应用隔壁式精馏塔分离煤制烯烃设计

李俊龙， 陈 超， 倪欣怡， 王丹丹， 孙 强， 郭绪强

(中国石油大学(北京) 化学工程学院，北京 102249)



应用隔壁式精馏塔分离煤制烯烃设计

李俊龙， 陈 超， 倪欣怡， 王丹丹， 孙 强， 郭绪强

(中国石油大学(北京) 化学工程学院，北京 102249)

利用Aspen HYSYS流程模拟软件完成隔壁式精馏塔的设计，设计过程中引用逻辑操作单元将隔壁式精馏塔的预分离塔与主精馏塔进行了耦合，逻辑操作单元的引入可以减少隔壁式精馏塔的自由度,从而降低了精馏塔模拟达到稳态时的难度。在完成精馏塔设计并得到结果的基础上，对稳态工艺过程模拟结果进行灵敏度分析，考察了隔壁式精馏塔侧线抽出流量、回流比、进料温度、气相回流流量和液相回流流量对隔壁式精馏塔塔顶、中间以及塔底组成的影响，得到优化后的工艺操作参数。同时根据隔壁式精馏塔分离产物的组成提出并联分离顺序，与原有的顺序分离相比流程更加紧凑，对实际的烯烃分离流程的设计工作具有参考意义。

煤制烯烃； 隔壁式精馏塔； Aspen HYSYS； 灵敏度分析

以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃是重要的基本有机化工平台原料，同时也是现代化学工业的基石[1]。传统的石脑油裂解路线严重依赖石油资源。随着我国经济的发展，对乙烯和丙烯的需求量逐年增加，因此国内的能源结构与国际油价的波动严重影响我国低碳烯烃的产能。近年来，煤制烯烃成为另一个引人注目的低碳烯烃生产路线。煤制甲醇再制烯烃的工艺路线不仅缓解了国内低碳烯烃供应紧张的局面，同时将煤炭进行深加工制成高附加值的工业产品提高了煤炭的利用率[2]。截至2014年，已投产的煤制烯烃产能达到了446万t/a，预计到2018年其产能将超过2 000万t/a[3]。

1 煤制烯烃工艺流程与组成

煤制烯烃工艺路线主要包括：煤气化、合成气净化、甲醇合成、甲醇制烯烃、烯烃分离和烯烃聚合几部分。具体的工艺框图由图1所示[4]。

图1 煤制烯烃工艺框图

Fig.1 Process diagram of coal to light olefins

煤制烯烃原料为纯度较高的甲醇，因此得到的烯烃组分与石脑油裂解路线相比具有组成相对固定的特点，图2中列出了煤制烯烃主要组成以及摩尔分数[5]。

图2 煤制烯烃组成

Fig.2 Composition of coal based light olefins

由图2可以看出，煤制烯烃组成具有以下特点：

(1) 烯烃含量高，煤制烯烃中乙烯的摩尔分数为51.48%，丙烯的摩尔分数为21.06%。而管式裂解炉中所得烯烃组分中乙烯和丙烯总的摩尔分数为41.13%，是煤制烯烃含量的56.70%。

(2) 氢气和甲烷含量低，煤制烯烃中氢气和甲烷总的摩尔分数为9.88%，而管式裂解炉中轻组分的摩尔分数为37.81%，是煤制烯烃中轻组分的3.83倍。

(3) C5+即重组分含量低。煤制烯烃中重组分摩尔分数为8.09%，而传统石脑油裂解路线得到的烯烃中重组分的摩尔分数为10.93%。

(4) 煤制烯烃产物中乙炔摩尔分数低于4×10-6，因此已运行的煤制烯烃工业示范项目乙炔加氢操作单元始终处于备用状态[6]。

目前，煤制烯烃分离主要包括深冷分离技术和中冷分离技术。洛阳石化工程公司提出了一种前脱乙烷-丙烷洗的深冷分离工艺，该工艺中脱甲烷塔采用丙烷洗的吸收技术节省了乙烯制冷设备，但流程依然比较复杂[7-8]。而中冷分离技术特点是只有丙烯制冷，采用固体吸附或者溶剂吸收的方法回收乙烯，采用吸附或者吸收的方法可以提高脱甲烷塔的分离温度，节省乙烯制冷系统，简化分离流程同时降低能耗。

