PX吸附分离技术核心内构件开发_朱振兴

书书书 收稿日期 基金项目 中国石化科研开发项目 资助 第一作者 朱振兴 男 高级工程师 博士 从事计算流体力学 反应器和内构件开发 过程建模等领域的研究 通讯联系人 戴厚良 男 教授级高级工程师 从事石油勘探 炼油 化工等领域的研究 文章编号 吸附分离技术核心内构件开发 朱振兴 王少兵 戴厚良 中国石化 石油化工科学研究院 北京 中国石油化工股份有限公司 北京 摘要 对二甲苯 是一种重要的有机化工原料 工业上主要采用逆流模拟移动床吸附分离技术 生产高纯 度对二甲苯 格栅作为吸附塔的内构件 是模拟移动床吸附分离技术的核心之一 根据格栅的功能 开发了 基准格栅 运用冷模实验和计算流体力学相结合的方法 对 基准格栅进行优化 开发出性能优良的 格栅 针对 工业装置 将 格栅进行放大试验 运行情况表明 开发的 格栅性能优良 工业数据与 模拟数据比较吻合 关 键 词 对二甲苯 吸附 格栅 冷模试验 计算流体力学 分布 中图分类号 文献标识码 对二甲苯 简称 是一种重要 的 有 机 化 工 原 料 主 要 用 于 生 产 对 苯 二 甲 酸 中国是世界最大的 生产国 但是国 产 缺口巨大 年自给率仅有 国外 出口商掌握着较大的市场话语权 导致整个产 业链的利润受制于人 产业链风险凸显 为满足市 场日 益 增 长 的 需 求 增 加 国 内 产 量 势 在 必行 石油学报 石油加工 年 月 第 卷第 期 工业上主要采用逆流模拟移动床吸附分离技术 生产高纯度 除吸附剂外 吸附分离技术的核 心为吸附室内构件和控制系统 年以前 全世 界工业化的吸附分离技术主要有 种 即美国 公司的 工艺 和法国 公司的 工艺 目前 中国的 装置大多是从国外引进 的 以 工艺为主 年 中国石化石油化工科学研究院即已开 发出 型吸附剂 工业应用结果表明 在 纯度为 质量分数 时 收率可达 随后相继有性能更加优异的新型吸附剂 不断推出 然而 由于缺乏吸附塔核心内构 件 格栅和吸附分离专用控制系统等专有技术 始终 无 法 实 现 吸 附 分 离 技 术 的 完 全 国 产 化 年 中国石油化工股份有限公司组织攻关组 针对包括格栅和控制系统等模拟移动床吸附分离核 心技术在内的成 套芳烃 生产 技 术 进 行 系 统 研 发 年 月 自主知识产权的模拟移动床吸附分 离技术 在中国石化扬子石油化工有限公 司 工业示范装置成功实现工业应用 标志着中国石油化工股份有限公司成为世界上第三 家拥有该技术的企业 年 包括格栅等模拟移 动床吸附分离技术在内的 高效环保芳烃成套技术 获得了 年度国家科技进步特等奖 格栅将吸附塔分割为若干独立而连通的吸附剂 床层 除了支撑上游吸附床层的吸附剂 阻挡其进 入格栅内部外 它的主要功能是收集上游吸附床层 流入的流体 将原料和解吸剂等外部流体导入吸附 塔 将抽出液和抽余液等流体抽出吸附塔 强化流 体在其内部的混合 使流体均匀地分配到下游吸附 床层 复杂的功能决定了格栅开发具有很大难度 首 先 格栅在一个尽量小的空间内实现流体的收集 混合和分配功能 同时还要包括支撑上游吸附床层 载荷的结构 其次 吸附塔直径一般在 有 些超大型装置可达 而每个吸附床层的高度一 般在 左右 在如此小的高 径比的薄饼型床层 内实现物流的均匀分配极其困难 模拟移动床工艺 过程中每个步进时间内 流过格栅的流体的组成和 流量差异较大 对格栅的压力降 混合和分配效果 等性能指标有较大影响 笔者运用计算流体力学和冷模试验相结合的方 法 解决了薄饼型床层物流分配和流量匹配性问题 开发出具有自主知识产权的吸附塔核心内构件 格栅 为模拟移动床吸附分离技术完全国产化奠定 坚实的基础 格栅开发 基于格栅的功能 朱振兴等 提出 基准格 栅 作为后续研究的基准 图 为 基准格栅几 何结构示意图 吸附塔的一层格栅由 个条块格栅拼 成 每块格栅均包括 个物料导入和抽出管 阻挡吸 附剂但允许流体通过的上下表面 流体收集板 缓冲 室 流体整流部件 流体分配部件和支撑结构 图 基准格栅几何结构示意图 基准格栅的 