BDO重組分脫除塔ASPEN PLUS模擬與研究

劉紹波

(新疆國泰新華礦業股份有限公司，新疆 昌吉 831700)

BDO，全稱為1,4-丁二醇，又名1,4-二羥基丁烷，英文名是1,4-butanediol，分子式C4H10O2，相對分子質量90.12，其為無色黏稠油狀液體，可燃，凝固點為20.1 ℃，熔點為20.2 ℃，沸點為228 ℃[1]，相對密度為1.017 1，能與水混溶，溶于甲醇，微溶于乙醚，它是一種重要的有機和精細化工原料，被廣泛應用于醫藥、PBT、GBL和PU Resin、涂料和增塑劑等，還可以作為溶劑和電鍍行業的增亮劑。

1 BDO生產工藝

BDO生產工藝有很多種[2-3]，但是只有4種工藝實現了工業化生產，這4種生產工藝分別為Reppe法、丁二烯法、丙烯醇法和順酐法。由于我國多煤、貧油、少氣的特點，因此我國目前建設的BDO生產工藝大部分采用炔醛法[4]。本研究主要是針對該工藝進行的。

本文以正在運行的生產裝置精餾單元中重組分脫除塔為研究對象，以炔醛法生產為工藝路線。

本公司工藝可分為1，4-丁炔二醇低壓加氫、高壓加氫和精餾單元，其簡要流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程方塊圖

來自上游炔化車間含水60%(質量分數)的1,4-丁炔二醇溶液與海綿鎳催化劑按照一定比例混合后，送至淤漿床反應器，同時，氫氣自界區外送至此反應器，在壓力2.0 MPa、溫度55 ℃條件下反應生成BDO和少量副產物，然后，經過過濾系統將催化劑與BDO水溶液分離，催化劑回收送至低壓加氫反應器再利用。BDO溶液作為高壓加氫的原料，其主要反應如式(1)。

(1)

低壓加氫能使1,4-丁炔二醇原料轉化為BDO的轉化率達到90%左右，殘存在低壓BDO粗產品中少量不飽和化合物在高壓反應中進一步加氫生成BDO產品。其主化學反應方程式如式(2)。

(2)

高壓加氫產物經過精餾單元脫除其中的水、殘渣、輕組分和重組分后，得到高純度的BDO產品。

2 脫除重組分塔流程

2.1 ASPEN流程搭建

來自上游輕組分塔的物料進入重組分塔，脫除其中的重組分。根據物料的特性，本次設計選用負壓塔模型來進行流程模擬，流程圖如圖2。

圖2 重組分脫除塔流程圖

流股101為來自上游的粗BDO溶液，其中BDO質量分數為95%，加入重組分脫除塔(T-101)，塔釜流股103的主要組分為重組分和BDO，塔頂流股102是質量分數為99.6%的BDO產品。

2.2 重組分的選擇

由于重組分是由多種不明成分組成的混合物，在ASPEN模擬中只能選擇用類似性質的純組分物質來替代，為了確保選取替代物的物性與重組分更接近，利用試驗的方法分別測出了重組分的沸點、密度和黏度，詳見表1。

表1 重組分物理性質

2) 根據沸點試驗得到重組分的沸點為307 ℃，利用ASPEN輸入組分的查找功能，根據沸點條件進行查找，輸入沸點區域為300 ℃至310 ℃，結合實際生產經驗，從中選擇3種純物質來替代重組分，在此選擇的是正庚基苯(C17H36)、四丁醛(C14H28O)和正十二基環戊烷(C17H34)。詳見圖3。

圖3 重組分替代物選擇

利用ASPEN PLUS中物性分析功能，獲得以上3種物質在一個大氣壓下、溫度為20 ℃時的黏度與密度，詳見表2。

表2 重組分備選替代物性質

通過將表2數據與實驗結果對比可以看出，重組分的性質與正庚基苯比較接近，因此選擇性質最為接近的正庚基苯作為重組分的替代物。

2.3 進料條件

重組分脫除塔的進料物流流量為13 750 kg/h，溫度為150 ℃，壓力為500 kPa(g)，其組成如表3所示。

表3 重組分脫除塔進料組分表

3 精餾過程模擬與優化

3.1 簡潔計算

用簡潔精餾法初步將物流以重組分和丁二醇分成兩大部分，確定最小回流比、最小理論板數、實際回流比、實際理論板數和進料位置等參數。

由于本文中的物料屬于極性較強的體系，在熱力學性質計算方法的選擇中，對于極性較強的體系，常采用活度系數法計算相平衡常數，其中，WILS-RK是活度系數法中較常用的一種，并且結合經驗，選用WILS-RK狀態方程物性方法。

輸入進料條件(詳見2.3)，設置模塊參數中的最小回流比為0.3，塔頂輕關鍵組分(BDO)的摩爾回收率為0.999，重組分在塔頂的摩爾回收率為0.001，塔頂壓力為40 kPa，塔底壓力為50 kPa。

運行模擬，塔頂流股得到質量分數為99.56%的BDO溶液，基本滿足分離要求。同時確定了初步的塔板數為29，進料位置為17，最小回流比為0.18，餾出與進料比為0.994。

3.2 嚴格計算

利用精餾塔嚴格計算模塊Radfrac對重組分脫除塔進行嚴格計算。設置進料條件與簡潔計算進料條件相同，詳見2.3。

根據簡潔計算結果，進行嚴格計算塔模塊的設置，其中，塔板數為29，冷凝器類型為全凝器，回流比為0.3，蒸餾物與進料比為0.993 7，進料位置為17，進料方式為On-stage，塔頂壓力為40 kPa，塔的壓降為10 kPa。

設定完成后運行，模擬文件收斂，查看模擬結果，塔頂BDO產品的質量分數為99.65%，符合產品質量要求。

3.3 流程優化

為了考察靈敏度分析進料板位置、理論板數和回流比對產品質量的影響，選用模型分析工具中的靈敏度分析。以下分別對重組分脫除塔作靈敏度分析，以確定最佳進料位置、理論塔板數和回流比。

1) 理論板數

經過對理論板數與丁二醇純度進行靈敏度分析，得到理論板數與丁二醇的關系曲線圖如第56頁圖4。

從理論上來講，理論板數增加，產品純度增加[5]，但是當理論板數增加時，塔高增大，從而增加了塔的制造成本。從圖4可以看出，當理論塔板數大于27塊時，產品純度基本不變，因此確定塔板數為27塊。

圖4 理論板數與BDO純度關系

2) 回流比

經過對回流比與丁二醇純度進行靈敏度分析，得到回流比與丁二醇的關系曲線圖如圖5。

圖5 摩爾回流比與BDO純度關系

從圖5可知，當回流比大于0.24時，產品純度隨回流比增加放緩，因此確定回流比為0.24。

3) 進料位置

經過對進料位置與丁二醇純度進行靈敏度分析，得到進料位置與丁二醇的關系曲線圖如圖6。

圖6 進料位置與BDO純度關系

從圖6可知，當進料位置在第14塊塔板時，產品純度最優，因此確定進料位置為第14塊塔板，經過對該塔的靈敏度分析確定最優理論板數為27塊，最佳進料位置為14塊，最優回流比為0.24。

3.4 模擬結果與生產數據對比

實際生產數據與模擬結果的對比如表4所示。

表4 模擬結果與實際生產數據對比表

4 結論

本文利用ASPEN PLUS軟件對重組分脫除塔的化工過程進行模擬，通過多次調整數據，如，溫度、壓力、塔的回流等條件，獲得所需要的數據。在以上的操作中，沒有涉及到實際生產裝置的任何參數或者設備等的改變，與傳統直接在生產裝置進行工藝指標調整相比，大幅提高了工藝調整的速度，節約了工藝調整時間，給現場工藝調整帶來了極大的方便。