石油与天然气化工  2025, Vol. 54 Issue (1): 45-54
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    党建军
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    党建军. 以产品收率为导向的芳烃抽提装置生产优化[J]. 石油与天然气化工, 2025, 54(1): 45-54.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2025.01.007
    DANG Jianjun. Production optimization of aromatics extraction unit guided by product yield[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2025, 54(1): 45-54. DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2025.01.007
    以产品收率为导向的芳烃抽提装置生产优化
    党建军     
    中海油惠州石化有限公司
    收稿日期：2024-03-21
    作者简介：党建军，1972年生，大学学历（工学学士），高级工程师，毕业于西北大学化工系有机化工专业，主要从事石油加工工艺与技术工作，发表论文近15篇。E-mail:djj1254790313@qq.com.
    摘要：目的 以产品收率最大化为目标，对700 kt/a重整汽油芳烃抽提装置的主要工艺操作参数进行分析、优化，获得装置的最佳操作指标。方法 利用流程模拟软件对装置进行了系统的模拟，所建模型模拟结果与现场数据高度吻合；在确保产品质量合格且稳定的基础上，聚焦于苯、甲苯、二甲苯的最大收率，借助所建模型，对流程中的脱庚烷塔、抽提蒸馏塔、溶剂回收塔、苯塔、甲苯塔、二甲苯塔等核心设备的关键工艺操作参数进行了分析与优化，最终得出一组最优操作参数。结果 将这组最优的操作参数应用于实际生产中，最终得到的产品苯、甲苯、二甲苯的总收率分别高达99.18%、99.59%、98.16%，与优化前的总收率相比，分别提高了0.41、0.35、0.34个百分点。结论 所构建的模型完全能够满足生产优化的需求，为后续装置的进一步优化生产、技术改造，以及查找并突破装置瓶颈提供了坚实的技术支持。
    关键词：抽提蒸馏    芳烃抽提    流程模拟    产品收率    生产优化    
    Production optimization of aromatics extraction unit guided by product yield
    DANG Jianjun     
    CNOOC Huizhou Petrochemical Co., Ltd., Huizhou, Guangdong, China
    Abstract: Objective With the goal of maximizing product yield, the main process operating parameters of the 700 kt/a reforming gasoline aromatics extraction unit were analyzed and optimized to obtain the optimal operating indicators of the unit. Method The unit was systematically simulated using process simulation software, and the simulated values of the constructed model were highly consistent with the on-site values. Under the premise of qualified and stable product quality, guided by the maximum yield of benzene, toluene, and xylene, the constructed model was applied to analyze and optimize the main process operating parameters of key equipment in the process, such as the dehydrogenation tower, extraction distillation tower, solvent recovery tower, benzene tower, toluene tower, xylene tower, and a set of optimal operating parameters were obtained. Result Applying this set of optimal operating parameters to actual production, the total yields of benzene, toluene, and xylene obtained were 99.18%, 99.59%, and 98.16%, respectively, which were 0.41, 0.35, and 0.34 percentage points higher than the total yields before optimization. Conclusion The constructed model can meet the needs of production optimization and provide technical support for subsequent unit production optimization, technical transformation, and breaking through unit bottlenecks.
    Key words: extractive distillation    aromatics extraction    process simulation    product yield    production optimization    

    中海油惠州石化二期芳烃抽提联合装置具备700 kt/a的重整汽油芳烃抽提能力，该装置以重整脱戊烷油为主要原料，分离出非芳烃抽余油和混合芳烃。随后，将分离出的混合芳烃经过精馏处理后，用以生产苯和甲苯产品。装置结构包含重整汽油预分馏单元、重整汽油萃取蒸馏单元、芳烃精馏单元及二甲苯分馏单元，并采用了中石化石油化工科学研究院研发的环丁砜抽提蒸馏（sulfolane extractive distillation, SED）工艺技术，具有流程简洁、投资较低、产品质量优良、芳烃收率高等优势。

