分壁塔替代兩塔分離芳烴流程改造的研究

何桂春，張 英，伍 祥，華 濤，邱 潔，凌 昊

(1.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.中國(guó)石化撫順石油化工研究院)

精餾是石油化工企業(yè)應(yīng)用最廣泛的單元操作之一，如何降低精餾過(guò)程的能耗對(duì)企業(yè)的節(jié)能降耗、CO2減排和改善空氣質(zhì)量均具有重要意義。化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)被認(rèn)為是解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問(wèn)題的有效技術(shù)手段，可望從根本上變革化學(xué)工業(yè)的面貌[1]。

分壁精餾塔(Divided-wall column，DWC)是完全熱耦精餾技術(shù)的典型代表，是過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)中的一種[2]，可用于分離三組分或者四組分混合物，且能有效避免中間組分的返混，較常規(guī)兩塔流程可節(jié)省30%以上能耗，對(duì)于某些特定的物料，甚至高達(dá)到60%以上，設(shè)備投資節(jié)省30%[3]。

由于DWC在能耗與投資上的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究也不斷深入。Woff等[4]提出了以分液比作為調(diào)控變量的四點(diǎn)控制法。Mutalib等[5]首次提出了溫度控制結(jié)構(gòu)。Serra等[6]提出，與動(dòng)態(tài)矩陣控制相比，PID控制效果更好。Ling等[7-9]以苯、甲苯和二甲苯(BTX)為研究對(duì)象，第一次借助Aspen Plus軟件搭建成DWC的四塔模型，并提出了4×4新型控制回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)料流量和組成±20%波動(dòng)的有效控制。在工業(yè)應(yīng)用方面，自1985年BASF公司實(shí)現(xiàn)DWC首次工程應(yīng)用至今，約有60余套DWC裝置在BASF公司的生產(chǎn)裝置上運(yùn)行[10]。而在世界范圍內(nèi)已有100多套DWC投入工業(yè)應(yīng)用，包括用于天然氣分離、乙酸乙酯提純、芳烴分離、裂解汽油脫苯等工藝[11]。

苯、甲苯和二甲苯是有機(jī)化工的重要基礎(chǔ)原料。在芳烴生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，芳烴的精餾分離目前仍然以常規(guī)塔序列為主。從已有的研究成果來(lái)看，DWC適用于三組分甚至四組分的芳烴混合物的高純度分離，而且相比于常規(guī)塔分離序列還具有投資和能耗上的優(yōu)勢(shì)，如果能夠?qū)⒎直诰s塔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于芳烴精餾分離過(guò)程，將會(huì)使得芳烴抽提裝置所需的能耗大大降低。雖然DWC較常規(guī)塔序具有能耗和成本優(yōu)勢(shì)，然而若將現(xiàn)有裝置替換為DWC仍會(huì)增加大量成本，同時(shí)也給現(xiàn)有裝置的生產(chǎn)和施工帶來(lái)不便。

為了解決上述問(wèn)題，以BTX分離過(guò)程為研究對(duì)象，嘗試性地提出常規(guī)兩塔流程就地改造為DWC的3種可行方案，僅從穩(wěn)態(tài)角度考察和對(duì)比3種DWC改造方案的可行性和節(jié)能效果。

1 常規(guī)兩塔穩(wěn)態(tài)模擬

模擬過(guò)程的原料組成情況如表1所示，進(jìn)料溫度為358.15 K，進(jìn)料壓力為0.9 MPa，進(jìn)料流量8 500 kg/h；模擬過(guò)程采用Chao-Sea物性計(jì)算方法。產(chǎn)品分離目標(biāo)為苯、甲苯和二甲苯(包括鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯)及剩余重組分的純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別達(dá)到0.999 5、0.999 7及0.999 9。常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

表1 芳烴原料的組成

圖1 常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)模型示意

圖1流程中苯塔的塔板數(shù)為54，從第29塊板進(jìn)料，閃蒸罐和回流罐中的溫度和壓力分別為296.15 K和106.39 kPa，分離得到輕組分正戊烷和水)，苯產(chǎn)品從塔側(cè)線出料，再沸器熱負(fù)荷為0.917 8 MW；甲苯塔的塔板數(shù)為60，從第31塊板進(jìn)料，塔頂壓力和溫度分別為106.39 kPa和386.55 K，分離獲得甲苯產(chǎn)品和重組分，再沸器熱負(fù)荷為1.538 8 MW，兩塔的塔板效率均為0.7。