目前，神华包头煤化工有限责任公司煤制烯烃工业示范项目采用前脱丙烷分离顺序。该分离顺序采用高压和低压双塔脱丙烷技术，高压塔塔顶物流为丙烷以及更轻的组分，高压塔塔底物流进入低压脱丙烷塔，低压脱丙烷塔塔顶物流全部液化返回高压脱丙烷塔作为高压塔液相回流[9-10]。低压脱丙烷塔塔底物流进入脱丁烷塔。高压脱丙烷塔塔底物流经过压缩送入脱甲烷塔分离氢气与甲烷，塔底物流进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔顶分离出乙烷与乙烯，塔底物流主要包括丙烷与丙烯。脱乙烷塔塔顶物流经过乙烯精馏塔精馏得到乙烯产品，而塔底物流需要丙烯精馏塔进行分离得到丙烯产品。

采用双塔流程可以有效避免煤制烯烃产品中二烯烃聚合而堵塞塔板以及换热器，缺点是由于设置了双塔流程，会增加设备投资和操作费用。因此将新型隔壁式精馏塔应用在煤制烯烃分离流程中不仅可以降低煤制烯烃的成本，同时可以促进精馏技术向前发展。

2 隔壁式精馏塔

图3为热耦合精馏塔和隔壁式精馏塔(见图3)。隔壁式精馏塔是一种热力学耦合塔，由热耦合精馏塔(图3(a))发展而来，通过设置在精馏塔内部的垂直隔板将精馏塔主要分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个部分。三元物流ABC(按照组分轻重排列)首先进入隔壁式精馏塔的Ⅰ进行预分离，将进料分为向上的气相AB混合物和向下的液相BC混合组分，较轻的气相混合物AB在隔壁式精馏塔的Ⅱ完成AB的分离，在塔顶得到最轻的组分A，通过中部物流得到中间组分B；类似的液相混合物BC在Ⅱ中完成BC的分离，在精馏塔的底部得到最重的C组分，在中间物流处得到B，从而完成最终的分离。这样三元物流经过一个隔壁式精馏塔精馏便可以得到三种产品，从而完成传统分离流程双塔完成的任务，可以节约设备投资和操作费[11]，因此众多学者对其进行了研究。

何西涛等[12]采用隔壁式精馏塔模拟分离等比例的苯、甲苯和二甲苯混合组分并通过优化流程最终得到了最佳的操作参数数据。何振斌等[13]以三元系统苯-甲苯-二甲苯的三组分体系为例，对比了常规蒸馏塔和隔壁式精馏塔在完成相同分离任务时能量的消耗情况，对比结果表明，隔壁式精馏塔的节能效率可达67%。马晨皓等[14]通过对隔壁式精馏塔内部结构的讨论和热力学有效能转化的分析，阐释了隔壁式精馏塔的节能原理。李建清等[15]在流程模拟软件Aspen Plus中完成氯乙烯精馏的双塔流程和隔壁式精馏塔的稳态模拟。隔壁式精馏塔具有可以降低塔内温度和减少停留时间，有助于缓解氯乙烯自聚结焦。方静等[16]采用自制隔壁式精馏塔小试装置分离二氯甲烷-乙腈-水-硅醚体系。在实验的基础上，采用Aspen Plus软件对隔壁式精馏塔共沸精馏工艺进行模拟，确定了隔壁式精馏塔最佳工艺操作区。朱登磊等[17]设计了一套基于隔壁精馏塔的新工艺分离甲醇制烯烃粗产物。利用流程模拟软件对各精馏塔进行模拟和优化，得到各精馏塔的塔参数和操作条件。朱登磊等[18]改进了乙烯装置顺序分离流程，将脱甲烷塔和脱乙烷塔集成为1个分壁精馏塔。利用Aspen Plus对分壁精馏塔进行等效模拟，并对新工艺进行全流程模拟。C.Youngmin等[19]介绍一种高度集成的反应隔壁式精馏塔，在隔壁式精馏塔内同时完成反应和精馏两个过程。与传统的精馏顺序相比，这种反应隔壁式精馏塔具有更高的热力学效率。R.M.Ignat等[20]利用Aspen Plus模拟软件严格模拟了甲醇-水-甘油三元体系分离流程，并且对模拟流程进行了优化。