    1 原料性质
    1.1 原料组成

    本研究所用的重整脱戊烷油的组成见表1。

    表 1    重整脱戊烷油组成

    1.2 工艺参数

    重整脱戊烷油流量186 209 kg/h，温度133.0 ℃，压力50.0 kPa。

    2 模拟策略
    2.1 热力学方法选择

    由于模拟过程中抽提蒸馏塔、溶剂回收塔、非芳烃塔系统含有非极性物质环丁砜，因此模拟采用PRO11软件自带的醇数据包Alcohol，K值选用VLE。脱庚烷塔、甲苯塔、苯塔、二甲苯塔选用SRK−Modified Panag-Reid方程[1]。因SRKM不支持自由水，所以各塔塔顶气液分离罐选用SRK方程。

    2.2 二元交互参数估算

    萃取蒸馏单元的原料主要包含C5、C6、C7组分，并含有少量C8组分。由于萃取剂环丁砜的加入，体系的极性显著增强。同时由于缺少环丁砜和其他组分的二元交互参数，一般的活度系数热力学方法已不适用于此体系。PRO/II软件自带的醇数据中包含环丁砜与部分芳烃和非芳烃的气液平衡及液液平衡数据[2]。经查看数据库发现，原料组分中缺少环丁砜和戊烯、异庚烷、环庚烷、庚烯、异辛烷、环辛烷、辛烯、间二甲苯、对二甲苯等9对组分的二元交互参数，还缺少部分烃类相互间，尤其是C8组分对之间的二元交互参数。为了保障模拟计算的准确性，需要对这两类二元交互参数进行必要的估算。

    软件中关于二元交互参数的估算方法主要有UNFAC、UNIFAC-Lyngby、UNIFAC-Dortmund、Regular Solution Theory、Flory-Huggins 5种方法。因为环丁砜结构不能用基团构建[3]，故前3种方法不能用于获得环丁砜和其他组分的9对二元交互参数。Regular Solution Theory为正规溶液理论，Flory−Huggins为无热溶液理论，这两种方法可以对其进行估算，通过对比可知，这两种方法获得的二元交互参数相同。对于其他C8组分对，由于它们都为非极性分子，可以用UNIFAC-Dortmund方法估算。

    3 模拟主要流程

    工艺流程模拟主要分为3部分：第一部分为预分馏单元，包括脱庚烷塔和二甲苯塔；第二部分为抽提蒸馏单元，包括抽提蒸馏塔、溶剂回收塔、非芳烃蒸馏塔；第三部分为芳烃精馏单元，包括苯塔、甲苯塔。预分馏单元模拟流程如图1所示，抽提蒸馏单元模拟流程如图2所示，芳烃精馏单元模拟流程如图3所示。

    图 1     预分馏单元模拟流程

    图 2     抽提蒸馏单元模拟流程

    图 3     芳烃精馏单元模拟流程

    4 模型验证

    建模完成后，对装置进行了系统的模拟。模拟值和现场数据的对比结果见表2。

    表 2    现场值和模拟值对比

    模拟过程中，装置原料的组成和流量按照实际进料性质进行设定，各关键塔器的顶部压力模拟值按照现场操作数值设定，各塔塔盘效率根据实际进行了修正。从表2可知，模拟计算值与现场操作数据值高度吻合，表明所建模型，包括热力学方法选定、二元交互参数估算、工艺模型搭建、参数设定等都和实际相符，能满足生产优化需求。

    5 生产优化

    利用搭建的工艺模型对装置各关键设备工艺操作参数进行优化，优化的主要原则是在产品质量合格的基础上，以产品苯、甲苯、二甲苯收率最大化为目标，兼顾能耗，研究主要工艺操作参数对产品收率的影响，得出一组最优操作参数值；将这些最优操作参数值应用于实际生产，从而使装置获得最大产品收率。

    根据产品收率的相关性，主要对脱庚烷塔、抽提蒸馏塔、溶剂回收塔、苯塔、甲苯塔、二甲苯塔进行了工艺操作参数的分析和优化。工艺操作参数的选取依据实际工艺操作过程中的主要控制参数，通常情况下，装置操作会保持压力固定，调整其他关键参数，研究这些工艺控制参数对产品收率的影响。

