丁基橡膠裝置溶劑回收工段節能優化

王耀偉，朱煒玄，葉昊天，韓志忠，董宏光，欒 波

（1.山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256500；2.大連理工大學 化工學院，遼寧 大連 116000）

丁基橡膠是世界上第四大合成橡膠膠種，具有優良的氣密性和良好的耐熱、耐老化等性能，在內胎、氣密層、黏合劑及耐熱運輸帶等領域有著廣泛的應用［1-2］。丁基橡膠是大量的異丁烯和少量異戊二烯的共聚產物［3］。生產丁基橡膠幾乎都是采用氯甲烷為稀釋劑、氯化鋁為引發劑［4］，未反應的單體和溶劑在溶劑回收工段回收［5］。

為得到一定相對分子質量的丁基橡膠，聚合反應必須在極低的溫度下進行（-90～-100 ℃）［6］。極低的溫度導致丁基橡膠生產過程中的物耗和能耗很高，如何提高聚合反應溫度和聚合釜的運轉周期成為了關鍵問題［7］。近年來，國內外的研究主要集中在聚合反應引發體系［8-10］、聚合反應器［11-12］以及新型淤漿穩定劑［13-14］等方面，還有一些學者致力于研究丁基橡膠裝置中異丁烯和異戊二烯的聚合條件［15-18］，以防止在裝置中某些設備處發生聚合堵塞等問題。但目前對于丁基橡膠裝置除了反應以外的節能降耗鮮有研究。由于溶劑回收工段蒸汽用量占整個裝置50%～60%，因此對其節能降耗進行研究具有重大意義。

本工作通過對溶劑回收工段進行建模分析，將溶劑回收工段四塔流程改為三塔流程，并以有效能損失最小為目標對其中熱耦合塔組能量分配進行了優化。

1 溶劑回收工段的工藝流程及分析

某石化廠丁基橡膠裝置工藝流程見圖1。溶劑回收工段進料量為26 845.7 kg/h，其組成（w）為：氮氣0.3%、氯甲烷94.4%、異丁烷0.2%、異丁烯4.7%、異戊二烯0.3%，工藝包含4個塔：溶劑提純塔（T-1）、催化劑溶劑塔（T-2）、溶劑回收塔（T-3）和異丁烯回收塔（T-4）。物料首先進入T-1，塔頂氣相經冷凝后部分作為回流，部分采出物至T-2，塔底物料去T-3作液相回流，T-1塔頂回流罐中氣相經三級冷凝閃蒸后，前兩級冷凝液返回溶劑提純塔回流罐。T-2主要作用是分離得到催化級氯甲烷（4 037.3 kg/h）和溶劑級氯甲烷（2 433.1 kg/h）。由于聚合反應對雜質極其敏感，因此要求催化級氯甲烷純度大于等于99.7%（w），溶劑級氯甲烷純度大于等于98.2%（w）。T-3的主要作用是回收T-1塔底物料中的氯甲烷，塔頂氣相返回溶劑提純塔底，因此T-1與T-3形成了一組熱耦合精餾塔。T-3塔底物料進入T-4，塔頂得到異丁烯，塔底得到異戊二烯。

T-1與T-2的總能耗占整個工段能耗的85.8%，能耗很大，其主要原因在于進料中94.4%（w）的組分為氯甲烷，而大部分的氯甲烷在兩個塔中被反復蒸發了兩次。由于溶劑級氯甲烷純度只有98.2%（w），且溶劑級氯甲烷占進料總量79.84%（w），可以采用側線的方式采出溶劑級氯甲烷［19］。T-1和T-3其實質為一組熱耦合精餾塔，通過有效能計算，T-1有效能損失為482 kW，T-3有效能損失為5.3 kW。有效能損失不僅反映了能量“質”的利用，也反映了能量“量”的利用。從能量“質”的角度來說，T-1塔底溫度低于T-3，所需能量要低于T-3，因此T-1分離任務所需能量從T-1加入更為有利；但從能量“量”的角度來說，T-3塔頂氣相返回T-1塔底，在T-3中加入的熱量會在T-1中得到二次利用，提高了能量的利用效率，因此能量更多地從T-3加入也有一定的優勢。因此需要研究分析熱耦合塔組的熱負荷分配，得到最低的有效能損失。

圖1 溶劑回收工段流程Fig.1 Process flowsheet of solvent recovery system.

2 溶劑回收工段模擬流程的建立

2.1 熱力學模型的選擇

丁基橡膠裝置溶劑回收工段中的組分為氯甲烷、異丁烯、異戊二烯、異丁烷、惰性氣體等，由于其極性不強，非理想性偏弱，因此選用物性方法PENG-ROB對該工段進行描述。

2.2 模擬流程的建立

對溶劑回收工段流程進行模擬，溶劑回收工段的模擬流程見圖2。

圖2 溶劑回收工段模擬流程Fig.2 Simulation flowsheet of solvent recovery system.