图3 热耦合精馏塔和隔壁式精馏塔

Fig.3 Petlyuk column and dividing-wall column

本文利用模拟软件Aspen HYSYS完成以隔壁式精馏塔代替高低压脱丙烷塔分离任务。利用隔壁式精馏塔分离煤制烯烃可以将原料分为轻组分、中间组分和重组分三股物流，其中轻组分主要为氢气、甲烷、乙烯和乙烷，中间主要组分为丙烯和丙烷，重组分为混合碳四及更重的组分。这样将原料分为三股物流避免了丙烯和丙烷经过压缩机、脱甲烷塔和脱乙烷塔，从而降低这部分能耗。

3 模拟工具与物性方程

3.1 模拟工具

HYSYS 是功能强大的过程模拟软件，用于过程与设备模拟、分析、设计、优化、开停车指导、动态仿真培训、设计先进控制系统等，广泛应用于石油化工、电解质、制药、气体处理等相关领域[21]。

此外，Aspen HYSYS V7.3版本可以借用Aspen Plus 强大的物性数据库，结合自身操作单元联立方程求解，整体序贯模块化，易于操作。

3.2 物性方程

利用该软件完成隔壁式精馏塔的设计工作，采用的物性方程为PENG-ROB方程。该方程广泛应用在计算含有H2组分分离设计与模拟中[22-23]。

模拟软件Aspen HYSYS中没有隔壁式精馏塔的模型，需要根据隔壁式精馏塔的特点选取模拟软件中相关的单元操作进行耦合组成隔壁式精馏塔的等效模型。通过两个循环操作完成洗涤塔和精馏塔的耦合，有效减少隔壁式精馏塔模拟时规定变量的数量[25]。

4 分离设计

4.1 混合烯烃组成

表1为煤制烯烃组成[24]。进料条件来自于某企业，其温度为11.50 ℃，压力为2.473 MPa。

表1 煤制烯烃组成

续表1

4.2 隔壁式精馏塔设计过程

在隔壁式精馏塔中，将氢气、甲烷、乙烯和乙烷看作是三元体系中的轻组分，从主塔塔顶采出；丙烯和丙烷为中间组分，从侧线抽出；丁烯及以上为重组分，由塔底采出。设计过程中将洗涤塔看作为隔壁式精馏塔的预精馏塔，洗涤塔塔顶气相进入到精馏塔的精馏段，塔底液相进入精馏塔的提馏段，同时主精馏塔的塔顶液相回流到洗涤塔的塔顶，塔底气相进入洗涤塔的塔底，流程如图3(b)所示，模拟流程如图4所示。

图4 隔壁式精馏塔设计流程

Fig.4 Design of dividing-wall fraction column

隔壁式精馏塔主塔操作压力为1.3 MPa，塔顶温度-34 ℃，塔底温度88.61 ℃，回流比4，理论板数72，预精馏塔气相进入主塔位置第14块塔板，液相进料位置第45块塔板，主塔液相回流抽出位置第10块塔板，气相回流抽出位置第70块塔板。预精馏塔为无塔顶冷凝器和塔底再沸器的精馏塔。预精馏塔共32块塔板，混合烯烃进入预精馏塔第16块理论塔板，主塔气相回流自塔底进入预精馏塔，主塔液相回流自塔顶进入预精馏塔。主精馏塔与副精馏塔之间依靠两个逻辑操作单元完成耦合。

