流程模拟技术在丁醛异构物分离中的应用

郑志强，吕日红，郑 卓，董 鑫，李海军

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 精细化学品厂，吉林 吉林 132021)

吉林石化公司丁辛醇装置是从德国巴斯夫公司引进的成套技术和设备，设计能力为辛醇50 000 t/a，正丁醇6 950 t/a[1]。丁醛异构物分离是丁辛醇装置中重要操作单元，作为能耗大户，原材料、动力消耗偏高。因此，对装置进行改造，降低消耗和生产成本，提高产品竞争力，成为目前面临的一项重要课题。

近年来化工流程模拟技术[2-4]在丁辛醇装置上得到了大量应用，其中以Aspen Plus应用最为广泛，它是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统[5]。Aspen Plus源于美国能源部20世纪70年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的开发新型第三代流程模拟软件。经过近40年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十几个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，用户上千个。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是其用户。陈丽[6]应用Aspen Plus软件对丁辛醇装置进行了全流程模拟，不同工况下具有较好的收敛性。李治水，李云辉等[7-8]对丁辛醇装置分离系统进行了模拟优化研究，得到较好的效果。牛玉锋、胡松等[9-10]针对均相及非均相共沸精馏系统，利用流程模拟技术研究的方法，进行了深入的分析和探讨。

丁醛异构物，包括正丁醛和异丁醛。由于在丁醛合成过程中由于有水的存在，使得正丁醛、异丁醛和水体系的相平衡关系非常复杂，该体系在一定组成范围内存在两个液相，既有汽液平衡关系(VLE)，又有汽液液平衡关系(VLLE)。而且，水与丁醛两个异构体均会形成共沸物。因此，作者使用流程模拟软件Aspen Plus对丁醛异构物分离过程进行模拟计算，建立模型。采用灵敏度分析的方法，寻找最优工艺条件，以达到节能减耗，节约成本的目的。

1 工艺流程简述

来自羰基合成单元的稳定丁醛进入异构物分离塔，塔顶气相进入塔顶冷凝器冷凝后，进入分水器，有机相经丁醛回流泵全部回流到塔顶，水相全部采出。液体异丁醛成品从塔顶侧线采出，然后通过异丁醛冷却器冷却后送出界区。塔底上升蒸汽由塔釜再沸器提供，塔底采出的正丁醛由正丁醛泵经正丁醛冷却器送到加氢单元。从塔底侧线采出的正丁醛成品以蒸汽形式进入到正丁醛冷凝器中冷凝后送至正丁醛采出罐中，通过正丁醛采出泵经正丁醛采出冷却器冷却后送出界区去缩合单元。

丁醛异构物分离单元流程见图1。

图1 丁醛异构物分离单元流程图

2 建立模型

采用Aspen Plus流程模拟软件，对丁辛醇装置丁醛异构物分离塔建立模型。精馏塔(C-01)使用RadFrac模块，分水器(B-01)使用Flash3模块，换热器(E-01、E-02)使用HeatX模块。流程见图2。

图2 丁醛异构物分离单元模型

采集装置生产的实时工艺参数及分析数据，代入模型。丁醛异构物分离塔进料物流(01)参数见表1。

表1 丁醛异构物分离塔进料参数

根据装置物流组分(进料组成见表1)的物系性质，由于醛类具有弱极性，水是强极性物质，因此，物性方法选择活度系数法[11]。系统为微正压，所以选择NRTL方法进行流程模拟[12]。NRTL方程可以用二元数据推算多元溶液的性质，突出优点是能用于液相完全不互溶的系统[13]，因而特别适用于液液分层物系的计算。调整模型使其收敛，并对分离过程的物料平衡、能量平衡及相平衡进行模拟计算。塔底侧线采出(05)，塔底侧线采出(06)及塔釜采出(07)模拟计算结果与装置实际值相比较可以看出，模拟计算所得的各项操作参数及物料组成与实际值基本相符，可以用于指导生产，其结果见表2。

表2 模拟计算结果与实际值的比较

3 模型优化研究

灵敏度分析(Sensitivity)是进行工况研究的最有用的方法之一，用户可以应用它改变一个或多个流程变量从而研究该变化对其它流程变量的影响[14]。通过对丁醛异构物分离单元模型的分析，分别改变精馏塔(C-01)的进料(物流01)位置和冷凝器(E-01)出口温度，来研究其对冷却水及低压蒸汽用量的影响。

3.1 进料位置的优化

精馏塔预留了三个进料口分别位于第52、59、63块板处。现采用第52块板进料，在不影响产品质量的前提下，将进料位置作为自变量，考察对精馏塔热负荷的影响。

进料板位置的优化见表3。

由表3可以看出进料板位置在第59块板时，最为节能。如果将进料板位置由第52块移到第59块，将节约冷却水20.08 t/h，蒸汽237.7 kg/h。

表3 进料板位置的优化

3.2 塔顶冷凝器出口温度对异丁醛产品的影响

塔顶冷凝器的出口温度对分水器中异丁醛产品有着巨大的影响。设定塔顶冷凝器出口温度为自变量，固定异丁醛产品(物流05)流量，考察其中x(水)及x(异丁醛)的变化，见图3。

由图3可以看出，随着塔顶冷凝器出口温度的升高，产品异丁醛中x(水)有所降低，而x(异丁醛)则略有上升。装置冷凝器操作温度为30 ℃，在保证产品质量的前提下，如果提高冷凝温度到37 ℃，不但可以保证异丁醛质量和收率，还能够节约冷却水和低压蒸汽的用量。如果进一步提高冷凝器温度，则分水器分层效果就会变差，汽相异丁醛损失量也会大幅增加。

冷凝器出口温度/℃图3 塔顶冷凝器出口温度对异丁醛产品的影响

塔顶冷凝器出口温度对冷却水用量的影响结果见表4。

表4 塔顶冷凝器出口温度对冷却水用量的影响

由表4可以看出，塔顶冷凝器出口温度由30 ℃提高到37 ℃时，可以节约冷却水81.41 t/h，低压蒸汽1.09 t/h。

4 结 论

采用流程模拟技术对丁辛醇装置丁醛异构物分离塔建立模型，模型与装置实际基本相符。并利用模型对工艺操作参数进行分析和节能优化，提出了优化操作建议。

(1) 通过分析丁辛醇装置丁醛异构物分离塔进料位置对能耗的影响，确定了最佳进料位置为第59块板，装置将节约冷却水20.08 t/h，蒸汽237.7 kg/h；

(2) 通过分析装置塔顶冷凝器出口温度对分水器分水效果的影响，适当将分水器的温度由30 ℃提高到37 ℃，将节约冷却水81.41 t/h，低压蒸汽1.09 t/h。

经过以上优化，累计节约冷却水101.5 t/h，低压蒸汽1.33 t/h，降低了生产成本，提高了装置的盈利能力。

[1] 王强.丁辛醇装置节能技术改造[J].吉化科技，1995(3):38-43.

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