馬來酸酐連續精餾工藝的模擬研究

夏佳佳，李 劍，楊效軍，楊如惠，陳明宇，孔祥林

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

馬來酸酐是一種重要的基本有機化工原料，具有廣泛的應用前景[1]。馬來酸酐精餾工藝是其生產過程中的重要單元操作，主要包括間歇減壓精餾工藝及連續減壓精餾工藝兩種[2]。與間歇精餾工藝相比，連續精餾工藝具有產品質量穩定、操作方便、運行平穩、產品收率高等優點[3]。

化工過程模擬已被用于新裝置設計、舊裝置改造、新工藝的開發研究、生產參數調優、疑難問題診斷、科學研究、工業生成的科學管理、動態模擬、實時優化等領域[4-6]。目前常用的商業化的化工過程模擬軟件有 Aspen Plus、Aspen Hysys、PRO/II等，這些軟件的側重點各不相同[7]。在模擬軟件中Aspen Plus 應用領域最廣，可用于化工過程、聚合過程、煉油過程、生物燃料、煤氣化、固體模擬以及相關過程模擬[8-9]。

本文采用Aspen Plus軟件建立與實際運行裝置相符合的馬來酸酐連續減壓蒸餾工藝模型，考察壓力、溫度、回流比和塔頂采出量等工藝參數對輕組分塔T-1901和成品塔T-1902產品純度和裝置能耗的影響，確定最優工藝條件，降低裝置能耗，提升產品品質。

1 馬來酸酐連續精餾工藝流程

MAH精餾裝置工藝流程簡圖如圖1所示。精餾裝置由輕組分塔T-1901和成品塔T-1902構成。輕重組分以MAH為界，沸點低于MAH的組分為輕組分，而沸點高于MAH的組分則為重組分。T-1901與T-1902為多段填料塔，T-1901從塔中上部進料，塔頂物流1903與1904中含有輕組分雜質。T-1902從塔中下部進料，塔釜物流1917中含有重組分雜質，塔中上部側線采出MAH精餾產品(物流1916)，塔頂物流1914返回T-1901，物流1903送至界外。裝置設計負荷約16 500 kg/h。

圖1 MAH精餾裝置工藝流程圖T-1901：輕組分塔；T-1902：成品塔；1901：輕組分塔輸入物流；1903：輕組分塔頂輸出氣相物流；1904：輕組分塔頂輸出液相物流；1906：輕組分塔底輸出至成品塔進料物流；1913：成品塔頂輸出氣相物流；1914：成品塔頂輸出至輕組分塔液相物流；1916：成品塔側線采出物流；1917：成品塔底采出重組份物流

2 模型驗證

2.1 熱力學參數確定

該體系采用Aspen Plus內置NRTL模型參數來計算各組分的熱力學性質，缺少的物性參數使用UNIFAC基團貢獻法進行估算，具體相互作用參數見表1。

表1 NRTL和UNIFAC模型的相互作用參數

2.2 馬來酸酐精餾工藝的模擬結果與實際結果對比

MAH精餾工藝模型參數如表2所示，參考塔的設備結構參數，應用Aspen Plus軟件建立與實際運行裝置相符合的馬來酸酐連續減壓蒸餾工藝模型。塔頂和塔釜溫度、液泛百分率、塔釜熱負荷等模擬計算結果見表2，工藝流股組成的模擬值與實際值對比見表3和表4。由表2可看出，塔頂、塔釜溫度及塔釜熱負荷與設計值吻合；模擬的液泛因子較實際值高出約10%，模擬T-1901部分塔段液泛因子達80%，T-1901 設計余量較小，可以使該塔操作負荷適當降低,減少該塔操作負荷從而避免液泛。由表3和表4的對比數據可知，模擬值與裝置實際數據相吻合，表明模擬計算結果真實可靠。

表2 精餾工藝裝置的實際與模擬數據

表3 輕組分塔T-1901物料組分對比

表4 成品塔T-1902物料組分對比

3 輕組分塔T-1901工藝參數的優化

3.1 塔頂壓力的影響

輕組分塔T1901的塔頂壓力對塔釜產物中主要雜質丙烯酸和檸康酸酐含量及裝置能耗的影響如圖2和圖3所示。T-1901為減壓操作，塔頂壓力為15 kPa，壓力下調空間有限。

圖2 T-1901塔頂壓力對塔釜產物中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖3 T-1901塔頂壓力對裝置能耗的影響

隨著塔頂壓力升高，塔釜產物中丙烯酸濃度降低，同時檸康酸酐的濃度增加，裝置能耗增加。為控制丙烯酸含量小于8 mg/L，檸康酸酐含量小于338 mg/L，綜合能耗變化情況確定T-1901塔頂壓力為15 kPa。

3.2 塔頂回流比的影響

輕組分塔T1901塔頂回流比對塔釜產物中主要雜質丙烯酸和檸康酸酐的濃度及裝置能耗的影響如圖4和圖5所示。隨著塔頂回流比的增加，塔釜產物中丙烯酸濃度降低，而檸康酸酐濃度增加，同時裝置能耗增加，且回流比過大會有塔液泛的風險。為保證丙烯酸含量小于8 mg/L，檸康酸酐含量小于338 mg/L，并同時綜合考慮經濟性與能耗，最終選擇T-1901回流比為0.8，同時裝置能耗變化率降低1.4%。

圖4 T-1901回流比對T1902進料中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖5 T-1901回流比對裝置能耗變化的影響