4.3 隔壁式精馏塔设计结果

设计结果如表2所示。由表2可知，混合烯烃经过隔壁式精馏塔分离以后得到三股物流分别是1、6和7。通过观察各物流的组成可以根据其特点进行新流程的设计。物流1的组成与混合烯烃相比，乙烯的摩尔分数由原来的41.06%上升到66.72%，几乎不含有混合碳四组分。侧线抽出物流6中丙烯的摩尔分数由原来混合烯烃的40.27%上升到86.31%，而塔釜物流7中全部为混合碳四组分。通过对隔壁式精馏塔进行灵敏度分析优化操作参数使塔顶物流中为混合碳二以下组分，中间物流为丙烯和丙烷，塔釜物流为重组分，从而达到简化分离流程的目的。

表2 设计结果

对已设计的隔壁式精馏塔进行灵敏度分析从而完成对隔壁式精馏塔的优化也是本文的研究内容。

4.3.1 侧线抽出流量的影响 采用隔壁式精馏塔进行混合烯烃的分离主要特点为中间物流为混合轻烃，包括乙烯、乙烷、丙烯和丙烷以及少量混合碳四组分，中间物流首先经过脱乙烷塔分离乙烯乙烷和丙烯与丙烷，脱乙烷塔塔顶为混合碳二组分进入乙烯精馏塔，而塔底组分进入丙烯精馏塔进行丙烯与丙烷的分离。因此，在对隔壁式精馏塔进行灵敏度分析是首先要确定最佳的侧线抽出流量。侧线抽出流量将影响隔壁式精馏塔塔顶、侧线以及塔底的组成，同时对精馏塔能耗也有显著的影响。

(1) 侧线抽出流量对塔顶组成的影响。

图5、6为侧线抽出流量与塔顶组成关系，其中图5为侧线抽出流量与塔顶甲烷和乙烷，由图5中可以看出，随着侧线抽出流量的增加，塔顶甲烷和乙烷的含量同时增加，但是当侧线抽出流量高于750 kmol/h时，乙烷的含量迅速降低，这是由于在对隔壁式精馏塔进行灵敏度分析时精馏塔自由度需要固定塔釜的流量，因此当侧线抽出流量提高时，混合C3会进入中间物流导致塔顶组成中混合C3含量降低，当侧线流量高于750 kmol/h时，混合C3已经全部进入侧线抽出物流(可以由图6中侧线抽出流量与塔顶丙烯含量关系得到)，此时乙烷会进入中间物流导致塔顶乙烷含量的降低。因此，中间抽出物流量750 kmol/h为中间抽出物流的最高值。此时隔壁式精馏塔塔顶主要为氢气、甲烷、乙烯和乙烷，塔顶物流经过压缩机压缩后进入脱甲烷塔进行氢气和甲烷的分离，脱甲烷塔塔釜物流进入乙烯精馏塔进行乙烯精馏塔操作。

图5 侧线抽出流量与塔顶烷烃含量关系

Fig.5 Effects of middle stream flowrates on mole fraction of light alkane in top of main column

图6 侧线抽出流量与塔顶烯烃含量关系

Fig.6 Relationship between middle stream flowrates and mole fraction of light olefins in top of main column

(2) 侧线抽出流量对中间物流组成的影响。

图7—9为侧线抽出流量与中间物流组分含量的关系，其中图7为侧线抽出流量与中间物流甲烷摩尔分数的关系。由图7可以看出，随着侧线抽出流量的升高，中间物流中甲烷的含量会逐渐升高，而中间物流中甲烷会随着物流进入脱乙烷塔，脱乙烷塔塔顶物流会进入乙烯精馏塔，甲烷含量的升高会直接影响乙烯精馏塔产品乙烯的质量，因此需要在源头控制中间物流中甲烷的含量，当甲烷摩尔分数需要控制在0.000 1时，对应的侧线抽出流量为750 kmol/h，与图5、6中的数值相吻合，进一步验证了750 kmol/h为一个较好的侧线抽出流量参考值。