    5.1 脱庚烷塔优化
    5.1.1 塔顶压力和甲苯回收率关系

    在固定塔底物料中甲苯质量分数和塔顶物料中二甲苯质量分数，即同时满足塔顶和塔底物料质量要求的情况下，塔顶压力对甲苯回收率没有影响，但影响塔底再沸器负荷和塔顶回流量。塔顶压力对回流量和甲苯回收率及塔底再沸器负荷的影响见图4。从图4可知，随着塔顶压力的增加，甲苯回收率恒定不变，塔底再沸器负荷逐渐增大。塔顶回流量先降低后增加，存在最低值。使用优化器Optimizer模型计算出的回流量最低值为79 732.4 kg/h，此时塔顶压力为162.3 kPa。综合考虑塔底再沸器负荷和塔顶回流量，确定压力优化值为162.3 kPa。需要注意的是，此压力优化值是建立在塔顶和塔底物料质量要求的前提下，若质量要求变化，此压力优化值也随之变化。

    图 4     塔顶压力对回流量、甲苯回收率和塔底再沸器负荷的影响

    5.1.2 灵敏板温度、甲苯回收率和塔底物料中甲苯质量分数的关系

    脱庚烷塔在整个流程中，对甲苯和苯的回收率起着决定作用。为了尽可能地将原料中的苯和甲苯从塔顶分离出来，生产过程中一般通过控制分馏塔灵敏板温度来间接控制塔底物料中关键组分甲苯的质量分数。实现方式为灵敏板温度和塔底再沸器凝水量串级控制。灵敏板温度和塔底物料中甲苯质量分数的关系见图5。由图5可知，随着灵敏板温度的提高，塔底物料中甲苯质量分数逐渐降低。灵敏板为57层塔板，控制温度一般在160~180 ℃之间。

    图 5     灵敏板温度和塔底物料中甲苯质量分数的关系

    在固定塔底物料中甲苯质量分数的前提下，因顶部物料除做回流外，全部作为产品流出，不设侧抽出流程，所以改变回流量，是不能改变甲苯的回收率的。比如降低回流量，塔顶产品中二甲苯含量增加、甲苯含量降低，塔顶产品流量增加，但甲苯回收率是恒定值。

    如果要提高甲苯的回收率，须降低塔底物料中的甲苯质量分数。塔顶物料中的二甲苯含量需控制在一定范围内。这是由于，若其含量过低则降低了塔底物料中二甲苯回收率，若其含量过高也给后续分离增加了负荷。设计塔顶物料中二甲苯质量分数需控制在0.32%以下，综合考虑，设定塔顶物料中二甲苯质量分数为0.27%。塔底物料中甲苯质量分数与塔顶甲苯回收率、塔底再沸器负荷的关系见图6。

    图 6     塔底物料中甲苯质量分数对甲苯回收率、塔底再沸器负荷的影响

    由图6可看出，随着塔底物料中甲苯质量分数的降低，塔顶物料中甲苯回收率也逐渐增加并呈线性关系，同时塔底再沸器负荷也逐渐增大。但当塔底物料中甲苯质量分数降至0.10%以下时，再沸器负荷大幅提高。从能耗和回收率两个方面综合考虑，塔底物料中甲苯质量分数应控制在0.1%。经计算，此时灵敏板温度为165.7 ℃，塔底再沸器负荷为73.65×106 kJ/h，甲苯回收率为99.82%，苯回收率为99.99%，塔顶回流量为79 734.0 kg/h，塔底物料中二甲苯回收率为99.50%。

    5.2 抽提蒸馏塔优化

    生产过程中，为提高塔底物料中苯、甲苯的回收率，主要控制参数为进料温度、溶剂温度、溶剂比和塔底温度。控制原则一般是恒定压力，保持压力稳定的情况下调整其他参数。

    5.2.1 压力对回收率的影响

    改变操作压力，可以改变待分离组分的相对挥发度，但是抽提蒸馏塔内相对挥发度的改变主要是由溶剂的加入量决定的。然而，压力的改变仍然会对分离效果产生一定的影响，这主要是通过改变三元相图中两相区域的大小来实现[4]。抽提蒸馏塔塔顶压力变化对塔底物料苯回收率的影响见图7。随着塔顶压力的提高，苯的回收率也逐渐提高，当压力达到160.0 kPa后趋于平缓，压力继续增大到170.0 kPa以上时，对苯回收率贡献不大。同时，压力的提高，一方面增大了塔底再沸器负荷，另一方面由于压力的改变，造成三元相图的变化，使塔内出现两个液相的机率增大。因此，在满足产品质量和收率的前提下，应尽量降低压力。综合考虑，塔顶压力控制在165.0 kPa较为合理。

