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1、 60 万吨/年甲苯甲醇制PX 项目SMB 吸附模拟及主要设备选型 60 万吨/年甲苯甲醇制 PX 项目SMB 吸附模拟 及主要设备选型目录吸附工艺确定的依据2吸附剂的选择3模拟移动床原理5模拟移动床数学模型7 模拟移动床动态模型7 平衡级模型7 稳态拟逆流移动床模型7 建立数学模型8 进出节点平衡方程8 质量守恒方程9 动量方程9 传质速率方程10 吸附平衡方程10 初始条件10 计算过程及结果10主要设备选型18 双旋转阀18 增加 ZTC 控制系统19161 吸附工艺确定的依据混二甲苯中主要有对二甲苯(PX)，邻二甲苯(OX)，间二甲苯(MX 和乙基苯(EB)这四种同分异构体，这四种同分
2、异构体的沸点相近，很难用精馏方法分离出高纯度的对二甲苯。目前分离方法主要有以下几种：深冷结晶法、络合分离法、吸附分离法、共晶、磺化等方法。目前工业上主要采用的方法是吸附分离法，该方法主要的技术供应商为UOP 和 IFP 公司。其中 UOP 的 Parex 工艺，迄今为止，全球已建成装置近 90 套； 法国 IFP 公司的 Eluxyl 工艺全球有 14 套。UOP 拥有生产芳烃的全套专利技术，占领了对二甲苯吸附分离市场的大部分份额，而且，Parex 工艺中的旋转阀在实际的运转过程中噪声大，振动大，易造成停车的事故发生。但 UOP 的 Parex 工艺的单阀系统仅能产能 45 万吨/年， 不能达
3、到本项目年产 60 万吨对二甲苯的目标，因此我们自行设计了华东理工大学 EMO 模拟移动床吸附分离对二甲苯工艺，建立了 EMO 数学模型，利用 Aspen Chromatography 进行模拟，并对工艺中采用的催化剂进行选择，对主要的设备进行选型及确定了更加精准的控制方案。2 吸附剂的选择表 2-1 同一装置填装不同催化剂的质量、体积及效率的比较Table 2-1 Comparation of the same plant with different mass , volumn and efficiency项目ADS-7ADS-27ADS-37总装填量/kg702343581052.863
4、2489.3总装填体积/3762.151701.69737.15装填效率/%95.992598.2298.20由表 2-1 得知，对于不同牌号的吸附剂，在设备一定的情况下(即体积一定) ADS-27、ADS-37 的装填效率分别为 98.22、98.20，ADS-7 的装填效率为 96左右，装填效率是单位体积内装填重量的反映，也就是说单位体积内的吸附剂装 填量 ADS-27、ADS-37 高于 ADS-7 两个多百分点。有效装填量高意味着单位体积内有更多的选择性孔体积从而能够处理更多的原料以达到更高的经济效益。ADS-27 吸附剂使用的量最少，达到的装填效率最高。（数据来源于谷立杰,陈德军.3
5、 种吸附剂在扬子石化吸附分离装置中的性能对比J.辽宁化工.2013.42(1):）此外，ADS-7 工业应用已近 20 年，有较高的机械强度。ADS-27 有较高的吸附容量，但强度不足。ADS-37 有更高的吸附容量和较低的运行剂油比，但强度情况需要时间去验证，3 种吸附剂各有优缺点。表 2-2 不同吸附剂的吸附装置运行数据Table 2-2 Operation data from adsorption plant with different adsorbents项目ADS-7ADS-27ADS-37A/0.8460.6980.6602/0.7220.6000.5803/1.521.581.
