对二甲苯装置热直供料改造效果分析

炼化企业装置内的节能增效潜力已逐渐趋近瓶颈，但在装置间还存在热联合节能技术。热直供料就是一种“热联合”形式，它是装置间的物料供给方式：即上游装置的产品物流不经过冷却或者不完全冷却，也不送至中间罐区储存再用泵送至下游装置，而是直接引至下游装置作为进料[1-2]。此技术省去了储运中转的过程，既可降低中间罐区需要的罐容、蒸汽消耗和泵送功耗，又可节约上游装置的循环冷却水和减少罐区尾气的排放。

Ⅲ连续重整装置为对二甲苯装置的上游装置，为对二甲苯装置提供C₈芳烃原料，其供料方式有冷热两种供应方式，冷热供料温差约60℃，如此大的温差体现了热供料内在的节能潜力。但由于设计原因，Ⅲ连续重整装置二甲苯塔回流泵压头不足无法实际应用热供料方式，若换泵则成本高，针对这个问题，对原设计热供流程进行改造并一次性投用成功。

1、流程改造及方案实施

1.1对二甲苯（PX）装置概况

某炼油厂600kt/a对二甲苯装置，于2008年12月建成投产，由歧化单元、吸附分离单元、异构化单元、二甲苯精馏单元及联合装界区内配套的公用设施组成[3]。歧化单元采用临氢/固定床甲苯歧化和烷基转移催化剂。吸附分离单元采旋转阀模拟逆流移动床工艺原理，实现对二甲苯从C₈芳烃混合中的分离。异构化单元采用乙苯转化型催化剂[4]。异构化主要反应为二甲苯同分异构体之间的异构，对乙苯转化型催化剂而言，乙苯主要异构成二甲苯，除主反应外，还有一些不期望发生的歧化、脱烷基和裂解反应[5-7]。

目前对二甲苯装置主要以来自Ⅰ、Ⅱ连续重整装置的C₈^＋馏分和Ⅱ连续重整装置的混芳为原料，以Ⅲ连续重整C₈芳烃为补充料，生产苯、对二甲苯和邻二甲苯，同时副产高辛烷值汽油组分、燃料气及重芳烃等。

1.2改造流程

Ⅲ连续重整装置来C₈芳烃有冷C₈和热C₈两种供应方式，冷C₈流程是先通过Ⅲ连续重整空冷器和水冷器进C₈芳烃中间储罐，再通过泵打入脱庚烷塔，在脱庚烷塔底排出进入二甲苯塔，分馏后从塔顶进入吸附进料缓冲罐；热C₈流程是不经空冷器和水冷器，在与异构化白土塔出口汇合后直供PX装置二甲苯塔。针对Ⅲ连续重整装置热C₈芳烃直供过程中泵压头不足的问题，2022年8月对原设计流程进行了重新修订和改造，即利用Ⅲ连续重整热C₈原热供流程，在与异构化白土塔出口管线汇合前新增管线直接引至吸附进料缓冲罐入口，改造前后流程见图1。

1.3方案实施

改造流程于2023年8月15日正式投用，分两个阶段完成，第一阶段，Ⅲ连续重整装置热C₈芳烃通过控制阀按照目标流量大部分供吸附进料缓冲罐、另外少部分通过冷C₈流程至C₈芳烃中间储罐，保留C₈芳烃冷供泵流量在5t/h以上，通过冷C₈芳烃进PX装置流量调整C₈芳烃平衡；第二阶段，Ⅲ连续重整装置热C₈芳烃全供吸附进料缓冲罐，中间储罐停止进出、C₈芳烃冷供泵停运，通过C₈芳烃系统罐位平衡以及吸附和歧化负荷调整C₈芳烃平衡。目前处于第一个阶段，Ⅲ连续重整装置热C₈直供PX装置吸附进料缓冲罐约为23t/h，冷C₈进中间储罐约为13t/h。

