PX吸附分离技术核心内构件开发

2017-10-16朱振兴王少兵戴厚良

石油学报（石油加工） 2017年5期

关键词：压力降格栅均匀度

朱振兴，王少兵，戴厚良

(1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083； 2.中国石油化工股份有限公司，北京 100728)

PX吸附分离技术核心内构件开发

朱振兴1，王少兵1，戴厚良2

(1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083； 2.中国石油化工股份有限公司，北京 100728)

对二甲苯(PX)是一种重要的有机化工原料，工业上主要采用逆流模拟移动床吸附分离技术(AST)生产高纯度对二甲苯。格栅作为吸附塔的内构件，是模拟移动床吸附分离技术的核心之一。根据格栅的功能，开发了ACG基准格栅，运用冷模实验和计算流体力学相结合的方法，对ACG基准格栅进行优化，开发出性能优良的ACG-Ⅰ格栅。针对3×104t/a PX工业装置，将ACG-Ⅰ格栅进行放大试验。运行情况表明，开发的ACG-Ⅰ格栅性能优良，工业数据与CFD模拟数据比较吻合。

对二甲苯(PX)；吸附；格栅；冷模试验；计算流体力学(CFD)；分布

Abstract：Para-xylene (PX)， is an important organic chemical material, which is usually purified from xylene isomers through Adsorption Separation Technology (AST) in a Simulated Moving Bed (SMB). As a key technology of SMB, the grid inside the adsorption tower is always a wall prevented the complete set of AST from nationalization. A method combined computational fluid dynamics (CFD) with cold test was applied in conquering this barrier. An ACG reference grid was developed based on the functions of the grids. Then a series of CFD simulations and cold tests were carried out to optimize the ACG grids and proved the reliability of the developing method. After incessant optimization, a high-performance grid, ACG-Ⅰ, was developed and scaled up for a PX demonstration plant with annual output of 30000 ton. It can be shown from the operating data that the performances of the ACG-Ⅰare very excellent, and the deviation of the value of pressure drop of the grid between the operating data and CFD data is very small.

Keywords：para-xylene (PX); adsorption; grid; cold test; computational fluid dynamics (CFD); distribution

对二甲苯(Para-xylene，简称PX)是一种重要的有机化工原料，主要用于生产对苯二甲酸(PTA)。中国是世界最大的PTA生产国，但是国产PX缺口巨大，2016年自给率仅有44.3%。国外PX出口商掌握着较大的市场话语权，导致整个产业链的利润受制于人，产业链风险凸显。为满足市场日益增长的需求，增加国内PX产量势在必行[1-3]。

工业上主要采用逆流模拟移动床吸附分离技术生产高纯度PX。除吸附剂外，吸附分离技术的核心为吸附室内构件和控制系统。2011年以前，全世界工业化的吸附分离技术主要有2种，即美国UOP公司的Parex工艺[4-6]和法国AXENS公司的Eluxyl工艺[7-8]。目前，中国的PX装置大多是从国外引进的，以Parex工艺为主。

2002年，中国石化石油化工科学研究院即已开发出RAX-2000A型吸附剂，工业应用结果表明，在PX纯度为99.7%(质量分数)时，PX收率可达99.1%[9]。随后相继有性能更加优异的新型吸附剂不断推出[10-11]。然而，由于缺乏吸附塔核心内构件——格栅和吸附分离专用控制系统等专有技术，始终无法实现PX吸附分离技术的完全国产化。2009年，中国石油化工股份有限公司组织攻关组，针对包括格栅和控制系统等模拟移动床吸附分离核心技术在内的成套芳烃生产技术进行系统研发。2011年10月，自主知识产权的模拟移动床吸附分离技术RAS-PX，在中国石化扬子石油化工有限公司3×104t/a PX工业示范装置成功实现工业应用，标志着中国石油化工股份有限公司成为世界上第三家拥有该技术的企业。2015年，包括格栅等模拟移动床吸附分离技术在内的“高效环保芳烃成套技术”获得了2015年度国家科技进步特等奖。

格栅将吸附塔分割为若干独立而连通的吸附剂床层，除了支撑上游吸附床层的吸附剂，阻挡其进入格栅内部外，它的主要功能是收集上游吸附床层流入的流体，将原料和解吸剂等外部流体导入吸附塔，将抽出液和抽余液等流体抽出吸附塔，强化流体在其内部的混合，使流体均匀地分配到下游吸附床层。

复杂的功能决定了格栅开发具有很大难度。首先，格栅在一个尽量小的空间内实现流体的收集、混合和分配功能，同时还要包括支撑上游吸附床层载荷的结构。其次，吸附塔直径一般在3～8 m，有些超大型装置可达11 m，而每个吸附床层的高度一般在1 m左右，在如此小的高/径比的薄饼型床层内实现物流的均匀分配极其困难。模拟移动床工艺过程中每个步进时间内，流过格栅的流体的组成和流量差异较大，对格栅的压力降、混合和分配效果等性能指标有较大影响。

