芳烃抽提装置的节能优化

22CHEMICALENGINEERING DESIGN化工设计2020,30(5)

芳烃抽提装置的节能优化

赵勇*中国石油化工股份有限公司北京100728

张迪内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010050

王鹏 中国石油天然气股份有限公司呼和浩特010000

扌商要 苯、甲苯和二甲苯是生产各类化学品的重要原料，抽提精馏是广泛应用的芳烃生产工艺，但能耗较

高，其节能优化至关重要。本文对某工厂芳烃抽提装置的精馏塔和换热网络节能优化进行研究，利用Apen Plus

软件对芳烃抽提装置进行模拟，基于夹点技术分析换热网络，并提出精馏塔的操作优化方案。能耗分析结果表

明该装置换热网络的节能潜力较小，无需进行优化改造。根据模拟结果分别对苯塔和甲苯塔进行灵敏度分析,

绘制曲线表示精馏塔各参数随回流量的变化关系，在保证产品质量和操作弹性的前提下根据该曲线优化两塔的

回流量。优化结果表明苯塔的回流量可由71.5 t/h降低为55.9t/h,甲苯塔的回流量可由63.08 t/h降低至53.4

ee；该优化无需投资，每年可节省操作费用446. 96万元。

关键词芳烃抽提精馏换热网络优化

在石油化工生产中，苯、甲苯和二甲苯(统

称为BTX,轻芳香族化合物)及其衍生物广泛用

于生产化学纤维、塑料、树脂、橡胶、洗涤剂、香

料和其他精细化学品，具有不可替代的重要性。裂

解汽油和重整油是生产芳烃的重要原料；芳烃抽提

是主要生产工艺，按照分离原理不同主要分为液-

液萃取和抽提精馏。液-液萃取是借助抽提溶剂对

于各组分溶解度的差异分离组分；抽提精馏则利用

烃类中的各组分相对挥发度不同提取高纯度芳烃。

抽提精馏工艺的抽提溶剂选择性较高、原料普适性

较强、溶剂损失更少。近年来，该工艺得到了更多

化工企业的青睐。但由于该工艺需要多个塔才能完

成分离，操作费和设备费均较高，因此，其节能优

化至关重要。

在芳烃抽提装置中，有多台以能量为分离剂的

精馏塔，多个需要加热和冷却的流股组成换热网

络。换热网络集成可通过有效地分析物流间的换

热、设计具有最佳热回收效果和最低设备投资费用

的换热器网络。精馏塔节能主要集中在以下两个方

面：

(0)采用精馏节能技术，如中间再沸器和冷

凝器技术［0，］、侧线精馏技术［4\热泵技术⑷、多

效精馏㈢、热耦合精馏技术⑷等，从单个设备的

角度降低能耗。(2)将精馏塔与换热网络集成以达到节能的

目的。］,从系统整体的角度优化用能。

针对换热网络以及精馏塔的集成和优化,

Smith和Linndoff ［0］提出用一个矩形框表示精馏塔

再沸器和冷凝器的温位和负荷，并提出了精馏塔与

总复合曲线的集成规则；刘桂莲等凹］研究了跨越

背景换热网络夹点的分离过程的热集成，并用总复

合曲线确定了精馏流程，降低系统能耗；Bagajew-

na等U0，1〕提出在换热网络与塔系统的集成中用热

供需图代替总复合曲线可以更加方便快捷的判断精

馏塔的集成位置，且可据此选择适当的精馏塔操作

参数，有利于换热网络的能量回收；Wang等［1295〕

针对总复合曲线上的“热口袋”与精馏塔的集成

进行了研究；Gadalla等酗］通过构建热物流和冷物

流的温度图识别与夹点位置相关的物流，在工艺系

统和换热网络匹配变化最小的情况下实现最大的热

