方法选择在一定程度上决定了模拟结果的准确性。针对所模拟的物系性质，选择适当的热力学方法至关重要。流程模拟软件PRO/II提供了普遍化方法、液相活度系数法、专用数据包法等方法，可以对不同流体的气液、液液平衡常数以及熵、焓、密度等参数进行模拟计算。热力学方法均有一定的适用范围，根据不同的物系应选择最合适的热力学方法。图2为根据模拟物系特性进行热力学方法选择的经验归纳［6］。歧化及烷基转移单元是含石油馏分、芳烃、氢及水的混合物，组分多，物性复杂。对于该临氢物系，可采用Soave-Redich-Kwong（SRK）状态方程法和Peng-Robinson（PR）方法，在本研究中对汽提塔、分馏塔以及换热网络的模拟热力学方法均采用SRK状态方程法。

图2 流程模拟热力学方法选择依据Fig.2 Selection basis of thermodynamic methods for process simulation

3 反应流出物的模拟

歧化反应一方面存在较复杂的反应机制和比较多的反应类型，另一方面又难以直接测定反应产物的组成，因此如何正确地模拟反应产物成为整个流程模拟正确与否的关键所在。在过程动力学的研究范畴内，能较好地将试验数据进行集合的模型有关联模型和集总模型，它们能够较好地预测反应的转化率以及产品的分布，但计算过程复杂。对于模拟以过程热力学为研究对象的流程，如果计算反应油气的组成使用上面介绍的模型，就会导致计算过程复杂，准确度难以保证，因此需考虑其他方法。

在整个歧化工艺过程中，仅有歧化反应涉及化学转化过程，前后物流的换热和分离等其他过程都为物理变化过程，因此可以按照物料守恒原则，由产品来反推反应油气的组成［7-8］。

运用产品反推合成反应产物的方法模拟歧化反应产物组成简便易行。但在实际应用中，直接通过产物反推拟合而成的虚拟反应产物组成与实际产物的组成存在着误差。对实际油品数据的采集及进行分析的过程中，因为轻组分流失以及分析精度等原因，使得采集的数据存在一定误差［9］。真实再现反应产物的组成是准确进行流程模拟的基础，对模拟体系中的产品质量及操作参数会产生一定的影响，因此，在模拟过程中全面考虑各种因素，在一定范围内适当调整虚拟反应油气的组成，可使模拟结果与实际工况更为接近［10-11］。

综上所述，对歧化反应产物等难以直接测定具体组分的物流，可依据物料平衡的原则，利用产品物流反推反应产物组成的方法，综合考虑产品质量、产品分布等实际情况对其进行微调，以得到较准确的模拟所需的物流组成数据。

4 理论塔板的折算

在运用模拟软件PRO/II进行分馏塔的模拟计算时，以运用理论平衡级计算为主，假设每块塔板均达到完全的气液相平衡。在对各个分馏塔进行模拟计算时，通过对塔板效率进行合理的选取，将实际塔板数折算成为理论塔板数。塔板效率的取值一般按照经验值进行选取［12］。为简便计算，多数模拟过程中通常选取一个固定的塔板效率。但实际上，由于塔内各塔板气液负荷差别较大，使得各塔板的传质有较大差别，影响效率。另外，采用固定的塔板效率进行模拟也难以达到工程中的计算精度要求，所以需要适当降低塔板数，从而使得全塔理论塔板数和实际情况一致。

本研究涉及的各分馏塔模拟过程中，根据进、出料位置划分不同塔段，采用分段选择塔板效率的方法进行模拟计算，依据各分馏塔的实际作用与特点，按其实际分离能力的不同，根据经验值进行适当选择［13］。模拟计算中各分馏塔的理论板数折算见表2，主要根据经验进行估算。通常，在模拟过程中，需要在一定范围内适当地将塔板效率进行调整，直到塔板上各点的温度、物料流量以及产品馏程等模拟数据和采集的实际操作数据达到大致吻合。

表2 歧化及烷基转移单元各塔板数折算结果Tab.2 Results of conversion of plates number for disproportionation and transalkylation unit