6、604/-0.37-0.44-0.42区/(3 1)150012721560F/(3 1)278.7265338E/(3 1)198.1187.7246D/(3 1)462.8371.4470R/(3 1)558465.3540备注：A/(吸附选择性孔循环速率 A 与芳烃进料流率之比)2/（区回流比）3/（区回流比）4/（区回流比） F/(3 1)进料流量E/(3 1)抽出液流量D/(3 1)解析剂流量R/(3 1)抽余液流量而设定 A/Fa 的目的是在获得合格目的产品条件下，以最小的公用工程循环获得最高的吸附收率。设定合理的 2/、3/、4/ 能使装置在达到目的产品的条件下有最高的吸附收率以
7、及最小的公用工程消耗。由上述内容可知，ADS-7、ADS-27、ADS-37 三者相比吸附容量和处理能力逐渐升高；公用工程综合能耗及解吸剂循环量均逐渐降低；因而装置运行经济性排列也是逐渐升高；吸附收率及 PX 纯度 ADS-37、ADS-27 有相似性；但ADS-27 的机械强度明显低于 ADS-7，而 ADS-37 的机械强度需运行时间检验， 从目前运行看情况良好。如果 ADS-37 有相似于 ADS-7 的机械强度，不低于ADS-27 的纯度和收率，更好的处理能力及综合能耗。无疑是目前最理想的吸附剂。因此我们采用了 ADS-27 吸附剂。3 模拟移动床原理吸附分离过程中，通过吸附剂选择性吸
8、附以及解析剂对二乙苯（PDEB）的作用，使强被吸附组分对二甲苯从抽取液中提取出来，弱被吸附组分邻二甲苯(OX)，间二甲苯（MX）和乙苯（EB）从抽余液中分离出来。二甲苯吸附分离单元模拟移动床按其功能和位置的不同可以分为 4 个主要区域。如图 3-1 所示。图 3-1四区二甲苯模拟移动床结构示意Fig 3-1 Four zones SMB structure for p-xylene separation在实际生产过程中，为了避免各个流股之间的相互污染，一般会引入两股冲洗液，所以也可分为 7 个区域，如图 3-2 所示。各个区域的划分方式和功能说明如下。图 3-2 模拟移动床 7 区示意图Fig
9、 3-2 Seven zones SMB structure for p-xylene separation区(吸附区)：位于进料口和抽余液出口之间。强被吸附组分在此区域被吸附剂选择性吸附，而弱被吸附组分则保留在液体流动相并且从抽余液出口处被抽出。区(精制区)：位于抽出液出口和进料口之间。该区域的主要功能为利用吸附剂对不同二甲苯异构体吸附能力的差异，使区固相吸附剂中的弱被吸附组分被强被吸附组分以及解析剂不断置换出来，使固相中对二甲苯纯度进一步提升。区域内一次和二次冲洗液将区划分出另外两个小区域，其主要目的为冲洗管线和进一步精制对二甲苯。区(解析区)：位于解析剂进口和抽出液出口之间。该区域的主要
10、功能为利 用解析剂将强吸附组分从固相中解析出来。一次冲洗液将此区域分隔为两个区域， 主要目的为冲洗管线。区(缓冲区)：位于抽余液出口与解析剂入口之间。该区域的主要目的为实现解析剂再生，并通过循环泵将解析剂送至区。另外，该区域可防止抽余液中弱被吸附组分随液相主体进入区，起到缓冲作用。二甲苯吸附分离塔一般由 24 个塔节组成，每个塔节通过管线与 24 通旋转分配阀连接，采用程序控制旋转阀的步进，定期启闭切换吸附塔各塔节进出料和解吸剂阀门，使各液流进出口位置不断变化，模拟固体吸附剂逆流移动，实现模拟移动床连续操作。由于抽取液和抽余液中都含有大量的解析剂，所以吸附分离塔后一般还有两个用于回收解析剂的精
11、馏塔。下面两个表格表示主要物质的吸附常数与总传质系数及我们 EMO 的工艺参数。表 3-1 吸附平衡常数与总传质系数Table 3-1 Adsorption equilibrium constant and overall mass transfer coefficientPXEBOX+MXk0.48750.17080.1616K0.014390.004170.00414表 3-2EMO 工艺参数Table 3-2 Parex operation parameters+进料组成（扣除杂质）/%（体积）20.3266.2513.43阀门切换时间/S111A/内回流比0.850.541.55-0.
12、54 模拟移动床数学模型4.1 模拟移动床动态模型4.1.1 平衡级模型该理论讲 SMB 分为三个子系统，各个系统又可以看做逆流吸附（或解吸） 操作，根据逆流萃取操作计算原理将三个系统关联。基本假设中引入返混流的概念，又将 SMB 分为若干个平衡级系统，离开平衡级的吸附相中某组分浓度与离开平衡级的液相中该组分浓度达到平衡。模型方程如下： 、区. = ( + 1. + 1./ 1.) 的计算 + , = 1. + 1./ 1.)4.1.2 稳态拟逆流移动床模型物料平衡方程：2(1 ) 2 = +传质速率方程：+= ( )吸附平衡方程 = 对于以上模型，存在下面的问题，平衡级模型没有考虑吸附传质速
13、率的影响， 计算结果与实际操作数据偏差较大，且模拟和优化计算时也比较长。稳态拟逆流移动床模型，由于考虑轴向扩散的影响，模型方程含有二阶项， 需要求解大型稀疏方程组，使得计算量骤增。Storti 等提出了三角理论，在由二区三区流比构成的平面空间对过程进行分析。整个分析都是基于平衡而不考虑传质阻力和轴向扩散。最简单的情况是线性平衡条件下，设有两组分 A、B，其在两相间的平衡常数分别为K(K =q/C) K(K = q/C)且K K。作为强吸附组分 A 应在抽出液中，弱吸附组分B 应在抽余液中，为达到完全分离各区流量(Q、Q、Q、Q)应满足以下条件。一区(脱附区): Q ，Q 二区(提纯区): Q ，Q 三区(吸附区): Q ，Q