2 分壁塔穩(wěn)態(tài)模擬

DWC的穩(wěn)態(tài)模擬過(guò)程使用Aspen Plus中的RadFrac模塊。采用自建模塊進(jìn)行分壁塔主體結(jié)構(gòu)的組合模擬，即采用一個(gè)汽提塔、兩個(gè)并列的吸收塔和一個(gè)精餾塔進(jìn)行模擬。

2.1 設(shè)計(jì)方案

首先，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)捷計(jì)算可知，若要使此工業(yè)原料分離成的3個(gè)產(chǎn)品的純度達(dá)到要求，所用DWC需要89塊塔板，而圖1流程中苯塔和甲苯塔的塔板數(shù)分別為54和60。這說(shuō)明無(wú)論單獨(dú)用苯塔還是甲苯塔都無(wú)法將其改造成滿足分離要求的DWC。因此，在方案Ⅰ中考慮將其中一個(gè)塔改造為DWC，從側(cè)線抽出一部分中間組分，塔底混合物進(jìn)入另一個(gè)常規(guī)精餾塔完成剩余中間組分與重組分的二次分離。如此既能夠利用分壁精餾塔的節(jié)能優(yōu)勢(shì)降低能耗，又因分壁精餾塔抽出部分中間組分而降低了兩塔的分離負(fù)荷，減少了兩塔的能耗。可以預(yù)期方案Ⅰ的塔結(jié)構(gòu)相比常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)必然在能耗上有所降低。圖2(a)為方案Ⅰ的簡(jiǎn)化概念圖。

受限于苯塔和甲苯塔的塔板數(shù)，方案Ⅰ中，塔內(nèi)依舊會(huì)存在較為嚴(yán)重的返混情況，為盡可能避免返混情況發(fā)生，最大限度地降低能耗，方案Ⅱ考慮將常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)中的某塔改造成分壁精餾塔的精餾段部分，而將另一塔改造成分壁精餾塔的預(yù)分餾段、側(cè)線段及提餾段。按照這個(gè)思路，可以將原有的苯塔作為分壁精餾塔的精餾段，而將原有的甲苯塔作為分壁精餾塔的預(yù)分餾段、側(cè)線段和提餾段。圖2(b)為方案Ⅱ的簡(jiǎn)化概念圖。

圖2 不同改造方案的簡(jiǎn)化概念圖

在常規(guī)的單隔板DWC中，預(yù)分餾段和側(cè)線段的塔板數(shù)是一致的。其中預(yù)分餾段在分離輕組分和重組分上起著重要的作用，相對(duì)而言側(cè)線段的作用并不大。故在方案Ⅲ中，可考慮將苯塔作為DWC的預(yù)分餾段，甲苯塔作為DWC的主塔，在苯塔的塔頂和塔底分別用兩個(gè)氣相流和液相流將苯塔和甲苯塔合并為一個(gè)分壁精餾塔，從而利用一個(gè)分壁精餾塔結(jié)構(gòu)達(dá)到分離苯、甲苯和二甲苯(包括剩余重組分)的目的。圖2(c)為方案 Ⅲ 的簡(jiǎn)化概念圖。

2.2 穩(wěn)態(tài)模擬

按照3個(gè)設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思路，利用Aspen Plus進(jìn)行相應(yīng)模型的穩(wěn)態(tài)模擬。方案Ⅰ中，考慮到甲苯塔的塔板數(shù)大于苯塔，可以選擇甲苯塔改造為DWC結(jié)構(gòu)，而苯塔的結(jié)構(gòu)不變用作圖2(a)中第二個(gè)塔，分離剩余的甲苯和重組分。按照方案Ⅱ的改造思路，DWC的精餾段塔板數(shù)為原流程的苯塔54塊(不包括再沸器冷凝器)，原流程中的甲苯塔改造為預(yù)分餾段(側(cè)線段)和提餾段，總塔板數(shù)之和為60塊(不包括再沸器冷凝器)。方案Ⅲ在模型建立的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品純度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，主塔的塔板數(shù)最少需要：精餾段15塊(不含冷凝器)，側(cè)線段32塊，提餾段21塊(不含再沸器)，總塔板數(shù)為68塊。所以需要增加甲苯塔的塔板數(shù)才能達(dá)到分離要求。圖3為3種方案中分壁精餾塔在Aspen Plus軟件中的四塔結(jié)構(gòu)模型示意。

