丙烯腈精制过程塔压模拟分析

杨家军　张平　马广超

摘 要：该文首先对年产11万吨丙烯腈精制过程中精馏塔的操作压力进行分析并确定影响因素；然后通过PROII模拟计算得到不同压力下两塔顶和塔釜的温度值，从中分析确定合理的操作压力值；最后对相应压力下两塔的热负荷进行了计算。

关键词：丙烯腈 操作压力 模拟 PROII

中图分类号：TQ113.26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0080-03

目前，丙烯腈生产装置中的绝大多数仍是采用丙烯氨氧化生产工艺[1]。此工艺中精制单元起着重要作用：将粗丙烯腈中的氢氰酸回收并除去水和少量的丙烷、二氧化碳、丙烯醛和重组分等。关于这方面的模拟研究已有一些报导[2-4]，这些研究中有对过程建立模拟系统的，也有对操作参数进行分析优化的，但从设计角度对工艺参数的模拟研究很少，因此关于这方面研究对于设计和操作来说都是具有意义的。该文中研究对象是年产11万吨丙烯腈装置中的精制过程。文中模拟系统的建立利用PROII软件，主要考虑的工艺参数是精馏塔的操作压力。

1 精制工艺分析

丙烯腈精制单元一般由脱氢氰酸塔和产品塔组成，前者主要用于得到纯度较高的氢氰酸并除去水和粗丙烯腈中的一些轻组分，后者主要得到纯度较高的丙烯腈并将产品外的其他液相采出循环至前一工段。两塔的流程与普通精馏塔相比显著的区别是存在侧线采出：脱氢氰酸塔需侧线采出塔中的液相，液相分层后将水层采出，实现脱水目的；成品塔中需侧线采出成品丙烯腈，因塔顶部采出中会含有少量水和其它杂质，塔釜采出中会含有一些重组分。对于此精制工艺的设计来说，首先需关注的是工艺操作压力，因为其影响着冷却介质与加热介质的选择和冷凝器、再沸器的形式。该文并不对两塔的具体尺寸数据作过多讨论，重点通过模拟计算分析确定压力参数。

2 工艺模拟

对于年产量为11万吨的丙烯腈生产装置（年生产时间为7 200小时），设定丙烯腈产品纯度为大于等于99.5%（wt），精制过程丙烯腈损失率按照1.7%计算（循环部分按做损失算），进料粗丙烯腈的组成参考工业上多数情况定义。丙烯腈精制单元进料见表1所示。以下仅对模拟中一般性的设置作简单介绍。在PROII中定义各组分和进料流股，脱氢氰酸塔热力学模型选择基于液相活度的汽液相NRTL方程，成品塔选用选择修正的状态方程SRKM。两塔均选用不带冷凝器的Ddistillation模块模拟，根据Shortcut模块计算结果设置Ddistillation模块中相应数据，求解方法分别选用Chemist法和I/O算法。

3 操作压力

操作压力的选取一般需考虑能否使用冷却水冷凝、操作压力对相对挥发度和传质效率的影响、以及塔造价和操作费用等。对于脱氢氰酸塔，按照清晰分割估算塔顶组成，其中氢氰酸的质量百分含量为99.5%，由PROII中Streams模块计算49 ℃此流股的泡点压力为1.13 MPa，若采用加压操作，是可以使用冷却水冷凝的。而对于此工艺，选用操作压力时不得不考虑塔内物料的危险性。由于氢氰酸和丙烯腈的毒性很大，所以从安全上考虑两塔最好都在负压下操作，同时负压操作也会降低塔内温度，减少聚合损失，并且降低塔釜热源所需温度。但负压操作下冷却剂便不能采用冷却水了，同上的塔顶组成Streams模块计算压力为1个大气压时流股的露点温度为20.86 ℃，负压下用一般的冷却水将塔顶物料冷却到露点是不可能的。模拟计算得1个大气压时流股被全部冷凝下来的温度约为-51.85 ℃，这需要高的冷却费用。考虑造成此结果的原因是塔顶需排出一些不易被冷凝的气体，如丙烯、丙烷等，所以可以考虑塔顶气体先部分冷凝，二次冷凝后的不凝气体直接去火炬。一次冷凝后的液相分率按氢氰酸的摩尔分数估算为0.94，此液相分率下不同操作压力对应塔顶物料温度数据见表2。

表2中数据显示了不同压力下将脱氢氰酸塔顶物料冷凝成94%（摩尔）的液相所需将物料冷却到的温度。压力越低所需的冷却费用和真空泵的操作费用越高，同时塔釜温度也越低，即所需热源温度也越低，不同压力下塔釜泡点温度见表3数据。由于丙烯腈生产工艺回收单元中会产生温度为110 ℃左右的贫水，可作为脱氢氰酸塔和成品塔的塔釜热源利用。一般性的初步设计中考虑全塔压降为30 KPa，所以为了使脱氢氰酸塔基本均在负压状态下，至少取塔顶压力为70 KPa。但此值应该是相对合理的值，因为氢氰酸主要在提馏段以上的区域分布。此条件下，塔釜温度为76.39 ℃，与热源有三十多度的温差，能够实现换热。

对于成品塔，其分析过程与脱氢氰酸塔类似。成品塔塔顶采出中含有的主要组分为丙烯腈，由于其沸点不低量又较大，所以可应用冷却水将塔顶中绝大部分的气相物料冷凝，之后再用冷却剂二次冷凝。因此取经水冷器后物料的液相摩尔分率为0.99，模拟计算得到表4的数据。冷却水的温度取为25 ℃，若要保持20 ℃的温差则塔顶压力由内插法得为38.59 kPa。仍按全塔压降为30 kPa时计算不同压力下塔釜液的泡点温度，得表5数据，塔釜采出中丙烯腈的含量也很高，但其中会含有少量的重组分，所以取丙烯腈摩尔含量为0.999计算泡点温度。对于热源为110 ℃的贫水来说，从温度差来看真空操作下均能实现换热。在确定后的两塔压力分别为70 KPa和38.59 KPa，全塔压降均为30 KPa时对两塔进行模拟，得到的冷凝器和换热器热负荷如表6所示。

4 结语

该文对11万吨每年的丙烯腈装置中精馏工段两精馏塔进行了模拟研究，主要分析两塔操作压力的确定过程，并确定了相应的压力值和两塔的热负荷。对同类设备的设计和操作均有一定指导意义。

参考文献

[1] 吴粮华.丙烯腈生产技术进展[J].化工进展，2007，26（10）：1369-1372.

[2] 高永涉，马玲.丙烯腈生产中如何对精馏塔进行模拟优化[J].天津化工，2007，21（4）：45-47.

[3] 赵翌颖，史艳红，程英超，等.丙烯腈生产工艺优化研究[J].化工科技，2006，14（3）：46-48.

[4] 张平.21.2万吨/年丙烯腈生产装置回收和精制过程的模拟分析[D].上海：上海师范大学，2013.