5 塔工艺规定的选择

在模拟过程中，工艺规定选取是否合理决定了模拟计算收敛及结果的准确可靠程度。塔的工艺规定是指产品流量、产品质量、塔板温度等模拟所要求的目标，对应的变量通常是产品的流量、塔顶冷凝负荷、塔底再沸负荷等，不同的塔设备的工艺规定和变量根据不同情况而有所不同。本研究的歧化及烷基转移单元中汽提塔、苯塔和甲苯塔所采用的工艺规定及变量如表3所示。

表3 各塔的工艺规定和变量Tab.3 Process requirements and variables of towers

6 模拟结果

对已经建立在PRO/II软件平台上的工艺流程进行运行和计算，表4为相应的计算结果和标定值的对比情况。从表中数据比较可以看出，标定值和模拟值的差值在工程所要求的范围之内，因此，所选用的模拟策略是合理的。

表4 各塔的模拟值与标定值对比Tab.4 Simulation results and calibration values for towers

7 结语

利用流程模拟软件PRO/II对歧化及烷基转移单元进行建模，探讨其模拟策略，包括工艺流程的建模、热力学方法的选择以及反应流出物的模拟方法，根据采用的模拟策略，得到的模拟结果与工程采集的数据基本吻合。表明所提出的模拟策略是合理的，该歧化及烷基转移单元流程模拟程序包为后续的过程优化提供基础。

（References）

［1］邱江.芳烃生产技术现状及研究进展［J］.当代化工，2006，35（5）：313-317.

［2］CHEN T，ZHANG B J，CHEN Q L.Heat integration for fractionating systems in para-xylene plant based on column optimization［J］.Energy，2014，72（1）：311-321.

［3］陈婷.基于热力学分析的芳烃联合装置能量集成与优化研究［D］.广州：中山大学，2014.

［4］魏忠，扬宇晖.利用PRO/II软件对常减压蒸馏流程的模拟［J］.沈阳化工，2000，29（3）：171-174.

［5］袁芳.芳烃联合装置系统能量集成与应用研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

［6］CARLSON E C.Don′t gamble with physical properties for simulations［J］.Chemical Engineering Process，1996，10：35-46.

［7］苏文生.芳烃装置流程模拟及工业应用［J］.石化技术，2009，16（2）：30-33.

［8］杨德明，匡华.芳烃热集成精馏的模拟研究［J］.石油化工高等学校学报，2001，14（1）：25-28.

［9］姚玉瑞，李双.芳烃系列装置生产方案的整体优化模拟［J］.计算机与应用化学，2006，23（8）：694-696.

［10］王乐，王建平.芳烃联合装置模拟与优化（Ⅲ）—甲苯歧化/烷基转移单元的模拟与优化［J］.中外能源，2013，18（12）：76-79.

［11］颜艺专.具有化学转化的炼油装置模拟和用能优化研究［D］.广州：华南理工大学，2008.

［12］叶剑云.加氢裂化装置工艺用能分析与优化［D］.广州：华南理工大学，2010.

［13］王洪江.流程模拟计算中关于塔板效率选择的技巧［J］.石化技术，2003，10（1）：31-33.

（责任编辑：陈 旷）

Simulation Strategies of Methylbenzene Disproportionation and Transalkylation Based on PRO/II

CHEN Ting1，LU Ping1，LEI Yang2，XU Guiping1
（1.School of Chemistry and Environmental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；2.School of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，China）

Disproportionation and transalkylation is an important part of the aromatics unit.Process simu⁃lation software PRO/II was used to simulate the process，which provided the basis for the optimization de⁃sign of the whole process.In this paper，a typical domestic disproportionation and transalkylation unit was modeled with PRO/II and the collected data were checked.The simulation results showed that the data col⁃lected in the factory were consistent with the simulation results，which indicated that the strategies of pro⁃cess simulation was reasonable.

disproportionation and transalkylation unit；PRO/II；process simulation；data checking

TP319

：A

：1673-0143（2015）06-0533-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.06.010

2015-09-10

江汉大学博士科研启动经费资助项目（2014020）

陈 婷（1984—），女，讲师，博士，研究方向：过程系统节能与优化。