使用Aspen HYSYS模拟器对BTX蒸馏装置进行建模与优化设计

《South African Journal of Chemical Engineering》：Modelling and Optimal Design of a BTX Distillation Unit using Aspen HYSYS Simulator

　　阿赫拉姆·M·沙库尔·卡里姆
伊拉克苏莱曼尼理工学院石油与能源系

**摘要**
本研究聚焦于工业蒸馏过程的稳态建模与设计，旨在将苯-甲苯-二甲苯（BTX）混合物分离为高纯度的芳香族产品。研究旨在开发一种高效且节能的分离方案，并评估Aspen HYSYS作为BTX蒸馏系统模拟与设计工具的有效性。所提出的配置包括两个串联操作的 fractional distillation columns（分馏塔），分别用于依次回收苯、甲苯和二甲苯。分离过程使用Aspen HYSYS V11软件进行模拟，其中采用了Peng–Robinson状态方程来准确描述BTX系统的热力学行为。两个蒸馏塔的初步设计采用了简化蒸馏方法（shortcut distillation method）来估算关键设计参数，包括最小回流比、理论塔板数和初始能耗。随后通过严格的设计方法对这些结果进行了优化，以获得在最低能耗下实现所需纯度的最佳设计参数。最后，利用自动截面工具（auto section tool）完成了两塔的机械几何结构和液压设计，将每塔划分为多个部分以提高液压精度并确保塔内结构的可靠性。模拟结果表明，该配置能够成功获得苯99%、甲苯99.3%、二甲苯99%的高纯度产品。自动截面方法准确预测了最小设计和操作参数，而简化方法则适用于关键参数的初步估算。总体而言，模拟结果证实了所设计的蒸馏系统在技术上可行且节能，同时Aspen HYSYS是BTX蒸馏过程建模、设计和优化的有效且可靠的工具。

**1. 引言**
芳香族化合物（包括BTX）通常大量存在于石油精炼厂中催化重整装置的副产物中。为了将这些芳香族化合物从其他烃类中分离出来并得到其纯组分，石油和化工行业采用三元分馏塔作为主要方法，有时也会结合结晶和溶剂萃取等辅助技术（Seedat等人，2021；Wang等人，2017）。BTX在石油、石化和天然气行业中作为基础化学品广泛应用，特别是在洗涤剂、尼龙、药品、油漆、胶粘剂的生产以及汽油调和等领域（McVey等人，2020；Ubam等人，2019；Wang等人，2017）。BTX蒸馏单元的主要目标是通过三元分馏塔获得高纯度的苯、甲苯和二甲苯产品。该过程包括加热混合进料使其汽化，然后根据它们的沸点差异进行分离（Assaf和Corriou，2021；Seedat等人，2021）。蒸馏过程的效率受多种因素影响，如回流比、塔板数、再沸器负荷和流速（Lek-utaiwan等人，2011；Malfi等人，2022；Seedat等人，2021）。根据Malfi（2022）和Redel（2013）的研究，大多数蒸馏塔的设计回流比在1.2至1.5倍的最小回流比范围内。然而，由于蒸馏过程的强相互作用和复杂动态特性，建模与仿真变得较为困难。因此，需要设计并优化蒸馏塔以从蒸馏过程中获得高纯度的苯、甲苯和二甲苯产品（Lek-utaiwan等人，2011；Sotelo等人，2019）。Aspen HYSYS使工程师和工艺设计师能够精确模拟单元行为，考虑热力学、相平衡、传热和传质现象（Redel等人，2013；Sotelo等人，2019）。利用Aspen HYSYS的BTX蒸馏单元是石化行业中的关键工艺，用于从烃类混合物中分离苯、甲苯和二甲苯（Faris等人，2014）。Aspen HYSYS是一款强大的工艺仿真软件，在BTX蒸馏单元的设计、优化和运行分析中发挥着重要作用，通过模拟不同条件下的化学组分复杂相互作用，帮助工程师实现高效分离并满足产品规格和运营目标（Faris等人，2014；Saxena等人，2024；Ubam等人，2019）。BTX设计过程通常从简化方法开始，如Fenske–Underwood–Gilliland（FUG）方程，以估算最小回流比、最小塔板数和最佳进料位置等关键参数。这些初步结果随后通过详细的质量和能量平衡、相平衡关系及塔内流体特性分析进行优化（Sotelo等人，2019）。对于BTX系统，Peng–Robinson（PR）状态方程因其能在宽温度和压力范围内准确预测非极性和微极性烃类混合物的相行为而被广泛选用（Malfi等人，2022；Seedat等人，2021）。此外，Aspen HYSYS还具备灵敏度分析和优化工具等功能，可评估回流比、冷凝器和再沸器负荷、进料条件及塔压等关键操作变量（Saxena等人，2024）。全球已有许多研究使用Aspen HYSYS软件对BTX蒸馏塔进行建模和设计，以实现苯、甲苯和二甲苯的高纯度分离。Saxena等人（2024）使用Aspen HYSYS研究了传统蒸馏和萃取蒸馏（ED）方法，实验中使用了两种溶剂——磺烷和二甲基亚砜（DMSO），分离出的产品纯度分别为苯97.91%、甲苯98.27%、二甲苯96.88%。Joseph Jideofor Obodoeze（2021）利用Aspen HYSYS和Wilson流体模型对催化裂化单元的裂解产物流进行蒸馏过程建模，实现了低成本和高效率的高纯度甲苯和苯生产。Sotelo等人（2019）应用Aspen HYSYS和Peng–Robinson状态方程对原油蒸馏厂的动态模型进行了研究，系统设计包括预闪蒸、常压蒸馏、稳定器和真空蒸馏部分及相关设备。模拟结果（如塔尺寸、塔顶压力和堰长）与文献数据吻合良好。研究还实施了控制策略以在进料扰动下保持稳定运行。总体而言，该研究表明Aspen HYSYS结合Peng–Robinson模型是原油蒸馏厂动态仿真和控制的有效方法。Ubam等人（2019）利用Aspen HYSYS开发了从液化石油气（LPG）合成BTX的工艺，该工艺可生产出高纯度的BTX，作为石化行业多种化学品合成的关键原料。Ubam的模拟结果显示苯、甲苯和二甲苯的纯度分别为89.3%、95.5%和100%。Srivastava等人（2024）研究了从石化工业废水中回收芳香族化合物（BTX）的可持续方法，他们使用Aspen HYSYS软件设计了有效的分离过程，实现了重金属去除率超过99.5%，同时实现了芳香族化合物的再生和再利用，展示了仿真软件在可持续工业实践中的应用价值。

