朱振興， 王少兵， 戴厚良

(1.中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083； 2.中國石油化工股份有限公司， 北京 100728)

PX吸附分離技術(shù)核心內(nèi)構(gòu)件開發(fā)

朱振興1， 王少兵1， 戴厚良2

(1.中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083； 2.中國石油化工股份有限公司， 北京 100728)

對二甲苯(PX)是一種重要的有機化工原料，工業(yè)上主要采用逆流模擬移動床吸附分離技術(shù)(AST)生產(chǎn)高純度對二甲苯。格柵作為吸附塔的內(nèi)構(gòu)件，是模擬移動床吸附分離技術(shù)的核心之一。根據(jù)格柵的功能，開發(fā)了ACG基準格柵，運用冷模實驗和計算流體力學相結(jié)合的方法，對ACG基準格柵進行優(yōu)化，開發(fā)出性能優(yōu)良的ACG-Ⅰ格柵。針對3×104t/a PX工業(yè)裝置，將ACG-Ⅰ格柵進行放大試驗。運行情況表明，開發(fā)的ACG-Ⅰ格柵性能優(yōu)良，工業(yè)數(shù)據(jù)與CFD模擬數(shù)據(jù)比較吻合。

對二甲苯(PX)； 吸附； 格柵； 冷模試驗； 計算流體力學(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

對二甲苯(Para-xylene，簡稱PX)是一種重要的有機化工原料，主要用于生產(chǎn)對苯二甲酸(PTA)。中國是世界最大的PTA生產(chǎn)國，但是國產(chǎn)PX缺口巨大，2016年自給率僅有44.3%。國外PX出口商掌握著較大的市場話語權(quán)，導致整個產(chǎn)業(yè)鏈的利潤受制于人，產(chǎn)業(yè)鏈風險凸顯。為滿足市場日益增長的需求，增加國內(nèi)PX產(chǎn)量勢在必行[1-3]。

工業(yè)上主要采用逆流模擬移動床吸附分離技術(shù)生產(chǎn)高純度PX。除吸附劑外，吸附分離技術(shù)的核心為吸附室內(nèi)構(gòu)件和控制系統(tǒng)。2011年以前，全世界工業(yè)化的吸附分離技術(shù)主要有2種，即美國UOP公司的Parex工藝[4-6]和法國AXENS公司的Eluxyl工藝[7-8]。目前，中國的PX裝置大多是從國外引進的，以Parex工藝為主。

2002年，中國石化石油化工科學研究院即已開發(fā)出RAX-2000A型吸附劑，工業(yè)應用結(jié)果表明，在PX純度為99.7%(質(zhì)量分數(shù))時，PX收率可達99.1%[9]。隨后相繼有性能更加優(yōu)異的新型吸附劑不斷推出[10-11]。然而，由于缺乏吸附塔核心內(nèi)構(gòu)件——格柵和吸附分離專用控制系統(tǒng)等專有技術(shù)，始終無法實現(xiàn)PX吸附分離技術(shù)的完全國產(chǎn)化。2009年，中國石油化工股份有限公司組織攻關組，針對包括格柵和控制系統(tǒng)等模擬移動床吸附分離核心技術(shù)在內(nèi)的成套芳烴生產(chǎn)技術(shù)進行系統(tǒng)研發(fā)。2011年10月，自主知識產(chǎn)權(quán)的模擬移動床吸附分離技術(shù)RAS-PX，在中國石化揚子石油化工有限公司3×104t/a PX工業(yè)示范裝置成功實現(xiàn)工業(yè)應用，標志著中國石油化工股份有限公司成為世界上第三家擁有該技術(shù)的企業(yè)。2015年，包括格柵等模擬移動床吸附分離技術(shù)在內(nèi)的“高效環(huán)保芳烴成套技術(shù)”獲得了2015年度國家科技進步特等獎。