2、效果分析

2.1热直供料对吸附进料组成的影响

由于Ⅲ重整装置C₈芳烃热直供料占整个吸附进料的比重不大，热直供料对吸附进料组成的影响不是很明显，主要表现在非芳、苯、甲苯以及邻二甲苯含量变化上。由于热直供料中携带的少量苯和甲苯因未经脱庚烷塔脱除，导致吸附进料缓冲罐进料中的苯和甲苯少量增多，由此增加的苯会占据吸附剂的有效孔容，降低吸附剂对PX的选择性[7]，增加的甲苯虽不会影响PX产品的纯度，但会影响PX产量。由于热直供料中非芳含量较少，直供后吸附进料中的非芳含量下降，而脱庚烷塔塔底的非芳含量增多。由于热直供料中邻二甲苯含量比吸附进料缓冲罐中要高，热直供后吸附进料中的邻二甲苯含量上升，而乙基苯、对二甲苯、间二甲苯含量基本维持不变。

2.2热直供料对脱庚烷塔进料温度的影响

从换热角度看，热直供料温度为95℃，而吸附进料缓冲罐入口温度为230～235℃，热直供料的汇入势必会降低进料缓冲罐出口温度，进而影响后续的换热环节热直供后，吸附进料/解析剂换热器（E27）管程出口温度下降了约4.5℃，为保证吸附进料温度维持在185℃，脱庚烷塔进料/吸附进料换热器（E12）管程旁路阀开度由73.2%增加到了78.6%，热直供料对E27和E12的影响见图2。为维持异构化白土塔进料温度为195℃，脱庚烷塔进料/脱庚烷塔底液换热器（E11）管程旁路阀开度由52.0%增加到了66.6%，热直供料对脱庚烷塔和E11的影响见图3。尽管脱庚烷塔进料量随冷C₈供应量的减少而减少，但是脱庚烷塔进料温度却从158℃下降到了155℃。综上所述，随着热直供料的增加，为维持吸附进料温度和异构化白土塔进料温度的稳定，必然会导致脱庚烷塔进料温度下降。

2.3热直供料对邻二甲苯、对二甲苯产量的影响

热直供前后二甲苯塔邻二甲苯组分物料分析见

表1。其中，Ⅰ连续重整装置C₈芳烃来流量为零，热直供前Ⅲ重整冷供C₈芳烃流量为33t/h，热供后Ⅲ重整热供C₈芳烃流量为13t/h，冷C₈芳烃流量为20t/h。由于计量表存在一定偏差，导致二甲苯塔出物料总量比进料量多5t/h，相对误差小于3%，邻二甲苯出二甲苯塔总净流量比邻二甲苯进二甲苯塔总净流量多约2t/h，相对误差小于3%，表明计算结果是可靠的。通过冷供C₈芳烃流量少13t/h，可计算出脱庚烷塔底出邻二甲苯净流量少2.86t/h，这与表1衡算结果2.81t/h基本一致，表明冷供C₈减少芳烃是脱庚烷塔底出邻二甲苯净流量少的原因。

由表1可知，在二甲苯塔总进料流量少6t/h，邻二甲苯净流量少2.86t/h情况下，二甲苯塔塔底邻二甲苯净流量少0.1t/h，表明热直供料对邻二甲苯塔产量几乎无影响。

根据C₈循环流程可知，C₈芳烃依次经过吸附分离单元和异构化反应后会再次回到二甲苯塔，期间只有邻二甲苯和对二甲苯作为产品采出，而间二甲苯和乙苯在不断的C₈循环中平衡转化成邻二甲苯和对二甲苯。在C₈芳烃来源总量相同的情况下，直供料的增加会导致邻二甲苯产量减小0.1t/h，但影响不大，这与表1衡算结果一致。对二甲苯含量增加1.8t/h，主要是乙苯含量低的优质吸附原料增加，即甲苯塔来料增加1.2t/h，其次是热直供料中邻二甲苯含量高，使二甲苯异构体平衡向对二甲苯转化[8]，两者协同作用导致对二甲苯产量增加[9]。热直供料对邻二甲苯、对二甲苯产量的影响见表2。