模拟 根据实际 吸附分离工艺条件 运用 模 拟 计算 负 荷 下 导 入 解 吸 剂 对 二 乙 苯 的工况 可得到 基准格栅下方 处的速度分布和解吸剂质量分数分布 如图 所示 由图 可知 基准格栅下方的流体速度分 布和解吸剂质量分数分布都不均匀 为了进一步考 察格栅的混合分配性能 引入标准偏差计算截面的 不均匀度 珚 珚 槡 式 中 为塔截面上检测点数量 当检测点数量 小于 时 应采用 为任一检测点的变量 值 珚 为所有检测点的变量平均值 当 时 性能评价为优 当 时 性能评价为优 良 当 时 性能评价为合格 当 时 性能评价为不合格 在格栅下方 处截面 上取 个点 计算得到的 基准格栅性能如 表 所示 由表 可知 基准格栅的流速不均匀度和 浓度不均匀度都一般 性能等级评价为合格 有很 大改进的余地 石油学报 石油加工 第 卷 图 基准格栅下方流场分布 表 基准格栅性能 基准格栅优化 基准格栅的主要问题是流体混合时间不足 及分配结构的阻力与流体流动路径不匹配 因此 在格栅内部增加延长流体混合时间的部件 同时调 整流体整流和分配部件的开孔率 得到了 格 栅 其中 为 运用 模拟考察不同流 量下 格栅的压力降 分配不均匀度和 混合不均度 结果如图 所示 由图 可知 随着结构优化 格栅压力 降增大 流动不均匀度和混合不均匀度越来越小 随着流量的增加 格栅的压力降增大 流动 不均匀度和混合不均匀度下降 其中 和 种格栅在低流速和高流速下都有较好的 混合分配性能 更适合于模拟移动床这种床层内流 量随时间变化较大的工艺 格栅的混合效果 更好 格栅的分配性能更优 格栅冷模试验 为了进一步研究格栅的流体力学性能 建立了 一个直径 冷模试验装置 评价 格栅 并对 模拟参数进行校正 将 格栅至于 装置中间 上方和下方均填充惰性瓷球 在其上方 和连接物料导入 抽出管处设置示踪剂释放装置 在 格栅下方设有多路光纤探测仪 在装置底部 设有电导率仪 采用单点电导法评价 格栅的分配性能 图 格栅的性能对比 第 期 吸附分离技术核心内构件开发 在 格栅上方脉冲注入一定量的示踪剂盐水 通过塔底出口设置的电导率仪 获得示踪剂浓度随 时间变化的停留时间分布 曲线 通过 曲线的形状和积分面积的方差可以判断流体分配 效果 采用多路光纤脉冲示踪法 格栅的混合效 果 由格栅导入 抽出管脉冲注入一定量的示踪剂红 墨水 通过格栅下方设置的多路光纤探测仪 可测 定多个检测点的示踪剂浓度随时间变化曲线 对每 个点的浓度曲线积分 可得到单位时间流过每个点 的流体中示踪剂的量 由式 计算示踪剂量的不均 匀度可判断侧线输入流体与主流体混合均匀性 格栅分配性能评价 图 为 基准格栅和 格栅的 曲线 由图 可知 相比于 基准格栅 格栅的示踪剂 曲线峰宽较窄且曲线拖尾现象 明显减小 说明 格栅的流体分配性能明显 优于 基准格栅 图 格栅的 曲线 图 为 基准格栅 格栅和 格栅的停留时间方差曲线 种格栅的方差均随流 速增大而降低 说明高流速有利于流体的分配 流 速低于 时 和 格栅的方 差均小于 基准格栅 格栅的方差最小 说明 在较宽的流速范围内均具有更好的分 配效果 图 格栅的停留时间方差曲线 格栅混合性能评价 基准格栅 格栅和 格栅的 混合不均匀度随流量变化曲线如图 所示 图 系列格栅混合不均匀度曲线 由图 可 知 在 一 个 很 宽 的 流 量 范 围 内 格栅和 格栅的混合不均匀度都小于 基准格栅 其中 格栅在流速较低时 的混合不均匀度最小 说明其混合效果最佳 模拟的冷模试验验证 通过冷模试验可知 模拟得出的格栅性能 评价结论与冷模试验一致 通过比较 格栅 模拟计算出的压力降与冷模试验测得的压力降 见图 可进一步验证 模拟的可靠性 石油学报 石油加工 第 卷 图 格栅压力降 模拟值与冷模试验值 由图 可知 模拟出的压力降值与冷模试 验数据对比 二者数据吻合较好 根据试验数据 不断对 模拟参数进行校正 模拟数据与 冷模试验数据越来越吻合 格栅开发与放大 由上文可知 格栅具有较好的混合性 能 格栅具有更好的流体分配性能 综合 种格栅的特点 