由图8给出的侧线抽出流量对中间物流乙烯和乙烷含量的影响可知，二者的含量随着侧线抽出流量的升高逐渐升高，当流量高于750 kmol/h时含量迅速升高，虽然乙烯和乙烷的含量对最终乙烯和丙烯产品的回收率没有影响，但是由于乙烯和乙烷从中间物流采出导致塔顶温度逐渐降低，对设备有较高的要求，同时中间物流中甲烷含量的升高会影响乙烯产品的质量。另从图9中可以看出，当中间抽出物流的流量为750 kmol/h时，中间物流中丙烯的含量达到最高值。最终确定中间物流的最佳抽出流量为740 kmol/h。

图7 侧线抽出流量与甲烷含量关系

Fig.7 Relationship between middle stream flowrates and mole fraction of methane in middle stream

图8 侧线抽出流量与侧线C2含量关系

Fig.8 Effects of middle stream flowrates on mole fraction of mixed C2in middle stream

图9 侧线抽出流量与混合C3含量关系

Fig.9 Effects of middle stream flowrates on mole fraction of mixed C3in middle stream

(3) 侧线抽出流量对塔底组成的影响。

图10为在固定回流比条件下，隔壁式精馏塔负荷与侧线抽出流量的关系。由图10可以看出，随着侧线抽出流量的提高，精馏塔塔顶冷凝器和塔底再沸器的负荷同时降低，当侧线抽出流量大于750 kmol/h时，精馏塔负荷降低速度梯度变小。这是由于当侧线抽出流量升高时，塔顶物流流量降低，在相同回流比条件下，塔顶物流流量降低会使回流量降低，因此冷凝器负荷随之降低。塔顶液相回流降低为了保证精馏塔的热平衡，上升的蒸汽量同样会降低，因此再沸器的负荷降低。

图10 侧线抽出流量与负荷关系

Fig.10 Middle stream flowrate effects on column duty

4.3.2回流比的影响 进料温度与回流比对侧线混合C3摩尔分数的影响如图11所示。进料温度主要决定精馏塔的气相分率，即进入到隔壁式精馏塔中气液相的比例，会影响侧线抽出物流中混合C3的含量，而回流比的变化同样会影响测线抽出物流中混合C3的含量，因此可以通过考察二者对侧线物流中混合C3的含量来确定最佳的进料温度与回流比。

图11 进料温度与回流比对混合烯烃含量影响

Fig.11 Impacts of feed stream temperature and reflex ratio on light olefins mole fraction

由图11可以看出，在低回流比条件下，侧线物流中混合C3的含量随着进料温度的升高呈现先升高再降低的趋势，当进料温度为28 ℃时，侧线抽出物流中混合C3的含量最高，当回流比高于4时，进料温度的影响变小，可以确定较好的回流比为4；在相同进料温度条件下，随着回流比的升高，侧线抽出物流中混合C3的含量逐渐升高，但升高速度梯度逐渐减小。因此可以确定最佳的进料温度为28 ℃。

4.3.3气液相回流流量的影响 隔壁式精馏塔与传统精馏塔不同之处在于预精馏塔和主塔公用一个回流系统，将预精馏塔的塔顶液流称为液相回流量，预精馏塔塔底气相称为气相回流，气液相回流量会影响侧线抽出混合C3的摩尔分数。图12为回流量对侧线抽出混合C3含量影响。由图12可以看出，在其它操作条件不变的条件下，侧线混合C3的含量随着塔底气相回流的升高而升高，随着液相回流量的升高呈现先升高再降低的趋势，当液相回流量为50 kmol/h时，侧线物流中混合C3的含量最好，因此最佳的液相回流为50 kmol/h。