**2. 方法论**
本研究采用三元分馏塔分离苯、甲苯和二甲苯（BTX）。图1展示了传统的三元分离系统，该系统主要由两个塔组成：第一个塔产出苯，第二个塔产出甲苯-二甲苯混合物，随后再分离出甲苯和二甲苯（Hwang等人，2011；Ibrahim等人，2017）。BTX分离单元的设计分为两个主要部分：工艺建模和机械设计，分别针对分离过程的不同方面。蒸馏塔的建模与设计使用Aspen HYSYS V11软件完成。与Sotelo等人（2019）类似，塔的设计充分考虑了操作条件和文献中的理论数据。Ekwonu等人（2013）、Parthiban等人（2013）、Sotelo等人（2019）和Topandi等人（2023）均采用了Ding-Yu Peng和Donald B. Robinson（1976）开发的Peng-Robinson流体模型作为汽液平衡数据和汽液相性质预测的可靠数据库，该模型在广泛的操作条件下具有较高的准确性和计算效率，特别适用于非极性和微极性系统（如BTX、石油馏分和天然气混合物）。两个蒸馏塔的初步设计数据基于Fenske-Underwood-Gilliland（FUG）方程和HYSYS简化方法估算得出。该方法通过简化假设（如恒定相对挥发度和恒定摩尔流量）快速生成近似的设计方案，无需复杂软件或全面仿真（Gadzama等人，2016）。FUG方法是多组分系统的常用简化设计方法，包括使用Fenske方程计算最小塔板数、使用Underwood方程计算最小回流比以及使用Gilliland关联式计算实际塔板数（Malfi等人，2022；Ubam等人，2019）。这些简化估算结果随后作为输入数据用于分离系统的详细设计。表1列出了简化设计所需的基本参数。最后，塔的机械和液压设计采用HYSYS自动截面方法完成，该方法能够处理蒸馏塔的结构复杂性，使工程师专注于整体工艺设计和优化而非塔段细节。HYSYS自动截面方法是一种现代蒸馏设计技术，通过自动化或优化策略将蒸馏塔划分为多个部分，例如计算塔板数、换热器或泵循环回路的位置以及脱蒸汽量，从而优化能量回收或降低成本（Sotelo等人，2019）。图2展示了分离过程设计的仿真方法流程图。BTX蒸馏塔的进料流组成和操作条件。
**进料流组成和操作条件**
| 组分 | 摩尔分数 | 摩尔流量（Kgmol/h） | 沸点（°C） | 分子量（kg/kgmol） |
|-------------|------------|-------------|-----------|--------------|
| 苯 | 0.333 | 3.333 | 80.089 | 8.11 |
| 甲苯 | 0.333 | 3.333 | 110.649 | 92.14 |
| 叔丁基苯 | 0.333 | 3.333 | 138.31 | 106.16 |