回收量；基于夹点技术，Shahruddin等］根据不

同精馏塔序的复合曲线确定用能最小的精馏塔序；

Kang等口6基于图像法将不同温度的热回收区间进

行分区和合并，优化集成大型精馏系统换热网络、

减少物流匹配的难度。

Wang和Feng"1 ］提出了一种将启发式算法和模

拟分析相结合的优化方法，通过启发式热集成矩阵

筛选出可行的换热方案；再用Aspen Piss模拟压力

赵 勇：高级工程师。1991年毕业于东南大学工程热物理专业。从事石油化工企业热电厂及电力专业技术管理工作

联系电话：(010) 64917356, E-mail： 210陛/：9860@126. com

。2020,30(5)赵 勇等 芳烃抽提装置的节能优化27

对分离效果的影响，确定最终可行的方案。Leeson

等［13］建立了优化换热网络最小能耗的MISP模型，

但仅能考虑进行清晰分割的简单精馏塔。An和

YaaaU9提出了一种简化的退火算法模拟精馏塔序

与换热网络的热集成以及精馏塔间的热集成，规定

组分间清晰分割且精馏塔的再沸器和冷凝器仅能与

一个换热器热集成。Zhang等［22］以年度总成本为目

标建立了 MINLP模型辨识最优精馏塔序。

考虑到芳烃抽提过程的多台精馏塔和换热网络

消耗，本文将对某工厂芳烃抽提装置的精馏网络和 换热网络节能优化进行研究。利用Aspen Plao软件

对某厂芳烃抽提装置进行模拟，据此对换热网络进

行夹点分析，优化精馏塔操作，最大化地利用能

量、降低能耗。

1芳烃抽提装置

某芳烃装置处理混合芳烃（C6~Co馏分）年

产甲苯1&3万吨、苯15.55万吨、混合二甲苯

10.98万吨。该装置能耗高，主要包括抽提系统和

精馏系统，流程简图见图0

汽提塔72,T-{

矍

塔31

一 /

』表

、

甲苯塔刀工［甲苯混合

二甲苯

:精憎系统声冷

-溉

- 余

一、

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抽上

”水洗塔IT5tT」洗

涤

水'

抽提系统

图1

抽提系统的主要目的是从富含芳烃的C6 - Co

馏分中回收芳烃。混合芳烃（C6~Co组份）进入

抽提塔，与来自回收塔底的贫溶剂逆流接触进行液

-液抽提。抽提塔塔顶的大部分抽余液（非芳烃）

直接送到抽提塔的进口，用于稀释进料中的芳烃以

改善抽提效果；另一部分抽余液经冷却后送到抽余

油水洗塔。塔底的富溶剂与来自回收塔底部的贫溶

剂换热后送入汽提塔塔顶。汽提塔再沸器用蒸汽加

热。含有非芳烃和部分芳烃的汽提塔塔顶蒸汽经冷

凝冷却后进入汽提塔顶罐分离；轻质非芳烃和轻质

芳烃经加压后送入抽提塔，水送至水汽提塔塔顶；

塔底液送至溶剂回收塔以分离出芳烃和回收溶剂。

回收塔塔顶蒸汽经冷凝后进入回收塔回流罐分

离凝水和混合芳烃，底部再沸器用蒸汽加热；一部

分混合芳烃回流到回收塔塔顶，另一部分作为合格

料送至混合芳烃中间罐。回流罐中的水送去抽余液

水洗塔作为洗涤水；塔底贫溶剂经水汽提塔再沸器

冷却后，一部分去汽提塔作溶剂，另一部分经贫富

溶剂换热器换热后作抽提塔的溶剂。流程简图

精馏系统的主要目的是从混合芳烃中分离苯、

甲苯和混合二甲苯。混合芳烃经苯塔进料/甲苯产

品换热器、苯塔进料/混合二甲苯产品换热器及苯

塔进料换热器预热后进入苯塔。苯塔全回流操作;