格柵將吸附塔分割為若干獨立而連通的吸附劑床層，除了支撐上游吸附床層的吸附劑，阻擋其進入格柵內(nèi)部外，它的主要功能是收集上游吸附床層流入的流體，將原料和解吸劑等外部流體導入吸附塔，將抽出液和抽余液等流體抽出吸附塔，強化流體在其內(nèi)部的混合，使流體均勻地分配到下游吸附床層。

復雜的功能決定了格柵開發(fā)具有很大難度。首先，格柵在一個盡量小的空間內(nèi)實現(xiàn)流體的收集、混合和分配功能，同時還要包括支撐上游吸附床層載荷的結(jié)構(gòu)。其次，吸附塔直徑一般在3～8 m，有些超大型裝置可達11 m，而每個吸附床層的高度一般在1 m左右，在如此小的高/徑比的薄餅型床層內(nèi)實現(xiàn)物流的均勻分配極其困難。模擬移動床工藝過程中每個步進時間內(nèi)，流過格柵的流體的組成和流量差異較大，對格柵的壓力降、混合和分配效果等性能指標有較大影響。

筆者運用計算流體力學和冷模試驗相結(jié)合的方法，解決了薄餅型床層物流分配和流量匹配性問題，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的吸附塔核心內(nèi)構(gòu)件——格柵，為模擬移動床吸附分離技術(shù)完全國產(chǎn)化奠定堅實的基礎。

1 ACG格柵開發(fā)

基于格柵的功能，朱振興等[12]提出ACG基準格柵，作為后續(xù)研究的基準。圖1為ACG基準格柵幾何結(jié)構(gòu)示意圖。吸附塔的一層格柵由4個條塊格柵拼成，每塊格柵均包括1個物料導入和抽出管、阻擋吸附劑但允許流體通過的上下表面、流體收集板、緩沖室、流體整流部件、流體分配部件和支撐結(jié)構(gòu)[12]。

圖1 ACG基準格柵幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Model of ACG reference grid

1.1ACG基準格柵的CFD模擬

根據(jù)實際PX吸附分離工藝條件，運用CFD模擬[13-16]，計算100%負荷下導入解吸劑對二乙苯(PDEB)的工況，可得到ACG基準格柵下方6 mm處的速度分布和解吸劑質(zhì)量分數(shù)分布，如圖2所示。

由圖2可知，ACG基準格柵下方的流體速度分布和解吸劑質(zhì)量分數(shù)分布都不均勻。為了進一步考察格柵的混合分配性能，引入標準偏差計算截面的不均勻度(σ)[17]：

(1)

由表1可知，ACG基準格柵的流速不均勻度和濃度不均勻度都一般，性能等級評價為合格，有很大改進的余地。

圖2 ACG基準格柵下方流場分布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基準格柵優(yōu)化

ACG基準格柵的主要問題是流體混合時間不足及分配結(jié)構(gòu)的阻力與流體流動路徑不匹配。因此，在格柵內(nèi)部增加延長流體混合時間的部件，同時調(diào)整流體整流和分配部件的開孔率，得到了ACGm格柵，其中m為01～05。運用CFD模擬考察不同流量下ACGm格柵的壓力降(Δp)、分配不均勻度和混合不均度，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化，ACGm格柵壓力降增大，流動不均勻度和混合不均勻度越來越小。隨著流量的增加，ACGm格柵的壓力降增大，流動不均勻度和混合不均勻度下降。其中，ACG04[18]和ACG05[19]2種格柵在低流速和高流速下都有較好的混合分配性能，更適合于模擬移動床這種床層內(nèi)流量隨時間變化較大的工藝。ACG04格柵的混合效果更好，ACG05格柵的分配性能更優(yōu)。

2 ACG格柵冷模試驗

為了進一步研究格柵的流體力學性能，建立了一個直徑0.96 m冷模試驗裝置，評價ACGm格柵，并對CFD模擬參數(shù)進行校正。將ACGm格柵至于裝置中間，上方和下方均填充惰性瓷球，在其上方和連接物料導入/抽出管處設置示蹤劑釋放裝置，在ACGm格柵下方設有多路光纖探測儀，在裝置底部設有電導率儀。