**摩尔流量（Kgmol/h）**：100
**分子量（kg/kgmol）**：92.14
**密度（Kg/m3）**：862.8
**温度（°C）**：30
**压力（KPa）**：120

**蒸馏塔操作条件**
| 参数 | C-1 | C-2 |
|-------------|------------|------------|
| 冷凝器压力 | 175 | 190 |
| 再沸器压力 | 215 | 220 |
| 苯在底产品的摩尔分数 | 0.005 | |
| 甲苯在顶产品的摩尔分数 | 0.01 | |
| 叔丁基苯在底产品的摩尔分数 | -0.01 | |
| 叔丁基苯在顶产品的摩尔分数 | -0.005 | |

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**图2. 过程模拟程序流程图。**

**3. 结果与讨论**
BTX分离过程的模拟使用了Aspen HYSYS V11软件进行，图3展示了BTX分离过程的流程图（PFD）。所提出的配置包括一个两阶段分离过程。BTX混合物首先被送入第一蒸馏塔（C_1）的第9层塔板，在这里由于苯的挥发性较高，它通过塔顶从甲苯和叔丁基苯混合物中分离出来。而甲苯则通过第二蒸馏塔（C_2）从叔丁基苯中分离出来。在本研究中，采用了Peng-Robinson流体模型作为状态方程来模拟系统的汽液平衡行为。模拟结果分为三个阶段进行分析：简化柱设计、严格模拟以及塔尺寸和液压分析。
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**图3. BTX蒸馏单元的流程图。**

**3.1. 简化柱设计**
在模拟研究的这一部分，指定了简化柱设计所需的参数，并将其作为Aspen HYSYS模拟器的输入数据。通过应用Fenske-Underwood-Gilliland（FUG）方程，初步确定了两个蒸馏塔的关键设计参数，包括最小回流比、最小塔板数、实际塔板数、最佳进料塔板位置、冷凝器负荷和再沸器负荷。简化方法的估算结果显示，第二蒸馏塔（C_2）需要更多的塔板（实际为23.26层，而C_1为17.86层）。同样，第二蒸馏塔的最小回流比也更高（2.085 vs 1.843）。这些结果表明，第二蒸馏塔的分离过程更为复杂，因为甲苯和叔丁基苯的沸点和挥发性比苯和甲苯更接近，使得分离过程更加困难。此外，最佳进料塔板位置位于两塔的中间，表明蒸馏塔内的质量传递效率较高。能量分析结果显示，由于第二蒸馏塔（C_2）的液相和气相流量较低，其冷凝器和再沸器的负荷也低于第一蒸馏塔（C_1）。因此，Fenske-Underwood-Gilliland（FUG）方法有效地预测了BTX分离过程的主要设计参数，其范围和设计程序与Gadzama等人（2016年）、Malfi等人（2022年）和Ubam等人（2019年）的报告一致。尽管其准确性有限，且不适用于复杂系统（如原油蒸馏塔，Ibrahim等人，2017年），但它可以为简单的分离过程（如BTX分离）提供准确的初步估算。
**表2. 两个蒸馏塔的简化方法结果。**

| 参数 | 第一蒸馏塔（C_1） | 第二蒸馏塔（C_2） |
|-------------|------------|------------|
| 最小回流比 | 1.843 | 2.085 |
| 最小塔板数 | 11 | 14.9 |
| 实际塔板数 | 17.86 | 23.26 |
| 最佳进料塔板位置 | 8.29 | 13.3 |
| 冷凝器负荷 | -4.63×10^6 KJ/h | -5.03×10^6 KJ/h |
| 再沸器负荷 | 6.438×10^6 KJ/h | 5.058×10^6 KJ/h |

