流程模擬技術在丁醛異構物分離中的應用

鄭志強，呂日紅，鄭 卓，董 鑫，李海軍

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 精細化學品廠，吉林 吉林 132021)

吉林石化公司丁辛醇裝置是從德國巴斯夫公司引進的成套技術和設備，設計能力為辛醇50 000 t/a，正丁醇6 950 t/a[1]。丁醛異構物分離是丁辛醇裝置中重要操作單元，作為能耗大戶，原材料、動力消耗偏高。因此，對裝置進行改造，降低消耗和生產成本，提高產品競爭力，成為目前面臨的一項重要課題。

近年來化工流程模擬技術[2-4]在丁辛醇裝置上得到了大量應用，其中以Aspen Plus應用最為廣泛，它是生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統[5]。Aspen Plus源于美國能源部20世紀70年代后期在麻省理工學院(MIT)組織的開發新型第三代流程模擬軟件。經過近40年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十幾個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，用戶上千個。全球各大化工、石化、煉油等過程工業制造企業及著名的工程公司都是其用戶。陳麗[6]應用Aspen Plus軟件對丁辛醇裝置進行了全流程模擬，不同工況下具有較好的收斂性。李治水，李云輝等[7-8]對丁辛醇裝置分離系統進行了模擬優化研究，得到較好的效果。牛玉鋒、胡松等[9-10]針對均相及非均相共沸精餾系統，利用流程模擬技術研究的方法，進行了深入的分析和探討。

丁醛異構物，包括正丁醛和異丁醛。由于在丁醛合成過程中由于有水的存在，使得正丁醛、異丁醛和水體系的相平衡關系非常復雜，該體系在一定組成范圍內存在兩個液相，既有汽液平衡關系(VLE)，又有汽液液平衡關系(VLLE)。而且，水與丁醛兩個異構體均會形成共沸物。因此，作者使用流程模擬軟件Aspen Plus對丁醛異構物分離過程進行模擬計算，建立模型。采用靈敏度分析的方法，尋找最優工藝條件，以達到節能減耗，節約成本的目的。

1 工藝流程簡述

來自羰基合成單元的穩定丁醛進入異構物分離塔，塔頂氣相進入塔頂冷凝器冷凝后，進入分水器，有機相經丁醛回流泵全部回流到塔頂，水相全部采出。液體異丁醛成品從塔頂側線采出，然后通過異丁醛冷卻器冷卻后送出界區。塔底上升蒸汽由塔釜再沸器提供，塔底采出的正丁醛由正丁醛泵經正丁醛冷卻器送到加氫單元。從塔底側線采出的正丁醛成品以蒸汽形式進入到正丁醛冷凝器中冷凝后送至正丁醛采出罐中，通過正丁醛采出泵經正丁醛采出冷卻器冷卻后送出界區去縮合單元。

丁醛異構物分離單元流程見圖1。

圖1 丁醛異構物分離單元流程圖

2 建立模型

采用Aspen Plus流程模擬軟件，對丁辛醇裝置丁醛異構物分離塔建立模型。精餾塔(C-01)使用RadFrac模塊，分水器(B-01)使用Flash3模塊，換熱器(E-01、E-02)使用HeatX模塊。流程見圖2。

圖2 丁醛異構物分離單元模型

采集裝置生產的實時工藝參數及分析數據，代入模型。丁醛異構物分離塔進料物流(01)參數見表1。

表1 丁醛異構物分離塔進料參數

根據裝置物流組分(進料組成見表1)的物系性質，由于醛類具有弱極性，水是強極性物質，因此，物性方法選擇活度系數法[11]。系統為微正壓，所以選擇NRTL方法進行流程模擬[12]。NRTL方程可以用二元數據推算多元溶液的性質，突出優點是能用于液相完全不互溶的系統[13]，因而特別適用于液液分層物系的計算。調整模型使其收斂，并對分離過程的物料平衡、能量平衡及相平衡進行模擬計算。塔底側線采出(05)，塔底側線采出(06)及塔釜采出(07)模擬計算結果與裝置實際值相比較可以看出，模擬計算所得的各項操作參數及物料組成與實際值基本相符，可以用于指導生產，其結果見表2。

表2 模擬計算結果與實際值的比較

3 模型優化研究

靈敏度分析(Sensitivity)是進行工況研究的最有用的方法之一，用戶可以應用它改變一個或多個流程變量從而研究該變化對其它流程變量的影響[14]。通過對丁醛異構物分離單元模型的分析，分別改變精餾塔(C-01)的進料(物流01)位置和冷凝器(E-01)出口溫度，來研究其對冷卻水及低壓蒸汽用量的影響。

