丙烯腈吸收过程模拟优化

杨家军　霍凤华　崔吉成

摘 要：化工过程模拟软件发展至今已被广泛地应用于化工过程的设计计算、操作评估和优化中。该文应用化工技术人员熟知的PROII软件对丙烯腈的吸收过程进行模拟研究。首先对年产20万吨的丙烯腈生产过程吸收塔单元中的操作参数进行分析，确定要优化的参数。然后应用PROII软件对丙烯腈吸收塔进行模拟，通过改变操作参数后模拟结果的比较对操作参数中的吸收水用量、侧线采出量和吸收塔的操作压力进行了模拟分析，并得到相应条件下的最佳值。

关键词：丙烯腈 吸收 模拟 PROII

中图分类号：TQ226 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0111-03

Abstract：Throughout its history，chemical process simulation software has been widely used in chemical process design，operational evaluation and optimization.As well known by chemical technicans，the PROII software was used for the simulation of the absorption process of acrylonitrile production plant in the study.Firstly，the operating parameters of the absorption process were analyzed to determine the optimization variables.After that， the absorption tower was simulated with PROII software.By comparing the simulation results of different conditions，the process parameters related to the sbsorption process were analyzed，such as the comsuption of absorption water and side withdrawing，and the operating pressure. The optimum values in the corresponding conditions were obtained.

Key Words：Acrylonitrile；Absorption；Simulation；PROII

丙烯腈作为重要的化工原料应用前景广阔。目前，虽然丙烷氨氧化制丙烯腈已有工业化实例，但丙烯腈生产装置中的绝大多数仍是采用以丙烯、氨和空气为原料的丙烯氨氧化生产工艺[1-2]。此工艺主要由流化床反应器、骤冷中和作用的急冷塔、水吸收塔、回收塔、精制塔和废物处理单元组成。生产过程中丙烯腈损失主要源于急冷、吸收和回收过程中的聚合和跑损[3]。在设备和操作参数合理的情况下吸收过程丙烯腈的损失与其他工段相比并不是最大的，但其作用和在流程中的位置决定其重要性。对于丙烯腈吸收过程的研究已有一些报导[4-5]。化工过程模拟软件发展至今已被广泛地应用于化工过程的设计计算、操作评估和优化中，该文应用化工技术人员熟知的PROII软件对丙烯腈的吸收过程进行模拟，分析工艺参数对吸收过程的影响并进行优化。

1 吸收过程分析

丙烯腈生产中吸收过程主要由吸收塔构成，流程如图1所示。急冷后的气相物料进入吸收塔底部，液相物料经冷却后进入吸收塔中下部；系统内的贫水预热塔底釜液后被冷却后从塔顶进入，吸收气相物料中的丙烯腈、乙腈等，未被水吸收的氮气、氧气等从塔顶排出；吸收塔侧线采出液相先由低温冷却剂冷却后与原料丙烯和氨换热后返回吸收塔。吸收水用量对吸收效果的影响是直接的，并与冷却费用相关。吸收塔侧线采出和回流对于降低吸收塔内温度进而提高吸收效果起着重要的作用，若塔内温度较高丙烯腈从塔顶的损失会加大。侧线的采出要维持塔内相应采出位置的液位，因此其受到工艺操作参数和塔内设备参数的共同限制。对于吸收塔另一个重要的量为操作压力，操作压力的增加会减少塔顶丙烯腈的损失；可如果过高会提高吸收塔温度，进而吸收效果会下降，虽可以通过侧线和吸收水冷却器将塔温降到较低值，但这是极不经济的。下面就具体产量下的生产装置中的吸收塔进行模拟，从数据上进一步分析。

2 吸收过程模拟

对于年产量为20万吨的丙烯腈生产装置（年生产时间为7 200 h），按照目前多数同类装置中的进料比例，和吸收、回收、精制过程丙烯腈损失率（3个过程总的损失率为1.5%）计算，得到如表1所示的吸收塔进料表。