圖3 分壁精餾塔的四塔結(jié)構(gòu)模型示意

上述穩(wěn)態(tài)模擬過(guò)程中將分壁塔分為4個(gè)部分。圖3中C1，C2，C3，C4分別表示分壁塔的預(yù)分餾段、側(cè)線采出段、精餾段和提餾段，原料從C1塔中段進(jìn)入，苯產(chǎn)品和甲苯產(chǎn)品分別從C3、C2側(cè)線采出，輕組分雜質(zhì)正戊烷和水從C3塔頂采出，重組分從C4塔釜采出。泵、壓縮機(jī)、閥門(mén)等模塊用于調(diào)節(jié)壓力，確保各物流能夠順利進(jìn)入相應(yīng)模塊。此外，模擬時(shí)各塔段相對(duì)于原塔塔徑發(fā)生變化，工程改造時(shí)可根據(jù)比例調(diào)節(jié)塔板開(kāi)孔率。

2.3 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

在建立DWC模型后，需要優(yōu)化的參數(shù)主要為側(cè)線出料量，分液比和分氣比，預(yù)分餾段、側(cè)線段、精餾段及提餾段的塔板數(shù)等。對(duì)提出的3種設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

方案Ⅰ優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)為：分壁精餾塔的總塔板數(shù)為60塊，其中精餾段12塊，提餾段1塊，預(yù)分餾段和側(cè)線段47塊；進(jìn)料位置為預(yù)分餾段第19塊板，側(cè)線出料位置為側(cè)線段第15塊板，側(cè)線采出量為0.755 kg/s，分液比為0.213，分氣比為0.475；兩塔的總塔板數(shù)為54塊，進(jìn)料位置為第20塊。兩塔再沸器總負(fù)荷為2.173 0 MW，比常規(guī)兩塔再沸器總負(fù)荷(2.456 6 MW)降低了11.5%，節(jié)能效果良好。

方案Ⅱ優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)為：分壁塔的總塔板數(shù)為114塊，其中精餾段54塊，提餾段22塊，預(yù)分餾段和側(cè)線段38塊；進(jìn)料位置為預(yù)分餾段第19塊板，苯側(cè)線出料位置為精餾段第35塊板，甲苯側(cè)線出料位置為側(cè)線段第11塊板，分液比為0.223，分氣比為0.462。模擬過(guò)程中，由于分壁塔精餾段塔板數(shù)過(guò)多，苯與甲苯的分離效果極好，塔頂苯純度遠(yuǎn)高于所需的0.999 5，但這對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)銷售沒(méi)有幫助，且造成了預(yù)分餾段頂部的部分返混，在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮減少精餾段的塔板數(shù)。再沸器總負(fù)荷為1.660 6 MW，比常規(guī)兩塔再沸器總負(fù)荷降低了32.4%，節(jié)能效果明顯。

方案 Ⅲ 優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)為：分壁精餾塔預(yù)分餾段的塔板數(shù)為54塊，主塔的塔板數(shù)為72塊，其中精餾段15塊，側(cè)線段36塊，提餾段21塊；進(jìn)料位置為預(yù)分餾段第25塊板，苯側(cè)線出料位置為主塔第4塊板，甲苯側(cè)線出料位置為主塔第22塊板，分液比為0.222，分氣比為0.455。塔內(nèi)輕重組分均無(wú)返混現(xiàn)象，中間組分的返混也屬于正常情況，全塔的液相組成分布情況良好。再沸器總負(fù)荷為1.622 3 MW，比常規(guī)兩塔再沸器總負(fù)荷降低了34.0%，節(jié)能效果明顯，但塔板數(shù)比原有甲苯塔增加12塊，塔高也要相應(yīng)增加，需額外的設(shè)備投資，全年總費(fèi)用比常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)增加19.5%。

