碳五工艺分离过程模拟与参数优化

安 徽 化 工 ANHUI CHEMICAL INDUSTRY 第 37卷，第 3期 2011年 6月 Vol．37，No．3 Jun.2011 碳五工艺分离过程模拟与参数优化 雷树宽，李玉安，史贤林，王巧焕 （华东理工大学化工学院，上海 200237） 摘要：利用 Aspen Plus软件，建立了碳五工艺分离第一萃取精馏单元的过程模拟，考查了萃取精馏塔主要操作参数如溶剂比、回流比对 分离过程的影响，确定了萃取精馏塔的最佳工艺操作条件。 关键词：萃取精馏；分布；过程模拟；参数优化 doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2011.03.012 中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A 文章编号：1008- 553X（2011）03- 0035- 03 石油烃高温裂解制乙烯过程中副产相当数量的 C5 馏分（简称裂解 C5馏分），该馏分中含有 30多种沸点相 近的组分，利用价值较高且含量较多的组分为异戊二 烯、环戊二烯和间戊二烯，三者约占 C5裂解馏分的 40％ ～55％[1]。裂解 C5馏分中各组分不仅沸点相近，还可相 互形成二组分及三组分共沸物，因而采用普通蒸馏的方 法难以得到高纯度产品。碳五工艺分离以二甲基甲酰胺 （DMF）为溶剂，采用二聚、二次萃取精馏及常减压精馏 的方法分离制取化学级异戊二烯、聚合级异戊二烯，联 产间戊二烯和双环戊二烯。DMF法碳五工艺分离共有 5 个单元，即：预处理单元、第一萃取精馏单元、第二萃取 精馏单元、间戊二烯和双环戊二烯精制单元、溶剂再生 及精制单元[2]。 1 第一萃取精馏单元简介[1] 图 1是第一萃取精馏单元流程示意图。该流程以经 预处理单元脱除双环戊二烯等重组分的 C5馏分为原 料，采用三个塔：萃取精馏塔、溶剂回收塔、脱重塔。萃取 精馏塔从塔顶脱除烷烃和单烯烃，塔底排出的溶有双烯 烃等组份的溶剂送入汽提塔进行解吸，使溶于溶剂中的 双烯烃等组份与溶剂分离。溶剂回收塔塔底排出的再生 溶剂 DMF一部分送入溶剂再生及精制单元，另一部分 与补充的精制溶剂 DMF一起送入萃取精馏塔顶部循环 使用，塔顶排出的双烯烃等组份一部分被送入萃取精馏 塔塔釜以降低塔釜温度，另一部分被送入脱重塔以脱除 间戊二烯等重组份。脱重塔塔顶产出的化学级异戊二烯 或作为产品或作为第二萃取精馏单元的原料进一步得 到聚合级异戊二烯，塔釜产出的间戊二烯等组份送入间 戊二烯和双环戊二烯精制单元。 2 过程的模拟与优化[3- 7] 为分析萃取精馏塔的操作规律，在建立萃取精馏过 程模型的基础上，分析塔的温度、压力、气液相流率分 布，并考查了主要操作参数溶剂比、回流比对分离过程 的影响，确定萃取精馏塔的最佳操作条件。 2.1 萃取精馏塔的温度、压力分布 萃取精馏塔的温度在溶剂加入板出现阶跃，随后保 持缓慢上升至塔釜附近又阶跃上升。温度出现阶跃说明 大量存在的萃取剂 DMF主导了塔内的温度分布。在塔 顶萃取剂分离段，因萃取剂 DMF的含量迅速降低，轻组 分富集，故塔内温度突然下降。塔釜再沸器的温度比提 馏段最下板的温度增加较大，这是因为萃取剂沸点高于 原溶液中各组分沸点，挥发度较小，萃取剂在再沸器中 的浓度较高，导致了温度的跃升。萃取精馏塔的压力从 塔顶到塔釜直线上升，见图 2。 2.2 萃取精馏塔的气液相流率分布 由于萃取剂 DMF是该系统中最重的组分，由图 3 可以看出，液相流量被萃取剂 DMF所主导，在整个精馏 收稿日期：2011- 01- 07 作者简介：雷树宽（1983-），男，硕士研究生，研究方向：化工模拟，15121039100，leishukuan07@126.com。 B1-萃取精馏塔 B2-溶剂回收塔 B3-脱重塔 图 1第一萃取精馏单元流程示意图 35 总第 171期 2011年第 3期（第 37卷） 安 徽 化 工 图 7 回流比对塔热负荷的影响 塔内基本保持恒定。由于萃取剂是以液相加入的，故由 图 3可见，萃取剂加入板处液相流量有突变，塔内下降 的液体量远远大于上升的蒸汽量。进料板处气相流量出 现阶跃，精馏段气相流量大于提馏段气相流量。 2.3 溶剂比的影响 溶剂比是影响萃取精馏效果的重要因素之一。在原 料处理量为 11250 kg／h以及其他条件不变的情况下， 通过改变萃取剂的用量来改变溶剂比，考查溶剂比对塔 的分离能力及塔热负荷的影响。 由图 4可看出，回流比一定时，塔釜二甲基丁烯 - 2 的质量分率随着溶剂比的增大而降低。