**3.2. 严格模拟**
将简化柱模拟得到的初步结果作为输入数据，进行了严格模拟，以获得更准确和现实的结果。表3中的模拟结果显示，苯、甲苯和叔丁基苯被成功分离，并达到了高纯度。进料流（BTX1）由苯、甲苯和叔丁基苯等摩尔比各为0.333的混合物组成，总流量为100 kmol/h，在120 kPa和30°C的条件下操作。在第一蒸馏塔中，苯作为馏出物（B1）被有效分离，纯度达到99.0%，回收率为99.6%；而底产物（TX1）中仅含有0.22%的苯，表明最轻的组分几乎完全被去除。然后TX1流被送入第二蒸馏塔，在那里进一步分离出高纯度的甲苯和叔丁基苯产品。馏出物流（T2）中甲苯含量为99.3%，回收率为98.1%；底产物（X2）中叔丁基苯含量为99.0%，回收率为99.8%。总体而言，这些结果表明所提出的顺序蒸馏配置在保持质量平衡的同时，能够在可行的温度和压力条件下实现所需的高产品纯度，显示出优异的分离性能。
**表3. 两个蒸馏塔的性能和条件。**

**条件**
| 流体 | BTX1 | B1 | TX1 | T2 | X2 |
|-------------|------------|------------|------------|------------|------------|
| 恢复率（%） | 99.0 | 99.6 | 98.1 | 99.8 |
| 组成（摩尔分数） | 0.333 | 0.0022 | 0.0045 | 0.0009 |
| 苯 | 0.333 | 0.0100 | 0.496 | 0.0009 |
| 甲苯 | 0.333 | 0.0100 | 0.993 | 0.0100 |
| 叔丁基苯 | 0.333 | 0.0000 | 0.5014 | 0.0028 |
| 压力（KPa） | 120 | 175 | 215 | 220 |
| 温度（°C） | 30 | 99.47 | 152 | 170.1 |
| 流量（Kgmol/h） | 100 | 33.5 | 26.4 | 32.9 |

**此外，还使用严格模拟方法评估了汽液平衡（VLE）特性。**分析了塔内的温度和压力分布，以评估分离性能。图4和图5显示了两个蒸馏塔各阶段的温度和压力分布，其中第0层代表冷凝器，最后一层代表再沸器。随着我们向下移动塔体，温度逐渐且均匀地升高（C-1塔从99.47°C升至152°C，C-2塔从134°C升至170.1°C）。这种均匀的温度升高反映了蒸馏塔的正常运行情况，即沸点较低的轻组分集中在塔顶，沸点较高的重组分集中在塔底。两个塔内均匀的温度分布表明汽液平衡稳定，塔高处的相分布适当，确认了塔的正常运行。同样，两个塔的压力分布也显示出均匀的升高趋势，C-1塔的压力从175 kPa升至215 kPa，C-2塔的压力从190 kPa升至220 kPa。这种行为对应于塔板的正常压降、均匀的塔板效率以及无水淹和渗漏等液压问题的稳态运行。温度和压力的逐渐均匀升高使得分离性能得以实现。
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**图4. C-1塔从顶部开始的温度和压力分布图。**
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**图5. C-2塔从顶部开始的温度和压力分布图。**

**图6. 两个蒸馏塔各阶段的蒸汽和液体流量。**如观察所示，在进料阶段以上的部分（C-1塔的0-9层，C-2塔的0-14层），蒸汽流量高于液体流量。这是由于蒸汽的密度较低，使其向上移动；而密度较高的液体则向下流动。因此，在顶部区域，蒸汽占比超过液体，到达顶部的蒸汽随后在冷凝器中冷凝。因此，冷凝器负荷与上游阶段的蒸汽流量直接相关，因为它必须去除适当的热量以将蒸汽转化为液体回流和馏出物。另一方面，在进料阶段以下的区域（C-1塔的9-20层，C-2塔的14-25层），由于液体的密度较高，液体流量超过蒸汽流量，导致液体占比高于蒸汽。在两个蒸馏塔的最终阶段（再沸器），由于底产物的抽出，液体流量突然减少。在这个区域，再沸器起着重要作用，因为它提供热量以蒸发部分液体，从而产生向上的蒸汽流动。因此，再沸器负荷与下游阶段的液体流量密切相关，决定了维持分离所需的蒸汽产量。
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**图6. 各阶段的液体-蒸汽流量：（a）C-1塔；（b）C-2塔。**