开发了 格栅 格 栅混合部分设置迷宫结构 延长流体的混合时间 从而强化混合效果 分配部分设置匹配不同区域流 体阻力的流体整流部件和分配部件 强化流体在较 长的流动路径下的分配效果 模拟得到的 格栅下方的流速分布 和 质量分数分布如图 所示 由图 可见 二者分布都很均匀 进一步计算表明 格栅 的压力降为 流动不均匀度为 混 合不均 匀 度为 具有非常好 的混合和 分 配 效果 针对中国石化扬子石油化工有限公司 第 期 吸附分离技术核心内构件开发 图 格栅 模拟结果 图 工业示范装置的 格栅结构 工业 示 范 装 置 简 称 工 业 示 范 装 置 将 格栅放大 结构如图 所示 运用 模 拟考察放大后的 格栅的混合分配性能 见 图 二者分布仍然很均匀 放大后的 格栅仍然具有非常好的混合 分配效果 放大优 化后 格栅的压力降降低到 流 动不均匀度为 混合不均匀度为 压 力降比 放 大 前 略 有 下 降 但 是 综 合 性 能 仍 保 持 优良 为了进一步验证开发过程的可靠性 采集示范 装置不同流量下格栅压力降的数据 将其与 模 拟预测的格栅压力降数据对比 如图 所示 未经 过冷模试验校正的 模拟预测的格栅压力降与 工业示范装置测量的压力降基本吻合 二者最 大偏差小于 经过冷模试验校正后 模拟 值与 工业示范装置测量值非常吻合 再次证明 模拟是可靠的 但是必须经过冷模试验进行 校正 图 工业示范装置的 格栅性能预测 石油学报 石油加工 第 卷 图 工业示范装置压力降 测量值与预测值比较 结 论 运用 模拟与冷模试验相结合的方法开发出 格栅 格栅的流动和混合均匀性均随 压力降增加而提高 随流量减小而降低 具 有最好的混合均匀性 具有最好的分配均匀 性 综合 和 格栅的优点 开发了 格栅 模拟证明 格栅具有优 秀的混合分配性能 针 对 中 国 石 化 扬 子 石 油 化 工 有 限 公 司 工业示范装置 将 格栅进行 放大 并运用 模拟预测其性能 工业应用结果 证明 格栅性能优秀 运用冷模试验和工业 现场测得的 格栅压力降与 模拟的预测 值比较 二者比较吻合 证明格栅开发方法是可 靠的 参考文献 李宇静 陈庆俊 赵云峰 我国石化工业优化发展趋势 石油科 技论 坛 施伟 新形势下我国炼油工业结构调整和转型发展方向 探讨 化学工业 宫雨 秦曼曼 姜洪殿 等 对我国 产业发展的战略 思考 现代化工 张捷 对二甲苯联合装置中的吸附塔和旋转阀 河 南化工 赵毓璋 景振华 吸附分离对二甲苯技术进展 炼 油技术与工程 王 琳 转 阀 控 制 系 统 石 油 化 工 自 动 化 伍于璞 彭世浩 的对二甲苯吸附分离技术 炼 油设 计 谭永忠 施大鹏 镇海对二甲苯联合装置工艺技术特点 炼 油 技 术 与 工 程 王辉国 郁灼 王德华 等 型对二甲苯吸 附剂的工业应用 石油炼制与化工 尹起浩 邵光鹏 国产芳烃吸附剂打破国外技术垄断格 局 中国石化 王辉国 马坚 王德华 等 整体式 分子筛的制备 及其吸附性能 石油化工 第 期 吸附分离技术核心内构件开发 朱振兴 王少兵 张占柱 等 流体分布设备 中国 周雪 漪 计算水 力 学 北 京 清 华 大 学 出 版 社 吴望一 流体力学 北京 北京大学出版社 吴德飞 刘永芳 孙丽丽 等 一种液体收集混合分配 装置 中国 王少兵 张占柱 毛俊义 等 流体分配设备和塔器 中 国 李绍芬 反应工程 第二版 北京 化学工业出版 社 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 殧 殧 殧 殧 石油学报 石油加工 征订启事 石油学报 石油加工 是由中国科学技术协会主管 中国石油学会主办 中国石化石油化工科学研究院承办 的学术刊物 是中文核心期刊 核心期刊 本刊主要刊登有关原油的性质与组成 石油加工和石油化工工艺 炼油化工催化剂 燃料和石油化学品及助 剂 化学工程 反应动力学 系统工程 环保 油品分析等方面的基础理论和应用研究论文及研究结果的综合述 评 优先报道这些方面的最新成果 本刊刊载的各类基金资助项目的论文达