在PROII中定义各组分和进料流股，热力学模型选择基于液相活度的汽液相NRTL方程，选用无冷凝器和再沸器的Ddistillation模块模拟吸收塔。根据近似计算结果设置Ddistillation模块中相应数据为：理论级数选择80，板效率定为0.6，塔顶压力为120 kPa，侧线采出量为48 847 kg/h，侧线回流温度为4℃，侧线采出位置在第21块板，急冷后冷凝器凝液的进料位置在64块板，求解方法选用I/O算法。模拟结果满足丙烯腈吸收塔的工艺要求。在进行对塔压和侧线采出量考虑之前，先对侧线采出位置和急冷后冷凝器凝液进料位置进行优化，其他条件不变，目标为塔顶丙烯腈的流量最小，优化后侧线采出位置为25块板，急冷后冷凝器凝液的进料位置为62块板。在此条件下重新对吸收塔进行模拟。部分模拟结果如表2所示。

3 参数优化

由表2的模拟结果看，塔顶采出中丙烯腈的流量很低，应该说吸收效果很好，但从吸收水冷却器的热负荷来看其值是较大的，所以可认为此工况下吸收水的量有可以减少的可能。其他参数不变改变吸收水流量，模拟结果如图2所示。吸收水的量的下限值是不能低于侧线采出的量。从图中可看出随着吸收剂量的减少塔顶丙烯腈量呈增加趋势，同时吸收水冷却器的热负荷呈减少趋势。而即使吸收水量降到可操作的最低值仍非常满足吸收塔顶的要求丙烯腈流量，所以可将吸收水流量降至467 500 kg/h。

此例中侧线采出量的值是以最初吸收水量选取的，限制着吸收水量的进一步减少，而从图2显示的结果来看，其值应该设定得再低些也会满足吸收要求。在此之前以467 500 kg/h为吸收水量，改变侧线采出量对过程模拟，模拟结果如图3所示。从图中可知，当侧线采出量降到360 000 kg/h左右时，吸收塔已不能满足吸收要求。随着侧线采出量的减少，侧线冷却器和侧线换热器的热负荷都有减小的趋势，而侧线换热器热负荷的减少趋势更大。从图中侧线冷却器热负荷变化并不是很大来看，侧线采出的量可以在维持采出位置液位的前提下向高流量调节。因为侧线换热器用于原料的预热，冷却器多消耗冷量的同时，换热器将供给原料的热量也更多，而且此时塔顶丙烯腈量会更低，吸收效果更好。对于此时侧线采出量最优值的确定需关联吸收塔设备参数和操作费用后求得，根据图中数据认为在留有相应操作裕量的情况下兼顾操作费用，取侧线采出量为4.1×105 kg/h为最佳值。

吸收水量和侧线采出量均取上面所得值，改变吸收塔操作压力对过程进行模拟，模拟结果如图4所示。由图可看出操作压力的增加会减少塔顶丙烯腈的损失，这与之前的分析是一致的，操作压力最好不要低于120 kPa，否则会使丙烯腈损失明显加大。随着操作压力的增加侧线采出冷却器的负荷不断升高，原因在于压力的升高使得采出液的温度也有所升高，所需冷却的负荷自然会加大，相应的费用也要增加。所以操作压力并不是越高越好，从图中分析取操作压力125 kPa为最佳值。

4 结语

对于丙烯腈生产中吸收过程操作，吸收水用量可在设计值的基础上适量地减小以节约费用；吸收塔的操作压力因塔内型式会有所不同，但最好在125 kPa左右较适宜。文章主要介绍丙烯腈吸收过程的模拟优化，希望能对相应设备的设计和操作有一定意义。

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] 顾约伦.旭化成将实现丙烷路线的丙烯腈工艺工业化[J].高桥石化，2008（10）：34.

[3] 李朔新，李德胜.丙烯腈装置高负荷回收率提高的措施[J].化学工程师，2006，133（10）：39-42.

[4] 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.

[5] 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.