3.3 塔頂采出量的影響

圖6和圖7是輕組分塔塔頂采出量對主要雜質丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響的模擬結果。

圖6 T-1901塔頂采出量對T-1902進料中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖7 T-1901塔頂采出量對裝置能耗變化的影響

由圖6和圖7可知，降低T-1901塔頂采出量，能有效降低成品中檸康酸酐濃度，同時精餾裝置能耗進一步降低。為保證塔頂采出丙烯酸含量小于40 mg/L，檸康酸酐含量小于335 mg/L，因此選擇塔頂采出量為630 kg/h，同時裝置能耗變化率降低1.8%。

4 成品塔T-1902工藝參數的優化

4.1 塔頂壓力的影響

圖8和圖9主要通過ASPEN模型模擬計算了成品塔塔頂壓力對主要雜質丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響。

圖8 T-1902塔頂壓力對產品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖9 T-1902塔頂壓力對產品中裝置能量消耗的影響

圖8和9可知，T-1902為減壓操作，塔頂壓力為15 kPa，壓力下調空間有限。增加塔頂壓力基本不影響丙烯酸的濃度，還會增加精餾裝置能耗。產品中丙烯酸含量應控制在20 mg/L以下，檸康酸酐含量應控制在320 mg/L以下。考慮到能耗與控制指標，T-1902塔頂壓力選擇15 kPa。

4.2 塔頂回流比的影響

圖10和圖11主要模擬計算了成品塔塔頂回流比對主要雜質丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響。根據圖10和圖11可知，增加塔頂回流比可以降低成品中丙烯酸濃度，當回流比≥25時，丙烯酸濃度變化不明顯，同時裝置能耗明顯上升。因此，在T-1902塔體加熱負荷允許條件下，選擇塔頂回流比為25，同時裝置能耗變化率降低6.28%。

圖10 T-1902回流比對產品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖11 T-1902回流比對裝置能耗的影響

4.3 成品塔頂至輕組分塔循環量的影響

圖12和圖13模擬計算了成品塔塔頂至輕組分塔循環量對主要雜質丙烯酸和檸康酸酐濃度以及對裝置能耗變化率的影響。由圖12和圖13可知，增加T-1902塔頂循環量可以小幅降低成品中檸康酸酐濃度。由于循環量增加幅度有限，同時會大幅增加裝置能耗，因此，塔頂循環量不宜增加，控制在1 200 kg/h比較合適，同時裝置能耗變化率可降低18.39%。

圖12 T-1902塔頂循環量對產品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖13 T1902塔頂循環量對產品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

5 進料組成變化對成品質量的影響

工藝模擬計算表明，在裝置進料組分含量波動情況下，MAH成品中醋酸、正丁醇、馬來酸濃度遠低于1 mg/L。模擬計算了裝置進料中丙烯酸濃度變化對輕組分塔T-1901和T-1902出料組分中丙烯酸濃度變化情況。圖14為進料中丙烯酸濃度對產品中丙烯酸的影響。

由圖14可知，輕組分丙烯酸的分離主要由T-1901承擔。進料組分丙烯酸濃度在300～1 000 mg/L范圍變動。經過T1901塔可分離至10 mg/L以下，而經過T1902塔后MAH成品中的丙烯酸濃度≤1 mg/L。

圖14 進料中丙烯酸濃度對產品中丙烯酸的影響

圖15表明了模擬計算裝置進料中檸康酸酐濃度變化對輕組分塔T-1901和T-1902出料組分中檸康酸酐濃度變化情況。由圖15可知，MAH成品中的檸康酸酐濃度≤350 mg/L。但由于本精餾裝置操作壓力下檸康酸酐與馬來酸酐沸點相差僅9 ℃，難以分離出檸康酸酐。隨著進料檸康酸酐濃度增加，MAH成品中的檸康酸酐也隨之上升。因此有必要控制進料中的檸康酸酐濃度。

圖15 進料中檸康酸酐濃度對產品中檸康酸酐的影響

6 優化前后產品質量對比

圖16為優化前后丙烯酸、檸康酸酐含量對比。

(a) 丙烯酸

(b) 檸康酸酐圖16 優化前后產品中丙烯酸、檸康酸酐含量對比

如圖16所示，優化工藝參數后馬來酸酐產品中丙烯酸平均含量由0.53 mg/L降至0.42 mg/L，檸康酸酐平均含量由291.57 mg/L降至265.29 mg/L，優化效果明顯。

7 結 論

本章采用ASPEN PLUS模擬軟件建立的馬來酸酐工藝模型對進料組分變化，塔的壓力、回流量以及采出量等參數的變化進行研究，得出了以下結論：

a) 綜合產物中丙烯酸和檸康酸酐的濃度及能耗，確定T-1901塔頂壓力為15 kPa、回流比為0.9、塔頂采出量為630 kg/h；T-1902塔頂壓力為15 kPa、回流比為25、塔頂循環量為1 200 kg/h，裝置能耗變化率共降低27.87%。

b) 輕組分丙烯酸的分離主要由T-1901承擔。進料組分丙烯酸濃度在300～1 000 mg/L范圍變動。經過T1901塔可分離至10 mg/L以下，而經過T1902塔后MAH成品中的丙烯酸濃度≤1 mg/L；但是隨著進料檸康酸酐濃度增加，MAH成品中的檸康酸酐也隨之上升，因此有必要控制進料中的檸康酸酐濃度。