2.4热直供料对PX装置能耗的影响

2.4.1能耗分析

冷C₈芳烃供PX量减少后，脱庚烷塔进料/异构化反应液换热器壳程出口温度由125℃上升到了129℃；脱庚烷塔进料/异构化反应液换热器管层程出口温度由121℃上升到了125℃，热直供料对E9的影响见图4，这会导致异构化反应进料温度上升，脱庚烷塔塔底加热炉燃料气用量减少。脱庚烷塔进料温度下降3℃，会导致脱庚烷塔塔底加热炉燃料气用量增加，而脱庚烷塔进料量减少约20t/h，异构化反应进料温度的上升4℃，会导致脱庚烷塔塔底加热炉燃料气用量减少，二甲苯塔进料量减少也会导致二甲苯塔塔底加热炉燃料气用量减少，综上所述，脱庚烷塔塔底加热炉和二甲苯塔加热炉燃料气综合用量能够反映热C₈芳烃直供对PX装置用能的影响[10-11]。

随着热C₈芳烃直供量的增加，脱庚烷塔塔底加热炉燃料气用量增加，二甲苯塔塔底加热炉燃料气用量减少，见图5。在热C₈芳烃直供量为23t/h，冷C₈芳烃供应量为13t/h情况下，脱庚烷塔塔底加热炉燃料气用量增加约50m3/h，二甲苯塔塔底加热炉燃料气用量减少约146m3/h，节约燃料气约96m3/h。

从脱庚烷塔和二甲苯塔回流来看，脱庚烷塔回流量从70.5t/h下降到62.5t/h，二甲苯塔回流量从1280t/h下降到1275t/h。综上所述，表明热C₈芳烃直供吸附进料缓冲罐是节能的。

2.4.2节能验证

Ⅲ重整C₈芳烃主要成分是乙苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯，主要成分的焓差即代表了Ⅲ重整C₈芳烃的焓差，通过对主要组分归一化，Ⅲ重整C₈芳烃中乙苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯含量分别为0.16、0.42、0.22、0.19。由于热供和冷供过程对Ⅲ连续重整C₈芳烃泵送出口压力基本无影响，可视热供和冷供压力一致。热供C₈芳烃和冷C₈芳烃焓差可看成是C₈芳烃从状态1（T₁=30℃，P₁=800kPa）变化到状态2（T₂=90℃，P₂=800kPa）的焓差。

液体有机化合物的摩尔定压热容C_p～T关系式[10-11]为：

式中：ΔH为物质体系由状态(T₁，P₁)经某种途径到达终态(T₂，P₂)时的焓差，J/mol；ΔHP1为物质体系由状态(T₁，P₁)经某种途径到达终态(T₂，P₁)时的焓差，J/mol；ΔHP₂物质体系由状态(T₂，P₁)经某种途径到达终态(T₂，P₂)时的焓差，J/mol；C_p为摩尔定压热容，J/(mol·K)；P为压力，P_a；T为温度，K；A、B、C为常数，A的单位为J/(mol·K)，B的单位为J/(mol·K²)，C的单位为J/(mol·K³)。

通过式5计算得冷热C₈芳烃焓差为11094.20J/mol，见表3，C₈芳烃的分子质量为106.165g/mol，按目前热C₈芳烃直供量为23t/h，可计算得热供C₈可节省能耗2403.5MJ/h，炼油厂然料气热值为39775MJ/t，约节约燃料气60.4kg/h，燃料气密度为0.6～0.8kg/m3，折合为体积为75.5～100.7m3/h，而实际节约燃料气约96m3/h，在理论值范围内。

3、结论

1）由于C₈芳烃热直供量较整个吸附进料量占比不大，热直供料对吸附进料组成的影响不是很明显，主要表现在热直供后，吸附进料中非芳含量减少，苯、甲苯、邻二甲苯含量上升。

2）随着热直供料的增加，会导致吸附进料缓冲罐出口温度下降。为维持吸附进料温度和异构化白土塔出口温度稳定，脱庚烷塔进料/脱庚烷塔底液换热器和脱庚烷塔进料/吸附进料换热器管程旁路阀开度增加，最后反映在脱庚烷塔进料温度上，导致脱庚烷塔进料温度下降3℃。

3）通过邻二甲苯物料衡算可以看出，热直供料的增加会导致邻二甲苯产量下降。由于热直供量流量占吸附进料流量较小，热直供对邻二甲苯产量影响不大。对二甲苯产量增加，一是优质吸附原料甲苯塔料增加，二是热直供料中邻二甲苯含量高导致的平衡转化成对二甲苯。