    图 7     塔顶压力和苯回收率的关系

    5.2.2 进料温度对回收率的影响

    设计要求的进料温度范围为90~100 ℃，进料温度对产品回收率的影响见图8。从图8可看出，在此区间苯和甲苯的回收率变化平缓。随着温度的升高，苯和甲苯回收率缓慢下降。当温度在121.0 ℃时，苯和甲苯回收率急剧下降。抽提蒸馏塔在设计时已经对进料温度进行了优化，主要考虑回收率和能耗等因素的影响，回收率提高后，塔底再沸器负荷会增加。综合考虑，苯回收率一般要控制在99.60%以上，甲苯回收率控制在99.966%以上，此时进料温度为94.0 ℃。

    图 8     进料温度对产品回收率的影响

    5.2.3 溶剂温度对回收率的影响

    由于溶剂进料量很大，温度对塔内气液相负荷影响明显。溶剂温度对产品收率的影响见图9。设计溶剂温度范围为95~110 ℃，在此区间，溶剂温度升高，苯和甲苯回收率均下降。一般溶剂温度尽量保持较低，但温度过低，会导致塔底热负荷增加。综合考虑回收率和能耗，根据图9中的对应关系，苯和甲苯的回收率分别在99.60%、99.966%以上时的溶剂温度为103.5 ℃。

    图 9     溶剂温度对产品回收率的影响

    5.2.4 溶剂比对回收率的影响

    在生产实际控制过程中，溶剂比需满足最小溶剂比的要求，才能保证塔内不出现两个液相。在保证最小溶剂比的前提下，考查溶剂比对苯和甲苯回收率的影响，设计给定的溶剂比（质量比，下同）范围为3.5~4.5。在此范围内，溶剂比和塔底物料中产品回收率的关系见图10。随着溶剂比的增加，苯和甲苯回收率也随之增加，当溶剂比增加至4.0后回收率趋于平缓，再增加溶剂比对提高回收率没有实质意义，反而会增加能耗。综合考虑苯、甲苯回收率，最佳溶剂比范围为3.8~4.0，专利建议的溶剂比为4.0[5]，但具体选择还需根据生产实际情况确定。

    图 10     溶剂比对产品回收率的影响

    5.2.5 塔底温度对回收率的影响

    塔底温度是影响富溶剂非芳烃含量的重要因素，通过进料与蒸汽流量的比值来进行控制。抽提蒸馏塔底部富溶剂中非芳烃含量对塔底物料的泡点影响不大，所以改变非芳烃质量分数，塔底温度变化不大，但塔底再沸器热负荷变化较大。再沸器热负荷与非芳烃质量分数和产品回收率的关系见图11。如图11所示，塔底物料中苯和甲苯的回收率随热负荷升高而降低，非芳烃含量也随着热负荷的升高而降低，但非芳烃含量需控制在200 mg/kg以下，所以最小控制热负荷为40.10×106 kJ/h。此时，苯回收率大于99.60%，甲苯回收率大于99.966%，此热负荷对应的塔底温度为171.4 ℃，而实际操作中应低于此值。

    图 11     再沸器热负荷与非芳烃质量分数和产品回收率的关系

    5.3 溶剂回收塔优化

    在实际生产过程中，溶剂回收塔主要控制参数为塔底温度和塔底注汽量，因塔底分离关键组分为甲苯，所以研究重点集中在这些参数对甲苯回收率的影响。

    塔底温度和甲苯回收率、甲苯质量分数的关系见图12，随着塔底温度的增加，塔底物料中甲苯质量分数逐渐降低，甲苯回收率逐步增加。塔底贫溶剂中甲苯质量分数的控制指标小于0.02%，此时甲苯回收率为99.82%，苯回收率为99.96%，对应的塔底温度为178.4 ℃。