笔者运用计算流体力学和冷模试验相结合的方法，解决了薄饼型床层物流分配和流量匹配性问题，开发出具有自主知识产权的吸附塔核心内构件——格栅，为模拟移动床吸附分离技术完全国产化奠定坚实的基础。

1 ACG格栅开发

基于格栅的功能，朱振兴等[12]提出ACG基准格栅，作为后续研究的基准。图1为ACG基准格栅几何结构示意图。吸附塔的一层格栅由4个条块格栅拼成，每块格栅均包括1个物料导入和抽出管、阻挡吸附剂但允许流体通过的上下表面、流体收集板、缓冲室、流体整流部件、流体分配部件和支撑结构[12]。

图1 ACG基准格栅几何结构示意图Fig.1 Model of ACG reference grid

1.1ACG基准格栅的CFD模拟

根据实际PX吸附分离工艺条件，运用CFD模拟[13-16]，计算100%负荷下导入解吸剂对二乙苯(PDEB)的工况，可得到ACG基准格栅下方6 mm处的速度分布和解吸剂质量分数分布，如图2所示。

由图2可知，ACG基准格栅下方的流体速度分布和解吸剂质量分数分布都不均匀。为了进一步考察格栅的混合分配性能，引入标准偏差计算截面的不均匀度(σ)[17]：

(1)

由表1可知，ACG基准格栅的流速不均匀度和浓度不均匀度都一般，性能等级评价为合格，有很大改进的余地。

图2 ACG基准格栅下方流场分布Fig.2 Flowing distributions under the ACG reference grid(a) Velocity distribution; (b) Mass fraction distribution of PDEB

Δp/kPaVelocityuniformityMixinguniformity1.550.1560.179

1.2ACG基准格栅优化

ACG基准格栅的主要问题是流体混合时间不足及分配结构的阻力与流体流动路径不匹配。因此，在格栅内部增加延长流体混合时间的部件，同时调整流体整流和分配部件的开孔率，得到了ACGm格栅，其中m为01～05。运用CFD模拟考察不同流量下ACGm格栅的压力降(Δp)、分配不均匀度和混合不均度，结果如图3所示。

由图3可知，随着结构优化，ACGm格栅压力降增大，流动不均匀度和混合不均匀度越来越小。随着流量的增加，ACGm格栅的压力降增大，流动不均匀度和混合不均匀度下降。其中，ACG04[18]和ACG05[19]2种格栅在低流速和高流速下都有较好的混合分配性能，更适合于模拟移动床这种床层内流量随时间变化较大的工艺。ACG04格栅的混合效果更好，ACG05格栅的分配性能更优。

2 ACG格栅冷模试验

为了进一步研究格栅的流体力学性能，建立了一个直径0.96 m冷模试验装置，评价ACGm格栅，并对CFD模拟参数进行校正。将ACGm格栅至于装置中间，上方和下方均填充惰性瓷球，在其上方和连接物料导入/抽出管处设置示踪剂释放装置，在ACGm格栅下方设有多路光纤探测仪，在装置底部设有电导率仪。

采用单点电导法评价ACGm格栅的分配性能，在ACGm格栅上方脉冲注入一定量的示踪剂盐水，通过塔底出口设置的电导率仪，获得示踪剂浓度随时间变化的停留时间分布(RTD)曲线。通过RTD曲线的形状和积分面积的方差可以判断流体分配效果[20]。

图3 ACGm格栅的性能对比Fig.3 Comparisons of ACGm grids with different flow rate(a)Δp; (b) Velocity uniformity; (c) Mixing uniformity ACG reference grid; ACG01; ACG02; ACG03; ACG04; ACG05

采用多路光纤脉冲示踪法ACGm格栅的混合效果，由格栅导入/抽出管脉冲注入一定量的示踪剂红墨水，通过格栅下方设置的多路光纤探测仪，可测定多个检测点的示踪剂浓度随时间变化曲线，对每个点的浓度曲线积分，可得到单位时间流过每个点的流体中示踪剂的量，由式(1)计算示踪剂量的不均匀度可判断侧线输入流体与主流体混合均匀性。

2.1格栅分配性能评价

图4为ACG基准格栅和ACG05格栅的RTD曲线。由图4可知，相比于ACG基准格栅， ACG05格栅的示踪剂RTD曲线峰宽较窄且曲线拖尾现象明显减小，说明ACG05格栅的流体分配性能明显优于ACG基准格栅。

图4 ACG格栅的RTD曲线Fig.4 RTD profiles of ACG grids(a) ACG reference grid; (b) ACG05 grid

图5为ACG基准格栅、ACG04格栅和ACG05格栅的停留时间方差曲线。3种格栅的方差均随流速增大而降低，说明高流速有利于流体的分配。流速低于120 m3/h-1时，ACG04和ACG05格栅的方差均小于ACG基准格栅，ACG05格栅的方差最小，说明ACG05在较宽的流速范围内均具有更好的分配效果。

图5 ACG格栅的停留时间方差曲线Fig.5 Variance of RTD profiles of ACG grids ACG reference grid; ACG04 grid; ACG05 grid