**图7. 各阶段的组成比例。**如图7所示，摩尔分数分布图说明了BTX分离方法的效率以及所选热力学模型的适用性。在第一蒸馏塔中，苯在塔顶的摩尔分数较高（约0.99），在塔底的摩尔分数较低（约0.0022），而甲苯和叔丁基苯在较低阶段的比例逐渐增加。这表明塔有效地将苯与较重的芳烃分离。然而，在这个塔中，甲苯和叔丁基苯并未完全分离。在第二蒸馏塔中，甲苯和叔丁基苯的分离效果更好：甲苯在塔顶浓度较高（约0.993），而叔丁基苯在塔底的浓度约为0.99。平滑的组成梯度以及中间阶段的交点表明进料位置合适，汽液平衡行为稳定，塔板效率适当。高的组成梯度表明具有高效的质量传递区域和较高的相对挥发性。总体而言，两个塔都表现出可靠的稳态性能，且无液压问题。本研究通过与其他芳香烃分离研究的比较验证了Peng–Robinson（PR）状态方程的预测能力。PR模型准确预测了BTX混合物的汽液平衡（VLE）行为、塔组成和能量需求，与Sotelo等人（2019年）和Topandi等人（2023年）的研究结果一致。这些结果证实了PR模型适用于表示热力学行为和BTX蒸馏过程的设计。
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**3.3. 塔尺寸和液压分析**
最后，使用Aspen HYSYS的自动配置完成了BTX蒸馏塔的机械和液压设计。通过设计程序，每个塔被划分为两个不同的部分：精馏段和 stripping段，以便更高效和准确地计算分离过程。在这种方法中，所有实际的塔板液压计算都被包括在内，如汽液分布、塔高和直径、压降、水淹百分比和渗漏分析等。图8和图9分别显示了两个蒸馏塔（C_1和C_2）的所有内部尺寸和几何形状。根据表4中显示的两个塔的机械和液压结果，由于汽液负荷、内部液压行为和工艺要求的不同，各部分的塔高和直径存在明显差异。在C_1塔中，直径从CS1的0.923 m增加到CS2的1.119 m，这种较大的变化是由于再沸器附近底部区域的蒸汽流量较高，需要更大的截面积以避免水淹。相比之下，第二蒸馏塔的直径较为均匀（分别为0.976 m和0.997 m），且stripping段（CS2）的直径仅有轻微增加，表明由于甲苯和叔丁基苯的分子量和沸点接近，塔内的蒸汽和液体流量变化不大。总之，塔的直径取决于蒸汽流量，必须有效设计以应对这些变化，确保稳态运行和各阶段的最佳质量传递。另一方面，塔高取决于塔板数量和固定的塔板间距（0.61 m）。对于C_1塔，CS2段（6.096 m）比CS1段（4.877 m）更高，这表明底部区域有更多的塔板，通常是为了提高stripping段的分离性能，因为在该段需要去除较重的组分。较高的塔高也反映了再沸器附近需要更多的汽液相互作用阶段，以维持分离效果。相反，C_2塔的结构则相反，CS1段（7.93 m）的高度超过CS2段（6.71 m），表明上部区域有更多的塔板，这意味着精馏段需要额外的分离阶段以达到所需的产品纯度。这些几何变化促进了稳定的运行和适当的质量传递，防止了水淹、渗漏和压力损失等操作问题。
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**图8. 第一蒸馏塔（C_1）的内部几何描述：**A）塔段视图。几何描述/第1段（塔板1至塔板8）。几何描述 / 第2节（托盘9至托盘18）。下载：下载高分辨率图片（524KB）下载：下载全尺寸图片
图9. 第二蒸馏塔（C_2）内部几何描述：塔级视图。
几何描述 / 第1节（托盘1至托盘13）。
几何描述 / 第2节（托盘14至托盘24）。
表4. BTX蒸馏塔的几何和液压结果摘要。

| 列号 | C_1 | C_2 | 参数 | 第1节（CS1） | 第2节（CS1） | 第1节（CS2） | 第2节（CS2） | 起始阶段 | 结束阶段 | 列号 | C_1 | C_2 |
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