C4生產MMA原料預分餾工段的模擬優化*

石博睿，朱 靜，王連龍，2

(1 沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003；2 中石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003)

甲基丙烯酸甲酯(MMA)是一種無色液體[1-3]，主要用于生產有機玻璃[4-7]，是非常重要的化工原料。2015年至今我國MMA的產能逐年增加[8]，預測2021年國內總產能將達110萬噸/年[9]。

MMA的生產工藝由原料預處理工段、MAL合成及 MMA 合成工段、MMA精制工段構成。對工藝流程的模擬優化對工藝設計及生產操作有重要的指導意義[10-12]，因此，關于工藝流程的模擬與優化的研究成為焦點[13]，Aspen Plus 作為業內公認的模擬軟件具有完事的數據庫和集成能力，算法更是獨樹一幟，優勢尤為突出[14]。

本文以抽余C4為原料，利用Asplen Plus 模擬軟件對MMA工藝流程中原料預分餾工段進行了模擬與優化，考察操作條件(理論板數、回流比、塔頂壓力、萃取劑進料板位置及萃取劑進料溫度)對T1001塔塔頂產品中異丁烯及正丁烷回收率的影響，以確定最優的操作參數。

1 原料預處理工段工藝流程

原料預處理工段是通過萃取精餾將抽余C4混合物分離為異丁烯、1-丁烯、異丁烷及其他C4混合物，所用萃取劑為NMP，其工藝流程如圖1所示。

圖1 原料預處理工段流程圖Fig.1 Process flow diagram of raw material pretreatment section

來自烯烴廠的抽余C4與NMP進入T1001原料萃取精餾塔進行萃取精餾，塔頂為異丁烯與異丁烷等的混合物，塔底為正丁烷、1-丁烯、二丁烯等重組分和萃取劑NMP的混合物。塔頂產物進入T1002異丁烯萃取精餾塔，再次與NMP進行萃取精餾，塔頂為異丁烷，T1002塔底為異丁烯和NMP混合物，進入T1004 NMP回收塔1。T1004塔頂為純度為99.26%的異丁烯產品，經預熱后送至MAL合成及MMA合成工段，塔底為NMP返回至T1002循環使用。T1001塔底產物進入T1003NMP回收塔2， T1003塔底產物為NMP返回至T1001循環使用，塔頂產物進入T1005 1-丁烯塔，T1005塔頂為1-丁烯，作為副產物送至1-丁烯產品儲罐，塔底為2-丁烯、1，3-丁二烯的混合物，與T1002塔塔頂產物異丁烷混合后作為液化氣產品送至液化氣儲罐。

2 T1001原料萃取精餾塔的模擬

2.1 原料C4餾分組成

原料C4餾分流量為16993 kg/h，其組成如表1所示。

表1 C4餾分組成Table 1 Composition of excess C4

2.2 模擬流程的建立

Aspen Plus中塔模塊主要有DSWU、Distl、RadFrac及Extracta等。其中DSWU和Distl為簡捷設計模塊，適用于只有一股進料和兩股產品的精餾塔；RadFrac為嚴格設計模塊，適用于多種精餾操作；而Extract模塊適用于復雜塔精餾塔的嚴格計算。

T1001為原料萃取精餾塔，是以NMP為萃取劑將原料中的異丁烯及異丁烷從塔頂分離出來，設計計算時采用RadFrac模塊。T1001模擬流程圖如圖2所示。

圖2 原料萃取精餾塔模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of raw material extraction distillation column

圖中物流3為C4餾分，物流2為含水0.08的NMP萃取劑，物流4為異丁烯與異丁烷等的混合物，物流5為正丁烷、1-丁烯、2-丁烯等重組分和萃取劑NMP的混合物。

2.3 T1001的熱力學方程

Wilson方程和NRTL方程適用于極性物系，Wilson方程使用范圍廣且簡單，對酮類、醇類及含水、鹵化物的互溶體系計算精確度較高，但不能計算液液平衡時的活度系數；而NRTL方程使用范圍廣、計算精度高，且能用于部分互溶體系[15]。原料萃取塔精餾塔T1001分離體系內含極性組分，所以采用活度系數法，選擇NRTL方程。

2.4 T1001的模擬條件

表2列出T1001原料萃取塔精餾塔的操作參數。

表2 萃取塔的操作參數Table 2 Operating parameters of extraction tower

2.5 T1001的模擬結果

T1001的模擬計算的結果匯總于表3。

表3 T1001產品質量流率Table 3 Mass flow rate of product of T1001 (kg·h-1)

3 T1001的優化

采用Aspen Plus中Sensitivity模塊對萃取精餾塔的理論塔板數、回流比、塔頂壓力、萃取劑進料板位置及萃取劑進料溫度等參數進行優化。

3.1 理論塔板數的優化

萃取精餾塔中產品分離純度及產量與理論塔板數密切相關。理論板數越少分離效果越差，塔頂產品異丁烯的純度越低；板數增加雖然能提高分離效果，但過多的塔板數對分離效果的提升并不明顯且增大設備投資。利用Aspen Plus中Sensitivity對理論塔板數優化模擬，討論異丁烯回收率及異丁烷回收率隨理論塔板數增多的變化趨勢，結果如圖3所示。

