Aspen技術環氧丙烷制備工藝的模擬及優化

高希（上海建安化工設計有限公司，上海 200080）

Aspen 屬于充分融合了化工工藝設計、單體設備動態模擬以及優化的過程模擬軟件，操作相對簡便，具有非常強的功能，現階段是世界上應用最為廣泛的過程模擬軟件之一，包括物性數據庫、單元操作模塊、系統實現策略等幾部分。近些年隨著社會的快速發展，對于環氧丙烷的需求量不斷上升，通過Aspen軟件對于環氧丙烷制備工藝實施模擬以及優化能夠實施工藝創新，對于提升環氧丙烷產量、降低企業成本具有非常重要的作用。

1 環氧丙烷制備工藝模擬分析

1.1 工藝性能分析

在環氧丙烷（PO）制備工藝中，過氧化氫環氧化法（HPPO）是應用最為廣泛的方法之一，此種工藝體系為輕烴體系，制備中所產生的全部產物都是非極性物質，可以通過SRK狀態方式實施氣液以及氣液液平衡計算。在實施分離時會產生大量水蒸氣，隨著物料的冷凝會出現水相，所以對系統中存在大量液態水的單元來說，可以通過NRTL或者UNIQUAVC活度系數模型實施液液平衡計算。

1.2 反應和預分離工段模擬

此工段主要包括雙氧水和丙烯直接環氧化反應、丙烯預分離、“冷凝—加熱—冷凝”除氧等幾部分，其模擬情況如圖1所示。

第一，環氧化反應分析。首先將雙氧水和聚合級丙烯、甲醇等投入到原料預混灌（V101）當中，之后將這些混合料投入到環氧化反應器R101當中，將甲醇當作反應體系溶劑，基本控制參數為：反應溫度40-65℃、壓力2MPa、反應時間

40min。完成環氧化反應后混合物會進入到丙烯預分離工序中，實現預分離操作。

第二，丙烯的預分離。完成塔頂分離之后所得氣相丙烯、氧氣等進入到“冷凝—加熱—冷凝”除氧工序。

第三，“冷凝—加熱—冷凝”除氧。首先通過預分離塔（T101）對于丙烯以及氧氣混合物實施部分冷凝，確保其降低到0℃，將氣液兩相在閃蒸罐V103中實施分離。之后對液相實施加熱到4℃，在閃蒸罐V104中實施氣液分離。在完成V103以及V104 的出料混合之后將其冷凝到-6℃，在V105 中對氣液兩相實施分離后得到氧氣富集的氣相，將其送回以便進行丙烯酸和下游產品的生產。V105 和V104 之后能夠得到較高純度的丙烯，經過混合之后通過高壓泵壓縮之后返回到原料預混罐當中。

1.3 環氧丙烷提純工段模擬

經過預分離塔T101 冷凝之后，塔釜流出物料參數如表2所示。

表1 塔釜流出物料參數

從萃取精餾塔所分離得到含有醛類以及丙烷雜質的粗環氧丙烷，之后混合料會投入到甲醇雙效精餾高壓塔（T301）中。經過必要的化學吸附進行醛類過濾之后利用環氧丙烷提純精餾塔（T203）將輕組分物質清除掉，之后將塔頂所排出的輕組分丙烷傳輸回母廠，同時所獲得的高純度環氧丙烷和T203塔釜所獲產品混合之后傳輸到產品儲罐當中即可。

1.4 重組分回收工段模擬

通過萃取精餾塔T201 塔釜所得到的混合物投入到甲醇雙效精餾高壓塔T301中，經過相應反應后塔頂出料能夠得到較高純度的甲醇，此部分屬于常壓精餾塔T302塔釜再沸器熱量的主要來源，在經過相應冷凝之后其中有一部分返回到反應器當中，而另一部分在經過相應的冷凝壓縮之后返回到原料預混罐V101當中。

2 工藝參數的優化

通過上述工藝過程模擬可知，對于局部實施了尋求最優解，獲取了優化參數，主要包括的內容有：各個精餾塔的塔板數、回流比、進料板位置等等。

2.1 對于預分離精餾塔實施優化

第一，對于進料位置實施優化。要按照進料所具有的熱狀態和塔內部的操作情況設定進料板的位置，所設定位置情況在很大程度上影響著分離效果，通過Aspen Plus 對于預分離精餾塔進料板所處位置實施優化分析，從中可知選定第9塊板作為進料位置時能夠得到最高的丙烯濃度，所以該塔可以設定第9塊板當作進料板。

第二，對于回流比實施優化。在進行精餾時回流比會對能耗造成非常大的影響，所以一定要設定可以實現分離效果的最小回流比。通過Aspen Plus對回流比實施優化分析。

回流比在0.4以下時無法滿足分離要求，回流比在0.4以上時分離效果不會有較大變化，所以為了在滿足分離要求的同時能夠保證能耗較低，設定0.4作為預分離塔的最佳回流比。

2.2 環氧丙烷（PO）提純精餾塔優化分析

第一，進料位置的優化分析。在進行環氧丙烷提純優化時，粗環氧丙烷進料位置對于環氧丙烷純度具有非常嚴重的影響，通過Aspen Plus 對于環氧丙烷提純塔進料板所處位置實施優化分析，能夠得到圖1所示結果。

圖1 環氧丙烷純度和進料位置關系

從圖1中能夠得知，在粗環氧丙烷進料位置處在第15塊板的情況下塔釜能夠獲取純度最高的環氧丙烷。所以將第15板設定為環氧丙烷提純塔的進料位置。

第二，對于回流比實施優化。通過Aspen Plus 對于回流比實施優化分析，能夠得到圖2所示結果。

圖2 環氧丙烷采出量和回流比關系

從圖2 中可知，隨著回流比的增加環氧丙烷的采出量在不斷上升，在充分考量塔頂冷凝器和塔釜再沸器熱負荷上升的情況下，可以將環氧丙烷提純塔的最佳回流比設定為9。

2.3 重組分分離塔優化分析

第一，對于塔板數的優化分析。通過Aspen Plus 對于塔板數實施優化分析，隨著塔板數的增加分離效果也有所提升，在塔板數超過13的情況下分離效果并不會再有所增加。所以充分考量到副產物質量、設備投資等方面的經濟情況，可以設定重組分分離塔的塔板數為13塊。

第二，進料位置優化分析。通過Aspen Plus 對于重組分分離塔進料位置實施優化分析。在進料板數量超過8的情況下提純效率會有較大的下降，并且精餾塔上下冷凝器和再沸器的能耗有了較大提升，所以可以將第8塊板作為重組分分離塔的進料位置。

3 結語

本文主要通過Aspen技術對于環氧丙烷制備工藝實施了相應的模擬，在此基礎上對于工藝參數實施了優化，對于進一步提升環氧丙烷的制備效率、降低企業成本具有非常重要的作用。