塔底有两个再沸器，一个由甲苯塔塔顶物料提供全

部热源，另一个的热量由中压蒸汽提供；塔中段采

出苯；苯塔塔底产品送至甲苯塔。甲苯塔塔顶物料

经苯塔再沸器冷却后，一部分作为塔顶回流返回甲

苯塔，另一部分经苯塔进料/甲苯产品换热器和甲

苯产品冷却器冷却后送往甲苯产品罐。塔底的混合

二甲苯经与混合芳烃换热后进入储罐。

2换热网络能耗分析

该装置消耗大量的蒸汽。由图0可见，现行装

置中已考虑了冷热物流之间的集成和能量回收，例

如苯塔的进料经与甲苯和混合二甲苯换热实现了两

股产品流热量的回收，溶剂回收塔塔底的贫溶剂给

水汽提塔再沸器提供能量。取最小传热温差为

10C,对现行装置的换热网络进行夹点分析可知,

20CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2220,34（5）

该换热网络夹点处热物流温度为153C ,冷物流温

度为128C；所需最小加热公用工程30650 kW,所

需最小冷却公用工程28626 kW。现行换热网络的

节能潜力较小，理论节能量为HU kW,占加热公

用工程的3.3%,占冷却公用工程的4.1%。由于

其改造需调整和更换多台换热器、投资回收期较

长，未对换热网络进行优化改造。

3苯塔和甲苯塔的集成优化

除换热网络外，以能量为分离剂的精馏塔是耗

能大户，对其进行优化也有显著的节能效果；最简

单的方案是优化回流比/回流量。在该装置中，抽

提塔和水洗塔塔底再沸器均通过热物流加热，而苯

塔和甲苯塔还需消耗大量蒸汽。因此，可考虑对这

两个精馏塔进行优化。

苯塔为全回流操作，苯从侧线采出。现行生产

中回流量为61.5 t/h,塔底总热负荷为9550 kW,

由中压蒸汽和甲苯塔塔顶热物流共同加热，中压蒸

汽用量为2. 34 t/h,提供1560 kW的热量。塔顶空

冷器和水冷器热负荷为9920 kW。维持其它操作条

件不变的情况下，在Aspen Plus中模拟得到苯塔塔

顶回流量、侧线产品苯的质量分数、甲苯塔甲苯产

品的质量分数和苯塔塔底再沸器热负荷随塔顶循环

量的变化，见图2o

14000

12000

10000

8000

6000 呂1.000

0.995

0.990

0.980

0.975

0.970

0.965

0.960

0.955

0.950

0.945

0.94040 50 60 70

苯塔顶循环量(t・h-1)8()0

700

600

500

400

30080 90

图2苯塔各参数随塔顶循环量变化的灵敏度分析图

由该图可知，在其他操作条件不变的情况下,

只有当苯塔回流量大于43・0t/h时，才能同时满

足苯产品质量分数＞99.2%,甲苯产品质量分数〉

99.3%的生产耍求。考虑到操作弹性，回流量取为

50.0 t/h,对应的再沸器负荷为8174 kW,可在原

基础上减少热负荷1666 kW （该数据已修改，与图

4相符）。苯塔塔底再沸器可不用中压蒸汽进行供

热，节约中压蒸汽2. 34 t/h。流经苯塔再沸器的甲

苯塔塔顶热物流的流量可减小为67・74t/h。同时, 该循环量下，空冷器冷凝负荷为6150 kW,在原基

础上减小2120 kW,按每冷却1000 kW的热量耗电

40 kW计算，可减少耗电84・3kW,冷凝器E -

211冷凝负荷为520 kW,可在原基础上减少热负

荷150 kW,冷却水用量可节省25. 4 t/h。

现行系统中，甲苯塔的回流比为3. 40,塔顶

总出料量为8H33t/h,回流量为63・08t/h,塔底

热负荷为9370.64 kW。在苯塔优化的基础上可进

一步优化甲苯塔的回流量。设置回流量在34〜82

t/h （回流比1.2 ~0.3）变化时，利用Aspen Pics

对甲苯塔进行灵敏度分析，可得塔顶出料量、甲苯

产品质量分数、甲苯塔塔底再沸器热负荷、塔顶物

流供热量随之变化，见图5o

1.0005 1.0000 叙 0.9995 ® 0.9990 盂 0.9985

tig 0.9980 ng 0.9975 备 0.9970 篮 0.9965 旺 0.9960

0.99550.9950o o o o O0 9 8 7 6 如--*

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图3甲苯塔各参数随塔顶循环量变化的灵敏度分析图

由图3可见，在其他操作条件不变的情况下,

只有当回流量大于34. 3 t/h （回流比〉2）时，才