基于Aspen Plus软件的对二甲苯生产工艺全流程模拟及优化

夏国政，段昌义，邹琳玲，晋 梅

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

对二甲苯是一种重要的有机化工原料，在化纤、合成树脂、农药、医药、塑料等诸多化工生产领域有着广泛的用途。近年来，随着聚酯工业的迅速发展，带动国内对二甲苯产能不断增加[1-2]。常用于生产对二甲苯的方法主要有芳烃联产法(催化重整)、甲苯选择性歧化法、甲苯甲基化法、芳烃异构化法和生物基法[3]。其中，芳烃联产法具有技术成熟、产量大、产率高和利润大的优势，然而，工艺路线过长且原料成分复杂、投资大、投资回收期长；甲苯选择性歧化法的特点是工艺流程简单、投资小、生产成本低，但必须与下游产品的生产装置联合才能避免经济效益较低；甲苯甲基化法具有选择性高、催化剂可循环再生利用的特点，然而生产成本较高、污染较大、且产品单一、副反应多；芳烃异构化法工艺简单、转化率高，原料可循环利用，但也存在原料来源较少导致的无法大规模生产的弊端；生物基法成本低、环保，但工艺尚不成熟、生产过程复杂以及操作难度大[3-5]。本文提出对二甲苯的生产工艺可采用甲苯择形歧化和苯甲基化相结合的工艺生产技术，可提高原料甲苯的利用率，并尽可能将副产物苯转化为目的产物，相比于其他工艺生产过程而言，具有原料利用率高、环境污染小、副产少以及能耗、物耗和投资都相对较低的优势，具有较好的发展前景。

Aspen Plus软件是基于稳态化工模拟、灵敏度分析、优化和经济评价的大型化工流程模拟软件，具有完备物性系统和完整单元操作模型库，可用于各单元操作过程模拟及全工艺流程的模拟[6]。另外，Aspen Plus还可用于工艺过程的研究开发、工厂建设和操作过程等的技术经济评价，在化工和石化行业中得到广泛应用。本文采用Aspen Plus软件，对甲苯择形歧化和苯甲基化相结合进行对二甲苯的生产工艺进行流程模拟与优化，为对二甲苯工业化生产提供思路。

1 对二甲苯生产工艺模拟流程

采用甲苯择形歧化和苯甲基化相结合的工艺生产对二甲苯的工艺流程包括三个工段：甲苯择形歧化工段、苯烷基化工段和分离提纯工段，其模拟工艺流程图如图1所示。

图1 对二甲苯生产模拟流程图

1.1 甲苯择形歧化工段

工业甲苯进入混合器M1，经加热炉H1加热至350℃后进入径向平推流反应器R1，R1操作条件为：反应温度350℃，反应压力1.5 MPa，采用改性ZSM-5分子筛，反应转化率36%，选择性87%，质量空速4 h-1。在R1中，主反应为甲苯择形歧化，副反应为对二甲苯的脱甲基化和对二甲苯的异构化。反应产物通过换热器H2将温度降至60℃后经闪蒸罐S1进行分离，塔顶乙烯送去储罐，塔底产物加压后进入苯塔T1。T1塔顶物料苯调节温度后送入到混合器M2，塔底物料调节压力温度后进入甲苯塔T2。T2塔顶分离出甲苯循环回混合器M1循环利用，塔底产物调节温度后送至分离提纯工段。

1.2 苯烷基化工段

来自甲苯择形歧化工段T1塔顶的苯进入混合器M2与工业级甲醇预混合，通过加热炉H3预热至394℃后送入烷基化固定床反应器R2，反应温度为394℃，反应压力为1.2 MPa，采用改性HP/ZSM-5分子筛，反应转化率48%、选择性50%，质量空速为8 h-1，主反应为苯烷基化生成甲苯，副反应为甲苯进一步烷基化生成二甲苯、三甲苯。反应产物反经过换热器H4将温度调节至60℃送至闪蒸罐S2，S2顶部分离出甲醇和一小部分苯，底部水、苯和甲苯送至倾析器S3分离为水相和有机相，其中有机相经调节温度和压力后送入苯塔T3，T3塔顶产物苯调节温度后循环回混合器M2，塔底出料送至甲苯塔T4分离出甲苯循环回混合器M1循环利用，T4塔底出料送至分离提纯工段。