3.1 進料位置的優化

精餾塔預留了三個進料口分別位于第52、59、63塊板處。現采用第52塊板進料，在不影響產品質量的前提下，將進料位置作為自變量，考察對精餾塔熱負荷的影響。

進料板位置的優化見表3。

由表3可以看出進料板位置在第59塊板時，最為節能。如果將進料板位置由第52塊移到第59塊，將節約冷卻水20.08 t/h，蒸汽237.7 kg/h。

表3 進料板位置的優化

3.2 塔頂冷凝器出口溫度對異丁醛產品的影響

塔頂冷凝器的出口溫度對分水器中異丁醛產品有著巨大的影響。設定塔頂冷凝器出口溫度為自變量，固定異丁醛產品(物流05)流量，考察其中x(水)及x(異丁醛)的變化，見圖3。

由圖3可以看出，隨著塔頂冷凝器出口溫度的升高，產品異丁醛中x(水)有所降低，而x(異丁醛)則略有上升。裝置冷凝器操作溫度為30 ℃，在保證產品質量的前提下，如果提高冷凝溫度到37 ℃，不但可以保證異丁醛質量和收率，還能夠節約冷卻水和低壓蒸汽的用量。如果進一步提高冷凝器溫度，則分水器分層效果就會變差，汽相異丁醛損失量也會大幅增加。

冷凝器出口溫度/℃圖3 塔頂冷凝器出口溫度對異丁醛產品的影響

塔頂冷凝器出口溫度對冷卻水用量的影響結果見表4。

表4 塔頂冷凝器出口溫度對冷卻水用量的影響

由表4可以看出，塔頂冷凝器出口溫度由30 ℃提高到37 ℃時，可以節約冷卻水81.41 t/h，低壓蒸汽1.09 t/h。

4 結 論

采用流程模擬技術對丁辛醇裝置丁醛異構物分離塔建立模型，模型與裝置實際基本相符。并利用模型對工藝操作參數進行分析和節能優化，提出了優化操作建議。

(1) 通過分析丁辛醇裝置丁醛異構物分離塔進料位置對能耗的影響，確定了最佳進料位置為第59塊板，裝置將節約冷卻水20.08 t/h，蒸汽237.7 kg/h；

(2) 通過分析裝置塔頂冷凝器出口溫度對分水器分水效果的影響，適當將分水器的溫度由30 ℃提高到37 ℃，將節約冷卻水81.41 t/h，低壓蒸汽1.09 t/h。

經過以上優化，累計節約冷卻水101.5 t/h，低壓蒸汽1.33 t/h，降低了生產成本，提高了裝置的盈利能力。

[1] 王強.丁辛醇裝置節能技術改造[J].吉化科技，1995(3):38-43.

[2] 李睿，胡翔.化工流程模擬技術研究進展[J].化工進展，2014，33(S1):27-31.

[3] 楊光輝.化工流程模擬技術及應用[J].山東化工，2008，37(8):35-38.

[4] 陳虹，李敏，王濤，等.化工流程模擬軟件的應用進展[J].四川理工學院學報(自然科學版)，2010，23(5):580-582，585.

[5] 熊杰明，李江保.化工流程模擬Aspen Plus實例教程[M].北京:化學工業出版社，2015:1.

[6] 陳麗.丁辛醇裝置全流程模擬計算[J].煉油與化工，2013，24(1):30-33，62.

[7] 李治水，聶增來，龐栓林，等.丁醇異構物塔的模擬研究與優化改造[J].高校化學工程學報，2016，30(5):1060-1066.

[8] 李云輝，李治水，聶增來，等.丁醛異構物塔產品結構的優化研究[J].天津科技，2015，42(11):29-31.

[9] 牛玉鋒，劉振華，喬凱，等.非均相共沸精餾研究進展[J].廣東化工，2010，37(10):76-77.

[10] 胡松，張冰劍，佘志鴻，等.共沸蒸餾在化工生產中的應用與研究進展[J].化工進展，2010，29(12):2207-2219.

[11] 王蕾，王毅.丁辛醇裝置丁醛異構塔工藝模擬及水力學計算[J].廣州化工，2014，42(17):185-187，223.

[12] 王洪軍，周虹.丁醛精餾塔流程模擬與優化[J].化工設計，2011，21(3):3-5，1.

[13] 陳志新，蔡振云，等.化工熱力學[M].北京:化學工業出版社，2009:87.

[14] 孫蘭義.化工流程模擬實訓[M].北京:化學工業出版社，2012:163.