采用單點電導法評價ACGm格柵的分配性能，在ACGm格柵上方脈沖注入一定量的示蹤劑鹽水，通過塔底出口設置的電導率儀，獲得示蹤劑濃度隨時間變化的停留時間分布(RTD)曲線。通過RTD曲線的形狀和積分面積的方差可以判斷流體分配效果[20]。

圖3 ACGm格柵的性能對比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

采用多路光纖脈沖示蹤法ACGm格柵的混合效果，由格柵導入/抽出管脈沖注入一定量的示蹤劑紅墨水，通過格柵下方設置的多路光纖探測儀，可測定多個檢測點的示蹤劑濃度隨時間變化曲線，對每個點的濃度曲線積分，可得到單位時間流過每個點的流體中示蹤劑的量，由式(1)計算示蹤劑量的不均勻度可判斷側(cè)線輸入流體與主流體混合均勻性。

2.1格柵分配性能評價

圖4為ACG基準格柵和ACG05格柵的RTD曲線。由圖4可知，相比于ACG基準格柵， ACG05格柵的示蹤劑RTD曲線峰寬較窄且曲線拖尾現(xiàn)象明顯減小，說明ACG05格柵的流體分配性能明顯優(yōu)于ACG基準格柵。

圖4 ACG格柵的RTD曲線Fig.4 RTD profiles of ACG grids(a) ACG reference grid; (b) ACG05 grid

圖5為ACG基準格柵、ACG04格柵和ACG05格柵的停留時間方差曲線。3種格柵的方差均隨流速增大而降低，說明高流速有利于流體的分配。流速低于120 m3/h-1時，ACG04和ACG05格柵的方差均小于ACG基準格柵，ACG05格柵的方差最小，說明ACG05在較寬的流速范圍內(nèi)均具有更好的分配效果。

圖5 ACG格柵的停留時間方差曲線Fig.5 Variance of RTD profiles of ACG grids ACG reference grid; ACG04 grid; ACG05 grid

2.2格柵混合性能評價

ACG基準格柵、ACG04格柵和ACG05格柵的混合不均勻度隨流量變化曲線如圖6所示。

圖6 ACG系列格柵混合不均勻度曲線Fig.6 Mixing uniformity of ACG grids ACG reference grid; ACG04 grid; ACG05 grid

由圖6可知，在一個很寬的流量范圍內(nèi)，ACG04格柵和ACG05格柵的混合不均勻度都小于ACG基準格柵。其中，ACG04格柵在流速較低時的混合不均勻度最小，說明其混合效果最佳。

2.3CFD模擬的冷模試驗驗證

通過冷模試驗可知，CFD模擬得出的格柵性能評價結(jié)論與冷模試驗一致。通過比較ACGm格柵CFD模擬計算出的壓力降與冷模試驗測得的壓力降(見圖7)，可進一步驗證CFD模擬的可靠性。

圖7 ACGm格柵壓力降(Δp)CFD模擬值與冷模試驗值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

由圖7可知，CFD模擬出的壓力降值與冷模試驗數(shù)據(jù)對比，二者數(shù)據(jù)吻合較好。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，不斷對CFD模擬參數(shù)進行校正，CFD模擬數(shù)據(jù)與冷模試驗數(shù)據(jù)越來越吻合。

3 ACG-Ⅰ格柵開發(fā)與放大

由上文可知，ACG04格柵具有較好的混合性能，ACG05格柵具有更好的流體分配性能，綜合2種格柵的特點，開發(fā)了ACG-Ⅰ格柵。ACG-Ⅰ格柵混合部分設置迷宮結(jié)構(gòu)，延長流體的混合時間，從而強化混合效果。分配部分設置匹配不同區(qū)域流體阻力的流體整流部件和分配部件，強化流體在較長的流動路徑下的分配效果。

CFD模擬得到的ACG-Ⅰ格柵下方的流速分布和PDEB質(zhì)量分數(shù)分布如圖8所示。由圖8可見，二者分布都很均勻。進一步計算表明，ACG-Ⅰ格柵的壓力降為1.44 kPa，流動不均勻度為0.075，混合不均勻度為0.051，具有非常好的混合和分配效果。