溶剂比对萃取精 馏塔分离效果的影响与回流比有关，回流比的影响随着 溶剂比的增大而减弱，且回流比增大，此种影响增大，同 样溶剂比下回流比小时塔釜二甲基丁烯 - 2的质量分率 小。增加溶剂用量就需要更多的热量将溶剂加热或汽化， 以维持塔板上汽液两相平衡。图 5证实，再沸器热负荷随 着溶剂比的增加呈线性显著增加。综合考虑萃取精馏塔 的分离效率和塔的热负荷，溶剂比取 5.0～5.5较合适。 2.4 回流比的影响 在精馏塔中，回流比是一个至关重要的参数，它直 接影响每一层塔板的分离能力。保持塔板数、加料板位 置以及其他条件不变，改变回流比的大小，从而考查回 流比对精馏效果的影响。 由图 6可以看出，溶剂比一定时，塔釜二甲基丁烯 - 2的质量分率随着回流比的增大而增加。回流比对萃 取精馏塔分离效果的影响与溶剂比有关，溶剂比的影响 随着回流比的增大而增加，同样回流比下溶剂比大时塔 釜二甲基丁烯 - 2的质量分率小。减小回流比，加大溶剂 比，有利于塔顶脱出二甲基丁烯 - 2。 由图 7可以看出，冷凝器和再沸器的热负荷随着回 流比的增加而呈线性增加，即冷却和加热的能源费用大 大增加，因此过大的回流比是没有必要的。综合考虑萃 取精馏塔的分离效率和塔的热负荷，回流比取 3.25～ 3.75较合适。 图 2 萃取精馏塔的温度、压力分布 图 3萃取精馏塔的汽液相流率分布 图 4溶剂比对塔釜二甲基丁烯 - 2含量的影响 图 5 溶剂比对再沸器热负荷的影响 图 6 回流比对塔釜二甲基丁烯 - 2含量的影响 36 国家高新技术企业浙江丰利粉碎设备有限公司和宁波工程学院共同承担的浙江省重大科技专项“皮革废弃物 用作橡塑填充材料技术开发及产业化”项目日前通过验收。该项目采用独特的专用破碎剪切技术、皮革超细粉 碎技术设备对皮革废弃物进行粉碎，利用皮粉中胶原蛋白的羧基或氨基通过增容剂或化学反应对皮粉进行改性，提 高皮粉与橡塑材料的相容性，获得性能良好的复合材料，作为橡胶制品的填充剂，降低橡胶制品的生产成本，改善皮 革废弃物粉末与橡胶的相容性，提高橡胶的力学性能，延长使用寿命。该项目通过对皮革废弃物的资源化再生利用， 替代或减少石油树脂的用量，降低橡塑制品的成本，为皮革废弃物资源的循环利用开辟了一条新途径。 据悉，我国是世界皮革的加工中心、制革大国，每年产生约 140万吨的皮革废弃物，其在给环境造成污染的同 时，其中的优质胶原蛋白和三氧化二铬也大量流失，造成了生物资源的巨大浪费。因此，大力开发制革废弃皮胶原的 资源化利用技术意义重大。而现阶段国内采用普通粉碎设备对皮革废弃物进行粉碎，粉碎后的皮粉粒径较大，只能 应用于生产再生皮革，回收附加值低。如要让皮粉用于改性塑料和橡胶中，必须达到足够的细度，才有利于通过反应 提高塑料和橡胶与皮粉的相容性。 针对这一状况，致力于绿色环保装备和超微粉体工程的倡导者———浙江丰利携手宁波工程学院，从 2007年开 始产学研合作，联合攻关皮革废弃物资源化利用课题，共同承担的“皮革废弃物用作橡塑填充材料技术开发及产业 化”项目列入浙江省 2008年度第一批重大科技专项（编号：2008C11001-2）。为进一步推进这一工程，又于 2009 年 8月 18日成立了“废弃生物质资源化及装备工程技术中心”，开展废弃生物质资源化及成套装备技术的研发，提 升我国废弃生物质资源化技术的创新能力。 目前，该项目开发了皮革废弃物超细粉碎工艺及成套设备，并研究了皮粉在聚乙烯和橡胶中的应用技术。项目 通过增容技术改善了皮粉在聚乙烯中的分散性，提高了填充材料的相容性和力学性能。项目在皮革废弃物粉碎技术 及装备、聚乙烯/皮粉增容技术等方面有创新性，已申请发明专利 2项，发表论文 4篇。通过项目实施，完成了皮革废 弃物粉碎成套装备的产业化，已有多条皮革废弃物改性橡塑材料生产线在浙江、江苏等地企业成功应用；PE/皮粉复 合材料经法定单位检测，所测指标符合要求。产品经用户使用，反映良好，具好较好的社会经济效益。 （浙江丰利咨询热线：0575-83105888、83100888、83185888；公司网址：www.zjfengli.com） （《中国粉体工业通鉴》主编 吴宏富） 浙江丰利粉碎设备有限公司和宁波工程学院 产学研合作瞄准绿色环保 皮革废弃物循环利用添新途 联合研成皮革废弃物用作橡塑填充材料新技术 ·信 息· 3 结论 （1）溶剂比一定，加大回流比，塔内萃取剂浓度降 低。萃取剂的浓度越大，一般萃取剂的效果越显著，但是 当萃取剂浓度达到相当值后，萃取剂浓度再增大的效果 变得相当缓慢，但萃取剂的费用显著上升。因此，为保持 适宜的萃取剂浓度加大回流比时，必须适当改变溶剂比， 即回流比对萃取精馏塔分离效果的影响与溶剂比有关。 （2）运用 Aspen Plus模拟软件的灵敏度分析功能， 对实际操作过程进行了参数优化，考查了溶剂比、回流比 对塔的分离要求及对塔的热负荷的影响，确定了最佳工 艺操作条件，即溶剂比取 5.0～5.5，回流比取 3.25～3.75 较合适。 参考文献 [1] 张旭之，马润宇，王松汉，等.碳四、碳五烯烃工学[M].北京：化 学工业出版社，1998. [2] 谢克令 .2.5 万吨裂解碳五分离工业性试验 [J]. 上海化工， 1995，20（2）:14- 17. [3] 孙保德，曾爱武，姜森.乙腈法萃取精馏丁二烯过程模拟与工 艺优化[J].合成橡胶工业，2005，28（5）：325- 330． [4] 李绍军，钱锋．丁二烯第一萃取精馏塔操作参数的优化[J]． 华东理工大学学报（自然科学版），2006，32（5）：591- 595． [5] 朱慧，史贤林，周文勇.N- 甲酰吗啉萃取精馏分离芳烃和非芳 烃的工艺模拟与过程参数优化[J]．华东理工大学学报（自然 科学版），2008，34（3）：309- 314． [6] 朱梦蕾，孙津生，王艳红，等.DMF法萃取精馏异戊二烯过程模 拟[J].化学进展，2007，26：114- 118.□ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （下转第 55页） 雷树宽，等：碳五工艺分离过程模拟与参数优化 37 Process Simulation and Parameter Optimization of Separating C5 LEI Shu-kuan，LI Yu-an，SHI Xian-lin，WANG Qiao-huan （School of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China） Abstract: The model of separating C5 by extractive distillation is set up based on Aspen Plus. The influences of several parameters such as solvent/feed ratio，reflux ratio on the separation process is studied. The optimization operation parameters are obtained which can be used to improve the process. Key words: extractive distillation；distribution；process simulation；parameter optimization （上接第 37页） 度控制，因为该催化剂在试验阶段曾存在“飞温”现象。 为此我们采取多重控制：精馏系统主要以单回路控 制为主，辅以少量的串级控制。在此，笔者列出反应器的 重要联锁： 启动条件: ①反应器（R- 01）入口温度超高限； ②反应器(R- 01)压力超高限； ③反应器(R- 01)催化剂床层压差超高限； ④反应器(R- 01)催化剂床层温度超高限（三选二）。 联锁动作： ①关闭甲醇进料阀； ②关闭甲醇气化器蒸汽调节阀； ③温度报警打开激冷甲醇气相调节阀，温度高高 至联锁值打开液相甲醇激冷阀门； ④反应系统紧急泄压阀打开。 6 装置开车注意事项 （1）在原始开车阶段，反应器内部应彻底清理干 净，最好用面团进行清理。 （2）催化剂活化和升温尽可能缓慢，升温速度应控 制在 10～15℃/h，并密切观察催化剂各床层的温度变化。 （3）反应器进料应缓慢进行，逐步提量，避免反应 热增加过快。 （4）此反应是剧烈的放热反应，从反应器的顶部和 中部同时进料，当甲醇进料量达到设计量的一半后，要 密切关注反应器床层温度的变化，时刻注意冷激物料阀 门的开度，如发现某点温度有明显的温升现象，应及时 打开冷激阀门，向温升较大位置注入冷激甲醇，并继续 观察其变化，防止反应器床层“飞温”，造成严重的后果。 7 结束语 在目前国内甲醇产量严重过剩的情况下，二甲醚项 目的发展前景极为广阔。该项目二甲醚装置的生产条件 温和，操作简单，原料易得，动力消耗较小，二甲醚产品 附加值高。本装置是我公司承担的第一套二甲醚装置， 设计时我们充分论证了操作过程中可能出现的各种情 况和风险，经过设计、施工、试车、开车，最终达到了预期 的效果。□ 图 1 二甲醚工艺流程图 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 智广华：5万吨/年二甲醚装置工业化技术改进 55