丙烯腈精制過程塔壓模擬分析

楊家軍　張平　馬廣超

摘 要：該文首先對年產11萬噸丙烯腈精制過程中精餾塔的操作壓力進行分析并確定影響因素；然后通過PROII模擬計算得到不同壓力下兩塔頂和塔釜的溫度值，從中分析確定合理的操作壓力值；最后對相應壓力下兩塔的熱負荷進行了計算。

關鍵詞：丙烯腈 操作壓力 模擬 PROII

中圖分類號：TQ113.26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0080-03

目前，丙烯腈生產裝置中的絕大多數仍是采用丙烯氨氧化生產工藝[1]。此工藝中精制單元起著重要作用：將粗丙烯腈中的氫氰酸回收并除去水和少量的丙烷、二氧化碳、丙烯醛和重組分等。關于這方面的模擬研究已有一些報導[2-4]，這些研究中有對過程建立模擬系統的，也有對操作參數進行分析優化的，但從設計角度對工藝參數的模擬研究很少，因此關于這方面研究對于設計和操作來說都是具有意義的。該文中研究對象是年產11萬噸丙烯腈裝置中的精制過程。文中模擬系統的建立利用PROII軟件，主要考慮的工藝參數是精餾塔的操作壓力。

1 精制工藝分析

丙烯腈精制單元一般由脫氫氰酸塔和產品塔組成，前者主要用于得到純度較高的氫氰酸并除去水和粗丙烯腈中的一些輕組分，后者主要得到純度較高的丙烯腈并將產品外的其他液相采出循環至前一工段。兩塔的流程與普通精餾塔相比顯著的區別是存在側線采出：脫氫氰酸塔需側線采出塔中的液相，液相分層后將水層采出，實現脫水目的；成品塔中需側線采出成品丙烯腈，因塔頂部采出中會含有少量水和其它雜質，塔釜采出中會含有一些重組分。對于此精制工藝的設計來說，首先需關注的是工藝操作壓力，因為其影響著冷卻介質與加熱介質的選擇和冷凝器、再沸器的形式。該文并不對兩塔的具體尺寸數據作過多討論，重點通過模擬計算分析確定壓力參數。

2 工藝模擬

對于年產量為11萬噸的丙烯腈生產裝置（年生產時間為7 200小時），設定丙烯腈產品純度為大于等于99.5%（wt），精制過程丙烯腈損失率按照1.7%計算（循環部分按做損失算），進料粗丙烯腈的組成參考工業上多數情況定義。丙烯腈精制單元進料見表1所示。以下僅對模擬中一般性的設置作簡單介紹。在PROII中定義各組分和進料流股，脫氫氰酸塔熱力學模型選擇基于液相活度的汽液相NRTL方程，成品塔選用選擇修正的狀態方程SRKM。兩塔均選用不帶冷凝器的Ddistillation模塊模擬，根據Shortcut模塊計算結果設置Ddistillation模塊中相應數據，求解方法分別選用Chemist法和I/O算法。

3 操作壓力

操作壓力的選取一般需考慮能否使用冷卻水冷凝、操作壓力對相對揮發度和傳質效率的影響、以及塔造價和操作費用等。對于脫氫氰酸塔，按照清晰分割估算塔頂組成，其中氫氰酸的質量百分含量為99.5%，由PROII中Streams模塊計算49 ℃此流股的泡點壓力為1.13 MPa，若采用加壓操作，是可以使用冷卻水冷凝的。而對于此工藝，選用操作壓力時不得不考慮塔內物料的危險性。由于氫氰酸和丙烯腈的毒性很大，所以從安全上考慮兩塔最好都在負壓下操作，同時負壓操作也會降低塔內溫度，減少聚合損失，并且降低塔釜熱源所需溫度。但負壓操作下冷卻劑便不能采用冷卻水了，同上的塔頂組成Streams模塊計算壓力為1個大氣壓時流股的露點溫度為20.86 ℃，負壓下用一般的冷卻水將塔頂物料冷卻到露點是不可能的。模擬計算得1個大氣壓時流股被全部冷凝下來的溫度約為-51.85 ℃，這需要高的冷卻費用。考慮造成此結果的原因是塔頂需排出一些不易被冷凝的氣體，如丙烯、丙烷等，所以可以考慮塔頂氣體先部分冷凝，二次冷凝后的不凝氣體直接去火炬。一次冷凝后的液相分率按氫氰酸的摩爾分數估算為0.94，此液相分率下不同操作壓力對應塔頂物料溫度數據見表2。

表2中數據顯示了不同壓力下將脫氫氰酸塔頂物料冷凝成94%（摩爾）的液相所需將物料冷卻到的溫度。壓力越低所需的冷卻費用和真空泵的操作費用越高，同時塔釜溫度也越低，即所需熱源溫度也越低，不同壓力下塔釜泡點溫度見表3數據。由于丙烯腈生產工藝回收單元中會產生溫度為110 ℃左右的貧水，可作為脫氫氰酸塔和成品塔的塔釜熱源利用。一般性的初步設計中考慮全塔壓降為30 KPa，所以為了使脫氫氰酸塔基本均在負壓狀態下，至少取塔頂壓力為70 KPa。但此值應該是相對合理的值，因為氫氰酸主要在提餾段以上的區域分布。此條件下，塔釜溫度為76.39 ℃，與熱源有三十多度的溫差，能夠實現換熱。

對于成品塔，其分析過程與脫氫氰酸塔類似。成品塔塔頂采出中含有的主要組分為丙烯腈，由于其沸點不低量又較大，所以可應用冷卻水將塔頂中絕大部分的氣相物料冷凝，之后再用冷卻劑二次冷凝。因此取經水冷器后物料的液相摩爾分率為0.99，模擬計算得到表4的數據。冷卻水的溫度取為25 ℃，若要保持20 ℃的溫差則塔頂壓力由內插法得為38.59 kPa。仍按全塔壓降為30 kPa時計算不同壓力下塔釜液的泡點溫度，得表5數據，塔釜采出中丙烯腈的含量也很高，但其中會含有少量的重組分，所以取丙烯腈摩爾含量為0.999計算泡點溫度。對于熱源為110 ℃的貧水來說，從溫度差來看真空操作下均能實現換熱。在確定后的兩塔壓力分別為70 KPa和38.59 KPa，全塔壓降均為30 KPa時對兩塔進行模擬，得到的冷凝器和換熱器熱負荷如表6所示。

4 結語

該文對11萬噸每年的丙烯腈裝置中精餾工段兩精餾塔進行了模擬研究，主要分析兩塔操作壓力的確定過程，并確定了相應的壓力值和兩塔的熱負荷。對同類設備的設計和操作均有一定指導意義。

參考文獻

[1] 吳糧華.丙烯腈生產技術進展[J].化工進展，2007，26（10）：1369-1372.

[2] 高永涉，馬玲.丙烯腈生產中如何對精餾塔進行模擬優化[J].天津化工，2007，21（4）：45-47.

[3] 趙翌穎，史艷紅，程英超，等.丙烯腈生產工藝優化研究[J].化工科技，2006，14（3）：46-48.

[4] 張平.21.2萬噸/年丙烯腈生產裝置回收和精制過程的模擬分析[D].上海：上海師范大學，2013.