針對中國石化揚子石油化工有限公司3×104t/aPX工業(yè)示范裝置(簡稱PX工業(yè)示范裝置)，將ACG-Ⅰ格柵放大，結(jié)構(gòu)如圖9所示。運用CFD模擬考察放大后的ACG-Ⅰ格柵的混合分配性能(見圖10)，二者分布仍然很均勻。放大后的ACG-Ⅰ格柵仍然具有非常好的混合、分配效果。放大優(yōu)化后，ACG-Ⅰ格柵的壓力降降低到1.15 kPa，流動不均勻度為0.096，混合不均勻度為0.085，壓力降比放大前略有下降，但是綜合性能仍保持優(yōu)良。

圖8 ACG-Ⅰ格柵CFD模擬結(jié)果Fig.8 CFD results of ACG-Ⅰ(a) Velocity distribution; (b) Mass fraction distribution of PDEB

圖9 PX工業(yè)示范裝置的ACG-Ⅰ格柵結(jié)構(gòu)Fig.9 Model of the scaled up ACG-Ⅰ fora PX demonstration plant

為了進一步驗證開發(fā)過程的可靠性，采集示范裝置不同流量下格柵壓力降的數(shù)據(jù)，將其與CFD模擬預測的格柵壓力降數(shù)據(jù)對比，如圖11所示。未經(jīng)過冷模試驗校正的CFD模擬預測的格柵壓力降與PX工業(yè)示范裝置測量的壓力降基本吻合，二者最大偏差小于10%，經(jīng)過冷模試驗校正后，CFD模擬值與PX工業(yè)示范裝置測量值非常吻合，再次證明CFD模擬是可靠的，但是必須經(jīng)過冷模試驗進行校正。

圖10 PX工業(yè)示范裝置的ACG-Ⅰ格柵性能預測Fig.10 Prediction of the performances of ACG-Ⅰ for a PX demonstration plant(a) Velocity distribution; (b) Mass fraction distribution of PDEB

圖11 PX工業(yè)示范裝置壓力降(Δp)測量值與預測值比較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 結(jié) 論

運用CFD模擬與冷模試驗相結(jié)合的方法開發(fā)出ACGm格柵。ACGm格柵的流動和混合均勻性均隨壓力降增加而提高，隨流量減小而降低，ACG04具有最好的混合均勻性，ACG05具有最好的分配均勻性。綜合ACG04和ACG05格柵的優(yōu)點，開發(fā)了ACG-Ⅰ格柵。CFD模擬證明，ACG-Ⅰ格柵具有優(yōu)秀的混合分配性能。

針對中國石化揚子石油化工有限公司 3×104t/a PX工業(yè)示范裝置，將ACG-Ⅰ格柵進行放大，并運用CFD模擬預測其性能。工業(yè)應用結(jié)果證明，ACG-Ⅰ格柵性能優(yōu)秀。運用冷模試驗和工業(yè)現(xiàn)場測得的ACGm格柵壓力降與CFD模擬的預測值比較，二者比較吻合，證明格柵開發(fā)方法是可靠的。

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DevelopmentofKeyInternalsofAdsorptionSeparationTechnologyforPX

ZHU Zhenxing1, WANG Shaobing1, DAI Houliang2

(1.ResearchInstituteofPetroleumProcessing,SINOPEC,Beijing100083,China;2.ChinaPetroleum&ChemicalCorporation,Beijing100728,China)

2016-06-07

中國石化科研開發(fā)項目(110117)資助

朱振興，男，高級工程師，博士，從事計算流體力學、反應器和內(nèi)構(gòu)件開發(fā)、過程建模等領域的研究;E-mail:zhuzx.ripp@sinopec.com

戴厚良，男，教授級高級工程師，從事石油勘探、煉油、化工等領域的研究；Tel：010-59962408；E-mail：sunyou@sinopec.com

1001-8719(2017)05-0803-08

TQ051.8， TQ241.1， TE969

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.05.001