1.3 分离提纯工段

甲苯择形歧化工段和苯烷基化工段产生的混二甲苯经混合器M3混合后，进入吸附分离提纯工段，采用UOP的 Parex 专利技术，在S4中将对二甲苯与其同分异构体进行分离，吸附剂采用ADS-27吸附剂，解吸剂采用对二乙基苯，吸附分离后得到纯度不低于99.5%的对二甲苯。

2 流程模拟结果

2.1 物性方法和模块选择

在Aspen Plus软件中，物性方法中NRTL方程适用于二元和多元的汽液平衡，且适用于完全互溶和部分互溶体系，能够准确模拟非理想汽液和液液平衡[6]，适用于对二甲苯生产过程，因此，选择NRTL物性方法。

图1所示的模拟流程中所涉及的单元设备主要有反应器、分离罐、换热器、精馏塔和泵等。在模拟计算中，反应器用RStoic模块；精馏塔先用DSTWU模块(简捷设计模块)模拟出回流比、塔板数和进料位置，之后用RadFrac模块(严格计算模块)进行严格核算，并采用灵敏度分析进行操作条件的优化；换热器采用Heater模块模拟物流换热过程，换热网络优化完成后换用HeatX模块；泵用Pump模块；混合器用Mixer模块；分离罐用Sep模块。

2.2 初步流程模拟结果

纯度不低于99.5%对二甲苯的工艺流程模拟以生产实际装置数据为模拟计算基础数据，实现工艺流程的物料衡算，初步物料衡算流程模拟结果如表1所示。

表1 对二甲苯生产过程初步物料平衡表(质量分数 %)

2.3 精馏塔灵敏度分析及优化

表2 精馏塔T1、T2、T3和T4的优化结果

为了达到节能的目的，在初步流程模拟计算结果的基础上，对图1中甲苯择形歧化工段中苯塔T1和甲苯塔T2、苯烷基化工段苯塔T3和甲苯塔T4进行灵敏度分析及操作条件的优化，使四个精馏塔的热负荷最优。在灵敏度分析过程中，根据理论板数、回流比、进料位置、D/F对塔底流率、塔顶流率、再沸器热负荷的影响以获得精馏塔的优化参数，结果如表2所示。

2.4 流程模拟校核结果

在初步流程模拟结果的基础上，通过对精馏塔进行灵敏度分析及操作条件的优化后，重新进行全流程模拟校核，获得如表3的校核结果。

表3 对二甲苯生产过程物料衡算表 (质量分数 %)

2.5 讨论

采用甲苯择形歧化和苯甲基化相结合的工艺生产对二甲苯的全流程物料平衡表3和初步模拟结果的物料平衡表1相比，可以得出：

(1)原料和产品的质量分数含量稍有差异，说明精馏塔的灵敏度分析和优化结果对全流程的模拟结果有一定的影响，但是影响并不大，这主要是模拟过程中采用了工业基础数据进行初步模拟所致。

(2)从产品组成可获得对二甲苯的纯度为99.54%，满足产品的纯度要求。

(3)原料中甲醇的循环利用率为100%，甲苯的有效利用率为95%，说明原料的利用率高。

(4)以100 kg/h原料计，可生产产品对二甲苯67.37 kg/h，副产物为水、间二甲苯、邻二甲苯以及三甲苯，副产水量为14.35 kg/h，占整个副产物的44.0%，说明副产物较少，对环境污染较小。

(5)以塔热负荷最优为优化目标，通过对精馏塔进行灵敏度分析后得到精馏塔的操作条件，意味着在该操作条件下，精馏塔能耗相对较小。

3 结论

本文采用Aspen Plus软件对所提出甲苯择形歧化和苯甲基化相结合生产对二甲苯的工艺技术进行模拟计算。在初步模拟计算的基础上，根据塔热负荷最优的优化目标，对甲苯择形歧化工段中苯塔T1和甲苯塔T2、苯烷基化工段苯塔T3和甲苯塔T4进行灵敏度分析并获得优化操作条件。在此基础上，对对二甲苯生产流程的模拟结果进行校核，从校核后的全流程模拟结果可以看出，所提出甲苯择形歧化和苯甲基化结合工艺进行对二甲苯的生产过程，可获得对二甲苯纯度为99.5%，另外，该工艺还具有原料利用率高、副产物量少且对环境污染较小的优势。