2.2格栅混合性能评价

ACG基准格栅、ACG04格栅和ACG05格栅的混合不均匀度随流量变化曲线如图6所示。

图6 ACG系列格栅混合不均匀度曲线Fig.6 Mixing uniformity of ACG grids ACG reference grid; ACG04 grid; ACG05 grid

由图6可知，在一个很宽的流量范围内，ACG04格栅和ACG05格栅的混合不均匀度都小于ACG基准格栅。其中，ACG04格栅在流速较低时的混合不均匀度最小，说明其混合效果最佳。

2.3CFD模拟的冷模试验验证

通过冷模试验可知，CFD模拟得出的格栅性能评价结论与冷模试验一致。通过比较ACGm格栅CFD模拟计算出的压力降与冷模试验测得的压力降(见图7)，可进一步验证CFD模拟的可靠性。

图7 ACGm格栅压力降(Δp)CFD模拟值与冷模试验值Fig.7 Pressure drop (Δp) of ACG grids from CFD and cold test(a) ACG reference grid; (b) ACG01 grid; (c) ACG02 grid; (d) ACG03 grid; (e) ACG04 grid; (f) ACG05 grid Data of cold test; Data of CFD simulation

由图7可知，CFD模拟出的压力降值与冷模试验数据对比，二者数据吻合较好。根据试验数据，不断对CFD模拟参数进行校正，CFD模拟数据与冷模试验数据越来越吻合。

3 ACG-Ⅰ格栅开发与放大

由上文可知，ACG04格栅具有较好的混合性能，ACG05格栅具有更好的流体分配性能，综合2种格栅的特点，开发了ACG-Ⅰ格栅。ACG-Ⅰ格栅混合部分设置迷宫结构，延长流体的混合时间，从而强化混合效果。分配部分设置匹配不同区域流体阻力的流体整流部件和分配部件，强化流体在较长的流动路径下的分配效果。

CFD模拟得到的ACG-Ⅰ格栅下方的流速分布和PDEB质量分数分布如图8所示。由图8可见，二者分布都很均匀。进一步计算表明，ACG-Ⅰ格栅的压力降为1.44 kPa，流动不均匀度为0.075，混合不均匀度为0.051，具有非常好的混合和分配效果。

针对中国石化扬子石油化工有限公司3×104t/aPX工业示范装置(简称PX工业示范装置)，将ACG-Ⅰ格栅放大，结构如图9所示。运用CFD模拟考察放大后的ACG-Ⅰ格栅的混合分配性能(见图10)，二者分布仍然很均匀。放大后的ACG-Ⅰ格栅仍然具有非常好的混合、分配效果。放大优化后，ACG-Ⅰ格栅的压力降降低到1.15 kPa，流动不均匀度为0.096，混合不均匀度为0.085，压力降比放大前略有下降，但是综合性能仍保持优良。

图8 ACG-Ⅰ格栅CFD模拟结果Fig.8 CFD results of ACG-Ⅰ(a) Velocity distribution; (b) Mass fraction distribution of PDEB

图9 PX工业示范装置的ACG-Ⅰ格栅结构Fig.9 Model of the scaled up ACG-Ⅰ fora PX demonstration plant

为了进一步验证开发过程的可靠性，采集示范装置不同流量下格栅压力降的数据，将其与CFD模拟预测的格栅压力降数据对比，如图11所示。未经过冷模试验校正的CFD模拟预测的格栅压力降与PX工业示范装置测量的压力降基本吻合，二者最大偏差小于10%，经过冷模试验校正后，CFD模拟值与PX工业示范装置测量值非常吻合，再次证明CFD模拟是可靠的，但是必须经过冷模试验进行校正。

图10 PX工业示范装置的ACG-Ⅰ格栅性能预测Fig.10 Prediction of the performances of ACG-Ⅰ for a PX demonstration plant(a) Velocity distribution; (b) Mass fraction distribution of PDEB

图11 PX工业示范装置压力降(Δp)测量值与预测值比较Fig.11 Comparison of pressure drop (Δp) of ACG-Ⅰbetween measured data and CFD predicted data Measured data from PX demonstration plant; Predicted data of CFD; Predicted data of CFD with cold test

4 结论

运用CFD模拟与冷模试验相结合的方法开发出ACGm格栅。ACGm格栅的流动和混合均匀性均随压力降增加而提高，随流量减小而降低，ACG04具有最好的混合均匀性，ACG05具有最好的分配均匀性。综合ACG04和ACG05格栅的优点，开发了ACG-Ⅰ格栅。CFD模拟证明，ACG-Ⅰ格栅具有优秀的混合分配性能。

针对中国石化扬子石油化工有限公司 3×104t/a PX工业示范装置，将ACG-Ⅰ格栅进行放大，并运用CFD模拟预测其性能。工业应用结果证明，ACG-Ⅰ格栅性能优秀。运用冷模试验和工业现场测得的ACGm格栅压力降与CFD模拟的预测值比较，二者比较吻合，证明格栅开发方法是可靠的。

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DevelopmentofKeyInternalsofAdsorptionSeparationTechnologyforPX

ZHU Zhenxing1, WANG Shaobing1, DAI Houliang2