    图 12     塔底温度与甲苯回收率和甲苯质量分数的关系

    塔底水蒸气的加入，有利于降低分压，提高汽提效果。固定塔底温度为178.4 ℃，汽提蒸汽量和甲苯回收率的关系见图13。随着汽提蒸汽量的增加，甲苯回收率逐渐增大，增加至12 000.0 kg/h后，收率变化趋于平缓，因此注汽量不应超过12 000.0 kg/h。在11 000.0 kg/h处，甲苯回收率已达到99.82%，与图12中的数据相吻合，故在实际生产中，优化注汽量设定为11 000.0 kg/h。

    图 13     汽提蒸汽量和甲苯回收率的关系

    5.4 苯塔优化

    苯塔四层塔板抽出苯产品，苯产品中甲苯质量分数控制在≤0.03%，苯质量分数控制在≥99.90%，苯塔底液体中苯质量分数控制在≤0.05%。生产过程中主要是通过控制第19层与第5层塔板温差来稳定苯产品纯度，实现方式为温差和采出量串级控制。

    在苯产品抽出量一定的情况下，通过改变回流量，可以观察到第19层与第5层塔板温差和苯产品中甲苯质量分数关系如图14所示。从图14可知，随着温差的加大，苯产品中甲苯质量分数也随之增大，呈现良好的线性关系。实际生产中，苯产品中，甲苯质量分数控制为0.01%，此时温差为2.3 ℃。

    图 14     塔板温差与苯产品中甲苯质量分数的关系

    当保持苯产品中苯质量分数为99.990%时，通过改变塔底再沸器负荷，可以观察到苯回收率和塔顶回流量、塔底物料中苯质量分数的关系（见图15）。从图15可知，随着塔底物料中苯质量分数的降低，侧抽出苯回收率逐渐加大，塔顶回流量也呈现出线性增长的趋势。也就是说在保证产品苯质量要求的前提下，要想获得较高的苯回收率，须降低塔底物料中苯质量分数。但是随着苯回收率的增加，塔顶回流量增大，反而会导致塔底和塔顶热负荷增加。从图15可知，当塔底物料中苯质量分数降至0.010%时，塔顶回流量迅速增加。综合考虑能耗和回收率情况，此时再降低塔底物料中苯质量分数，得不偿失。因此，在实际生产中，塔底物料中苯质量分数应控制在0.010%，以获得较高的苯回收率。根据计算结果，此时苯回收率为99.63%，塔顶回流量为11 940.0 kg/h，苯产品中甲苯质量分数为0.008 2%，塔底物料中甲苯回收率为99.99%。

    图 15     塔底物料中苯质量分数与塔顶回流量和苯回收率的关系

    5.5 甲苯塔优化

    甲苯塔和苯塔不同的是甲苯塔产品甲苯是从塔顶分液罐抽出，而不是从塔侧抽出。这主要是因为苯塔塔顶不可避免地存在部分非芳烃，为保证产品中苯质量分数满足要求，所以从一侧抽出。而甲苯塔塔顶通常不会有轻质非芳烃影响。

    为了避免压力变化对组分波动带来的影响，实际生产中，一般通过控制第18层和第2层塔板温差稳定来确保甲苯产品质量合格。

    在固定塔底物料中甲苯质量分数的情况下，通过调节回流量来改变塔板温差。温差和甲苯产品质量的关系见图16。随着温差的增大，在甲苯产品中C8+芳烃的质量分数也随之增大。实际生产中，甲苯产品中C8+芳烃的质量分数控制指标为≤0.01%，此时温差需小于1.1 ℃。