3種設(shè)計(jì)方案與常規(guī)兩塔結(jié)構(gòu)的部分操作參數(shù)及能耗對(duì)比見(jiàn)表2。

單從能耗角度分析，方案Ⅲ為最佳節(jié)能方案。但結(jié)合工程實(shí)施角度來(lái)看，方案Ⅰ雖僅在甲苯塔增加了分隔壁，但在實(shí)際操作過(guò)程中，將苯塔改造為分離剩余甲苯與重組分后，塔頂和塔釜溫度分別由原來(lái)的79.6 ℃和136.5 ℃提高至121.0 ℃和161.4 ℃，遠(yuǎn)超過(guò)此塔原定設(shè)計(jì)溫度，無(wú)疑將提高設(shè)備投資和能耗，且就節(jié)能效果來(lái)看，效果一般，故方案Ⅰ可行性不大；方案Ⅱ在增加分隔壁的基礎(chǔ)上只需一條氣相管線和一條液相管線連接兩塔，改造投資小，塔內(nèi)溫度負(fù)荷低，且可達(dá)到大幅節(jié)能的目標(biāo)。方案Ⅲ中甲苯塔需要增加額外塔板和氣液相連接管路，且需要增加塔板數(shù)量，改造投資較大，工程實(shí)施也有一定的難度。因此，方案Ⅱ?yàn)?種方案中最優(yōu)的改造方案。圖4為方案Ⅱ的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)圖。

表2 3種設(shè)計(jì)方案與常規(guī)兩塔流程的操作參數(shù)及能耗比較

圖4 方案Ⅱ的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié) 論

提出了3種將常規(guī)芳烴分離流程就地改造成分壁精餾塔(DWC)形式的改造方案。方案Ⅰ將甲苯塔改造為DWC，其后串聯(lián)苯塔輔助分離甲苯和二甲苯，可節(jié)能11.5%；方案Ⅱ?qū)⒈剿鳛镈WC的精餾段，甲苯塔改造為DWC的預(yù)分餾段和提餾段，可節(jié)能32.4%；方案Ⅲ將苯塔作為DWC的預(yù)分餾段，甲苯塔作為DWC的主塔可節(jié)能34.0%。結(jié)合工程實(shí)施及節(jié)能效果來(lái)看，方案Ⅱ僅需在原流程的甲苯塔中增加分隔壁，同時(shí)增加一條氣相管線和一條液相管線連接原流程的苯塔即可實(shí)現(xiàn)就地改造，塔內(nèi)負(fù)荷低，在原有設(shè)備條件下即可滿足操作要求，改造投資小，且可達(dá)到大幅節(jié)能的目標(biāo)，是3種方案中最優(yōu)的改造方案。

[1] 孫宏偉，陳建峰.我國(guó)化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011(1)：1-15

[2] 任海倫，安登超，朱桃月，等.精餾技術(shù)研究進(jìn)展與工業(yè)應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2016(6)：1606-1626

[3] Lestak F，Collins C.Advanced distillation saves energy and capital[J].Chem Eng，1997，104(7)：72-76

[4] Wollf E A,Skogestad S.Operation of integrated three-product distillation columns[J].Ind Eng Chem Res，1995，34(6)：2094-2103

[5] Mutalib M I A，Zeglam A O，Smith R.Operation and control of dividing wall columns(Ⅱ)：Simulation and pilot plant studies using temperature control[J].Chem Eng Res Des，1998，76(3)：319-334

[6] Serra M，Perrier M，Esuna A，et al.Analysis of different control possibilitiesfor the divided wall column：feedback diagonal and dynamic matrix control[J].Comput Chem Eng，2001，25(4)：859-866

[7] Ling Hao，Luyben W L.New control structure for divided-wall columns[J].Ind Eng Chem Res，2009，48(13)：6034-6049

[8] Ling Hao，Luyben W L.Temperature control of the BTX divided-wall column[J].Ind Eng Chem Res，2010，49(1)：189-203

[9] Ling Hao，Cai Zai，Wu Hao.Remixing control for divided-wall columns[J].Ind Eng Chem Res，2011，50(22)：12694-12705

[10] Niggemann G，Hiller C，F(xiàn)ieg G.Experimental and theoretical studies of a dividing-wall column used for the recovery of high-purity products[J].Ind Eng Chem Res，2010，49(14)：6566-6577

[11] 郭艷姿.分壁精餾塔分離對(duì)二甲苯吸附油抽出液的工藝分析[J].現(xiàn)代化工，2013，33(6)：117-122