2.3 模擬結果及驗證

為了驗證模型的可靠性，將溶劑回收工段設計值與模擬值進行對比分析，結果見表1。從表1可看出，模擬結果與設計值吻合程度較高，所有參數相對誤差均在5%以內，在工程允許的誤差范圍內，因此，可用該模型進行流程的優化模擬研究。

表1 溶劑回收工段模擬結果與設計值參數對比Table 1 Comparison of design values with simulation results in solvent recovery system

3 溶劑回收工段優化模擬研究結果

溶劑回收工段優化流程見圖3。圖3中將T-1和T-2合并為一個塔，即氯甲烷塔（T-0），原料首先進入T-0，塔頂得到催化級氯甲烷，側線得到溶劑級氯甲烷，塔底物料作為T-3的液相回流，T-3的塔頂氣相返回T-0塔底作為部分熱源，并回收T-0塔底物料中的氯甲烷，T-0與T-3為一組熱耦合塔，T-3塔底物料至T-4，塔頂得到異丁烯，塔底得到異戊二烯。

由于T-0采用側線采出溶劑級氯甲烷，使其分離效率降低，因此需要對其進行重新設計，優化它的理論板數、進料位置、塔頂氣相流出量以及側線采出位置。并以總有效能損失最小為目標優化分配熱耦合塔組（T-0和T-3）的再沸器熱負荷。

圖3 溶劑回收工段優化流程Fig.3 Optimized flowsheet of solvent recovery system.

3.1 氯甲烷塔的優化

圖4為T-0的理論板數、進料位置、側線采出位置和氣相流出量對催化級氯甲烷純度、溶劑級氯甲烷純度及T-0與T-3總再沸器熱負荷的影響。其中，由于T-3塔頂氣相返回T-0塔底，因此隨著T-0理論板數的改變，其進料位置也需相應改變。通過Aspen plus中的calculator功能使T-3塔頂氣相的進料位置每次都等于T-0的總理論板數，且將calculator計算順序調整在T-0計算之前。由于T-0進料位置對T-0和T-3總熱負荷影響不明顯，因此沒有在圖中進行表示。

根據圖4靈敏度分析，并結合產品純度要求可知，T-0最優理論板數為45塊，最佳進料位置為第17塊（自上而下），最優側線采出位置為第10塊（自上而下）以及最優氣相采出量為90 000 kg/h。

3.2 氯甲烷塔與溶劑回收塔再沸器熱負荷分配優化

通過不斷調整T-0和T-3的再沸器熱負荷，并計算出不同再沸器熱負荷下各塔的有效能損失，得到T-0有效能損失、T-3有效能損失及總有效能損失三維圖，結果見圖5。由圖5可知，T-0有效能損失為208.6 kW，T-3有效能損失為46.6 kW，其對應的再沸器熱負荷分別為4 852 kW和1 000 kW。

表2為溶劑回收工段優化流程和原流程模擬值的對比分析結果。從表2可看出，在產品指標不變的條件下，總能耗由9 895 kW降低至6 432 kW，降低了35%。原流程中總有效能損失為958.3 kW，優化流程中總有效能損失為255.2 kW，有效能損失降低了703.1 kW。

圖5 有效能損失三維圖Fig.5 Three-dimensional diagram of energy loss.

表2 溶劑回收工段優化流程與原流程模擬值對比分析Table 2 Comparison of simulation values of optimal process with original process in solvent recovery system

4 經濟評價

基于原流程和優化流程的模擬結果，采用Aspen Process Economic Analyzer對其進行經濟評價，計算結果有效可靠［20］。由于優化流程并沒有改變進料和產品指標，因此對原料和產品價格不予考慮，取生命周期為20年，年操作時間為8 000 h，分析固定資本投資和年總成本，結果見圖6。其中，固定資本投資包括設備費用、安裝費用、電費、管道費等，年總成本包括固定資本投資的折舊費（按20年生命周期和4%剩余價值計算）。由圖6可知，通過將溶劑回收工段中原四塔流程改為三塔流程，固定資本投資由4 022.15萬元降低至3 350.90萬元，降低了16.69%。

公用工程費用見表3。操作勞動和維護成本及工廠管理費用（取操作勞動和維護成本的50%）見圖7。由圖7及表3可知，公用工程費用由2 756.08萬元/年降低至1 863.704萬元/年，降低了32.38%；年總成本由3 061.75萬元/年降低至2 135.02萬元/年，降低了30.27%。具有較大的經濟效益。

圖6 原流程和優化流程固定資本投資對比Fig.6 Comparison of fixed capital investments of original process and optimal process.

表3 原流程和優化流程公用工程費用對比Table 3 Comparison of utility costs of original process and optimal process

圖7 原流程和優化流程年總成本對比Fig.7 Comparison of total annual costs of original process and optimal process.

5 結論

1）對溶劑回收工段進行全流程模擬，各塔再沸器熱負荷和產品純度等關鍵指標的模擬值與設計值的吻合程度較高，說明所建模型能夠準確模擬，可用 于進行流程優化改進。

2）將溶劑提純塔和催化劑溶劑塔合為一個塔——氯甲烷塔，側線采出溶劑級氯甲烷，對氯甲烷塔優化后，最終可節能35%。

3）優化流程相比原流程固定資本投資減少了16.69%，公用工程費用減少了32.38%，年總成本最終降低了30.27%，具有較大的經濟效益。