由圖3曲線可以得出，塔板數增加使塔頂產品中異丁烯的回收率呈上升趨勢，而正丁烷的回收率呈下降趨勢，說明塔板數越多，分離效果越好。但是當塔板數多于97時，兩種產品的收率收塔板數的影響不大，且塔板數越多，設備費用及操作費用越高，因此塔板數選97。

圖3 理論塔板數對IB-NB回收率的靈敏度分析Fig.3 Sensitivity analysis of theoretical plate number to IB-NB recovery rate

萃取塔精餾塔理論板數的多少同樣影響萃取劑用量，利用Aspen Plus中Sensitivity對理論塔板數與萃取劑用量進行優化模擬計算，結果如圖4所示。

由圖4可知，理論板數越多萃取劑的用量越少，其主要原因是理論板數增加分離效果提高，進而減少了萃取劑的用量。

綜合圖3及圖4的分析結果，塔板數定為97較適宜，此時萃取劑用量為17500 kg/h。

圖4 理論塔板數對萃取劑用量的影響靈敏度分析Fig.4 Sensitivity analysis of effect of theoretical plate number on extractant dosage

3.2 回流比的優化

要實現精餾過程塔頂必須有塔頂回流，塔頂回流比的大小直接影響塔頂產品的純度及回收率。利用Aspen Plus中Sensitivity對回流比優化模擬，結果繪于圖5中。

圖5 回流比對異丁烯和正丁烷回收率影響的靈敏度分析Fig.5 Sensitivity analysis of effect of reflux ratio on the recovery of isobutylene and n-butane

圖5中曲線表明增加回流比可以提高塔頂產品中異丁烯的回收率，而降低正丁烷的回收率，說明增大回流比有效提高了塔的分離效果，但回流比超過3.2以后，IB-NB回收率變化幅度明顯減小?；亓鞅冗^小分離效果差，回流比過大雖然分離效果提高，但產品產量降低，且操作費用也增加，綜合考慮回流比選3.2為宜。

3.3 塔頂壓力的靈敏度分析

塔頂壓力是精餾塔操作的重要參數之一，直接影響塔的操作穩定性及塔頂產品溫度。利用Aspen Plus中Sensitivity對塔頂壓力與塔頂產品溫度關系進行模擬優化，結果繪于圖6。

圖6 塔頂壓力的靈敏度分析Fig.6 Sensitivity analysis of the tower top pressure

圖6中的曲線表明，塔頂產品溫度隨塔頂壓力的增加呈線性上升趨勢。當塔頂壓力為5.43 bar時，塔頂產品溫度能維持在45 ℃左右(產品安全出裝置溫度)；塔頂壓力越高，塔的操作費用越高。綜合考慮塔頂壓力定為5.43 bar。

3.4 萃取劑進料位置的優化

進料位置對塔頂異丁烯IB的回收率及塔底水的回收率有重要影響，利用Aspen Plus中Sensitivity對萃取劑進料位置進行優化，結果如圖7所示。

由圖7可知，萃取劑進料位置增加，水的回收率增加，增至8后變緩，IB回收率在11塊板時增至最大。綜合考慮，選擇第11塊板為萃取劑進料板。

由圖8表示的是原料進料板數對塔頂冷凝器負荷的靈敏度分析圖，由圖中曲線可以看出，隨著進料板數逐漸增加，冷凝器負荷先下降再升高。當原料在第61塊塔板進料時，冷凝器熱負荷最小，既節省了能量，又減少了設備的投資費用。因此，選擇原料在第61塊塔板進料。

圖7 萃取劑進料位置的靈敏度分析Fig.7 Sensitivity analysis of extractant feeding position

圖8 原料進料板數對冷凝器負荷的靈敏度分析Fig.8 Sensitivity analysis of raw material feeding plate number to condenser load

3.5 萃取劑進料溫度的優化

萃取劑進料的溫度直接影響萃取劑的用量及再沸器的負荷。利用Aspen Plus中Sensitivity對萃取劑進料溫度進行優化模擬，其結果如圖9所示。

圖9 萃取劑溫度對萃取劑用量、再沸器負荷影響的靈敏度分析Fig.9 Sensitivity analysis of effect of extractant temperature on extractant dosage and reboiler load

由圖9中的曲線表明，當萃取劑進料溫度的逐漸升高時，所需萃取劑的用量及塔底再沸器的負荷均呈上升趨勢，說明萃取劑溫度越高，所需萃取劑的用就越大，而塔底再沸器的熱負荷就越高，這對生產是不利的。所以選擇萃取劑進料溫度為45 ℃，此時萃取劑的用量和再沸器熱負荷最小。

4 結 論

(1)利用Aspen Plus模擬軟件對抽余C4氧化法制備MMA的原料預處理工段工藝流程進行了模擬與優化；

(2)對原料萃取精餾塔T1001進行模擬計算時采用RadFrac模塊、NRTL方程；

(3)利用Aspen Plus中Sensitivity模塊對T1001塔的操作參數進行模擬優化，優化后的參數：理論板數為97、回流比為3.2、塔頂壓力5.43 bar、萃取劑進料位置11塊塔板、萃取劑進料溫度45 ℃。