4）热直供料对PX装置能耗的影响过程是复杂的，但可以通过脱庚烷塔和二甲苯塔的总能耗反映出。在热C₈芳烃直供量为23t/h，冷C₈芳烃供应量为13t/h情况下，总共节约燃料气约96m3/h。通过计算冷热C₈芳烃的焓差，得出热直供C₈芳烃理论上能节约燃料气75.5～100.7m3/h，进一步验证了节能的实际结果。

参考文献：

[1] 易建彬．燃料型重整装置改造新增二甲苯产品分离方案研究[J]．炼油技术与工程，2023 （7）：10-15.

YI Jianbin． Research on the separation scheme of new xy-lene products for fuel type reforming device[J]． Petroleum Refinery Engineering，2023 （7）：10-15.

[2] 王亚君．炼厂热供料优化及效果评估[J]．山东化工，2023，52 （8）：190-196.

WANG Yajun． Optimization and effect evaluation of heat-supply materials in refinery[J]． Shandong Chemical Indus-try，2023，52 （8）：190-196.

[3] 邢献杰，徐宏，杨明辉．对二甲苯装置抽余油塔过程分析与脱瓶颈改造[J]．石油炼制与化工，2015，46 （9）：38-42.

XING Xianjie，XU Hong，YANG Minghui．Process analy-sis and bottleneck removal renovation of residual oil tower in paraxylene unit[J]． Petroleum Processing and Petrochemi-cals，2015，46 （9）：38-42.

[4] 王玉新，梁战桥．RIC-270 二甲苯异构化催化剂的乙苯转化性能研究[J]．石油化工，2020，49 （9）：914-918.

WANG Yuxin，LIANG Zhanqiao．Analysis of ethylbenzene conversion performance of RIC-270 xylene isomerization cat-alyst[J]． Petrochemical Technology， 2020， 49 （9）：914-918.

[5] 牛俊峰，梁战桥．二甲苯异构化工业过程中副反应的控制[J]．石油化工，2015，1 （44）：89-93.

NIU Junfeng， LIANG Zhanqiao． Controlling of side reac-tions in industrial xylene isomerization process[J]． Petro-chemical Technology，2015，1 （44）：89-93.

[6] 周震寰，康承琳，张爱军，等．二甲苯异构化反应机理研究及催化剂的改进[J]．石油炼制与化工，2017，48（9）：8-13.

ZHOU Zhenhuan， KANG Chenglin， ZHANG Aijun， et al．Research on the mechanism of xylene isomerization reaction and improvement of catalysts[J]． Petroleum Processing and Petrochemicals，2017，48 （9）：8-13.

[7] 杨彦强，柏成钢，王红超等．对二甲苯吸附剂 RAX-4000 的 工 业 应 用 特 点 [J]． 石 油 炼 制 与 化 工 ， 2023， 7（54）：42-45.

YANG Yanqiang， BAI Chenggang， WANG Hongchao， et al． Characteristics of commercial application on the RAX-4000 adsorbent of paraxylene[J]． Petroleum Processing and Petrochemicals，2023，7 （54）：42-45.

[8] 王辉国，杨彦强，王红超，等．BaX 型分子筛上对二甲苯 吸 附 选 择 性 影 响 因 素 研 究 [J]． 石 油 炼 制 与 化 工 ，2016，3 （47）：2-4.

WANG Huiguo，YANG Yanqiang，WANG Hongchao，et al．Research on the factors affecting the selectivity of dimethyl-benzene adsorption on BaX molecular sieves[J]． Petroleum Processing and Petrochemicals，2016，3 （47）：2-4.

[9] YAWS C L．Thermodynamic and Physical Property Data[M]．Houston：Gulf Publishing Co．，1992：1-50.

[10] 马沛生．石油化工基础数据手册[M]．北京：化学工业出版社，1993：60-68.

MA Peisheng．Basic data manual for petrochemical industry [M]．Beijing：Chemical Industry Press，1993：60-68.

[11] 王松汉．石油化工设计手册[M]． 北京：化学工业出版社，2001：84-95.

WANG Songhan． Petrochemical design manual[M]． Bei-jing：Chemical Industry Press，2001：84-95.