    图 16     塔板温差和C8+芳烃质量分数的关系

    在固定甲苯产品质量的基础上，要提高甲苯产品回收率，须降低塔底物料中甲苯质量分数。由于甲苯塔塔底得到的二甲苯产品量很少，塔底物料中的甲苯质量分数的变化对塔顶物料甲苯的总量影响很小，因此，甲苯回收率变化也不明显。图17所示为塔底物料中甲苯质量分数与甲苯产品总流量和塔顶回流量之间的关系。从图17可知，随着塔底物料中甲苯质量分数的降低，甲苯产品流量逐渐增加，塔顶回流量也随之增大。塔底物料中甲苯质量分数降至0.10%以下时，塔顶回流量增幅较大，从而使塔底再沸器负荷大幅提高。综合考虑能耗和回收率，塔底物料中甲苯质量分数应控制在0.10%，此时塔顶回流量为92 038.0 kg/h，甲苯回收率为99.999 8%，甲苯产品中C8+芳烃质量分数为0.0022%，塔板温差为1.1 ℃。

    图 17     塔底物料中甲苯质量分数与甲苯产品量和回流量的关系

    5.6 二甲苯塔优化

    二甲苯塔主要采取全回流操作，少量非芳烃、苯、甲苯累积后被送出装置。混合二甲苯产品从第17层塔板抽出，生产过程中，主要通过控制第65层和第18层塔板温差来确保产品质量合格，控制方式为温差与二甲苯抽出量串级使用。

    混合二甲苯的产品指标为：初馏点≥137.5 ℃、终馏点≤141.5 ℃、馏程≤3.0 ℃，馏程通过气相色谱法间接测定[6]。

    在塔底二甲苯质量分数恒定的情况下，混合二甲苯产品的馏程和塔板温差的关系见图18。从图18可知，随着温差的增大，初馏点逐步降低，终馏点也逐步降低，但相对比较平缓，并在温差大于17 ℃以后迅速提高。这主要是因为在固定塔底二甲苯质量分数的前提下，产品中乙苯、邻二甲苯等主要组分相对含量变化不大，初馏点主要受甲苯、C8非芳烃的影响，终馏点主要受C9重芳烃的影响。当温差过大时，会导致组分发生变化，从而引起终馏点的大幅变化。因此，在日常控制中，只要保持温差稳定，并且在8~17 ℃之间操作，即可保证混合二甲苯质量稳定。

    图 18     塔板温差和混合二甲苯馏程的关系

    在确保产品馏程合格且保持稳定的前提下，要提高二甲苯回收率，须降低塔底物料中二甲苯的质量分数。固定产品馏程，调节塔底再沸器负荷[7]，塔底物料中二甲苯质量分数和混合二甲苯回收率的关系见图19。从图19可知，随着塔底物料二甲苯质量分数的下降，回收率呈上升趋势，但塔顶回流量也逐渐加大，带来的结果是塔顶冷却器和塔底再沸器负荷提高。当塔底物料中甲苯质量分数降至0.20%以下时，塔顶回流量增速变大，塔底再沸器负荷大幅提高。因此，在实际生产中，控制二甲苯的质量分数为0.20%是比较合适的。此时，塔顶回流量为202 000.0 kg/h，第65层与第18层塔板温差为13.38 ℃，二甲苯回收率为98.65%，二甲苯产品中二甲苯质量分数为98.40%。

    图 19     塔底物料二甲苯质量分数与二甲苯 回收率和回流量的关系

    5.7 生产应用

    通过上述的分析与优化，在产品质量不变的前提下，获得最大产品收率的关键工艺控制参数最优推荐值见表3。

    表 3    关键工艺控制参数最优推荐值

    将此组关键工艺控制参数最优推荐值应用于生产现场，通过标定，优化后现场测得的产品收率和优化前数据对比见表4。

    表 4    装置产品收率优化前后数据对比

    由表4可知，优化后苯、甲苯、二甲苯产品总收率比优化前分别提高0.41、0.35、0.34个百分点，达到了优化要求。

    6 结论

    1） 利用模拟软件所建模型的各参数模拟值与现场工业值高度吻合，满足现场优化需求，为今后技术改造、查找瓶颈提供了技术支撑。

    2） 为获得产品最大收率，应用所建模型对关键设备的工艺参数进行分析与优化，获得了重要工艺参数的一组最优操作值。

    3） 利用获得的最优操作参数对装置进行优化，装置苯、甲苯、二甲苯产品总收率比优化前分别提高0.41、0.35、0.34个百分点，达到了优化要求，也为同类装置优化提供了一种方法。

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