图12 回流量对侧线抽出混合C3含量影响

Fig.12 Influences of recycle flowrate on mixed C3mole fraction

与优化前相比，中间物流的流量由原来的450 kmol/h提高到740 kmol/h，塔顶物流的流量由原来的1 010 kmol/h降低到720 kmol/h，塔顶物流流量的降低可以减少压缩机四级压缩的能耗以及脱甲烷塔制冷剂的使用量，降低制冷功耗。同时中间物流可以进入脱乙烷塔，将传统的顺序串联分离顺序变为并联分离顺序，使烯烃分离流程更加紧凑。优化后物料平衡如表3所示。

表3 优化后物料平衡

续表3

4.4 隔壁式精馏塔应用讨论

利用隔壁式精馏塔代替分离煤制烯烃可以优化煤制烯烃分离流程。首先，利用隔壁式精馏塔单塔代替高低压脱丙烷塔双塔流程分离，可以减少设备数量，降低设备投资；其次，煤制烯烃组分中C2和C3分别占总物流的42.03%和43.11%(见表1)，利用隔壁式精馏塔分离混合烯烃分为三股物流，与工业示范项目流程相比增加了中间抽出丙烯和丙烷，减少进入脱甲烷塔物流的流量，降低脱甲烷塔的能耗。同时，抽出中间物流直接进入脱乙烷塔分离C2和C3，由于大部分的C2进入到脱甲烷塔。因此，进入脱乙烷塔的物流的流量也低于工业示范项目的流量，脱乙烷塔的能耗也同样会降低。新的分离流程示意图如图13所示。

图13 应用隔壁式精馏塔的分离流程

Fig.13 Separation process with dividing wall column

5 结 论

利用Aspen HYSYS流程模拟软件作为平台，利用循环逻辑操作完成了隔壁式精馏塔的设计。在此基础上，考察了隔壁式精馏塔侧线抽出流量、回流比、进料温度、气相回流流量和液相回流流量对分离后产品组成的影响，并最终确定优化后的操作参数，即侧线抽出流量为740 kmol/h，回流比为4，进料温度为28 ℃，液相回流流量为50 kmol/h。在此基础上提出应用隔壁式精馏塔分离煤制烯烃的新流程。

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Zhu Denglei, Ren Genkuan, Shang Shuyong, et al. Simulation and optimization of Petlyuk column by Aspen Plus[J]. Computers and Applied Chemistry, 2013, 30(3): 301-304.

(编辑 宋官龙)

Design of Separation Process with Dividing-Wall Column for Light Olefins Based Coal

Li Junlong, Chen Chao, Ni Xinyi, Wang Dandan, Sun Qiang, Guo Xuqiang

(CollegeofChemicalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249,China)

A design about application of dividing-wall to separate light olefins based coal was accomplished in software Aspen HYSYS. The logic recycle operation units coupled the pre-fractionator with main fractionator, which could reduce the number of column freedom. The sensitivity analyses were made on the base of stable process design, which included the relationship between middle stream mole flow rate drown out of main column, reflex ratio, feed stream temperature, vapor mole flow rate recycle back to pre-fractionator, liquid recycle back to pre-fractionator and main column top, middle and bottom composition, then optimized operation parameters were obtained. And a novel separation process was addressed according to the mole fraction of three production stream, which was more compact than traditional separation process.

Coal based light olefins；Dividing-wall column；Aspen HYSYS；Sensitivity analyst

1006-396X(2016)05-0009-08

2015-12-28

2016-02-10

国家科技部973项目“绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究”子课题“炼油过程低碳产品高效分离与精制”(2012CB215005)。

李俊龙(1986-)，男，博士研究生，从事煤制烯烃及煤化工相关研究；E-mail：lijunlongjiayou@163.com。

郭绪强(1963-)，男，博士，教授，博士生导师，从事煤化工及高压流体相平衡等研究；E-mail：guoxq@cup.edu.cn。

TE664； TQ536.9

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.05.002

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn