新型精餾塔在分離C4烯烴與烷烴中的節(jié)能效果

樊鋼鑫

摘要：本文根據(jù)作者長期從事化工分離工作的工程經(jīng)驗，通過對新型精餾塔分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的技術(shù)介紹，展示了新型精餾塔相對于傳統(tǒng)精餾塔極具優(yōu)勢的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：新型精餾塔；萃取精餾；分離；節(jié)能；

前言

萃取精餾是石油化學工業(yè)中重要的分離方法之一，發(fā)展至今已有60多年的歷史。其通過萃取劑的加入改變被分離組分間的相對揮發(fā)度，從而使近沸點物系或共沸物體系得以分離，而另一方面，大量萃取劑的加入也大大增加了此分離過程的能耗。如何降低該精餾過程的能耗已經(jīng)成為當今工業(yè)非常普遍也非常重要的研究課題。近年來，開發(fā)者們通過對傳統(tǒng)精餾工藝的模擬分析、優(yōu)化設(shè)計、安裝控制等方面的研究與技術(shù)改進，開發(fā)出了一種新型的精餾塔，其可有效地減少分離過程能耗，在節(jié)能和節(jié)省設(shè)備投資方面的優(yōu)勢十分明顯。

1.新型精餾塔

新型的精餾塔就對傳統(tǒng)精餾塔進行改造而形成的。在傳統(tǒng)精餾塔內(nèi)部設(shè)一垂直隔板，將精餾塔分成下部公共提餾段、隔板兩邊的精餾進料段和中間采出段3部分，形成新型精餾塔。如圖1所示

新型精餾塔被垂直的分隔壁分成6個部分，公共精餾區(qū)1、公共提餾區(qū)6及由分隔壁分開的相互平行的進料段和側(cè)線產(chǎn)品采出段4部分，其中進料段和側(cè)線產(chǎn)品出料段又可以分為精餾段2、3和提餾段4、5，2、4一般被稱為預分餾段或副塔，整個1、3、5、6段被稱為主塔。

含多種物質(zhì)的混合物從塔進料段的中間位置進入到塔內(nèi)。在預分餾段，組分A、B向塔上方移動，組分B、C向塔下方移動。公共精餾區(qū)完成A、B的分離，純組分A從塔頂采出，公共提餾區(qū)完成B、C的分離，純組分C從塔釜采出，純組分B從主塔的中間采出。與傳統(tǒng)分離三組分的兩塔精餾相比，新型精餾塔可節(jié)省1座精餾塔及其附屬設(shè)備，如再沸器、冷凝器、回流泵等，而且占地面積也相應減少。

2.模擬分析研究

2.1.總體介紹

C4餾分是煉油廠副產(chǎn)，其含有豐富的1-3-丁二烯、1-丁烯、順-2-丁烯、反-2-丁烯、異丁烯、正丁烷、異丁烷等，其中1，3-丁二烯可以通過萃取精餾的方式進行分離。萃余C4中的烯烴可通過骨架異構(gòu)轉(zhuǎn)化為異丁烯，進而與甲醇反應生成甲基叔丁基醚。為提高異構(gòu)化過程的效率，需將萃余C4中的烷烴與烯烴進行分離。由于正丁烷與反-2-丁烯的沸點相差僅為1.38℃，工業(yè)上通常仍然采用萃取精餾的方法實現(xiàn)分離。常用的萃取劑有二甲基甲酰胺、甲乙酮、嗎啉等。

以二甲基甲酰胺為萃取劑，采用AspenPlus化工流程模擬軟件，對分隔壁萃取精餾塔分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的過程進行了模擬計算，以期獲得支持該工藝可行性和節(jié)能降耗性能的定量結(jié)果。

2.2.工藝流程

新型萃取精餾塔有3個區(qū)域：萃取精餾段、溶劑回收段和公共提餾段。主塔為萃取精餾段和公共提餾段，副塔為溶劑回收段。C4烴從主塔中部適當位置進料，萃取劑從主塔頂部進料。在萃取精餾段進行C4烴的分離，烷烴從主塔塔頂采出。在副塔進行溶劑回收，烯烴從副塔塔頂采出，萃取劑從塔底采出后循環(huán)使用。

2.3.模擬分析

選擇C4中的正丁烷、反-2-丁烯為分離對象，溶劑選擇二甲基甲酰胺，進料量為1t/h，壓力0.5MPa。原料組成：反-2-丁烯88.3%（w），正丁烷11.7%（w）。分離要求：正丁烷純度大于99.0%（w），反-2-丁烯純度大于99.9%（w）。采用AspenPlus軟件中的MultiFrac模塊進行模擬計算，選取Wilson方程為相平衡模型，分析溶劑比、回流比、汽相分配比等操作條件對分離效果及能耗的影響。

3.模擬結(jié)果研究

3.1.溶劑比的影響

萃取劑與C4原料的質(zhì)量比對產(chǎn)品純度及熱負荷有較大影響。溶劑比在1.5～3.0之間時，增大溶劑比，產(chǎn)品純度顯著提高，此時溶劑濃度與萃取效果正相關(guān)。當溶劑比達到3.0時，可分離得到符合分離要求的產(chǎn)品。此后繼續(xù)增大溶劑比，產(chǎn)品純度變化不大。

塔板上的溶劑濃度是影響萃取效果的因素，但溶劑比越大，使用的溶劑量就越多，塔內(nèi)氣液相流量及熱負荷也會增大，能耗及投資費用也就越高，所以最小溶劑比約為2.5。

3.2.回流比的影響

回流比是影響產(chǎn)品純度及熱負荷的主要因素。新型萃取精餾塔的回流比可以調(diào)節(jié)產(chǎn)品純度及能耗。回流比增大，產(chǎn)品純度會呈明顯增加的趨勢，同時熱負荷也增加。當回流比大于3.5后，產(chǎn)品純度已基本不變，而回收的溶劑純度略有下降，所以合適的回流比約為3.5。

3.3.汽相分配比的影響

新型萃取精餾塔只有一個再沸器提供主副塔的上升蒸氣，在分隔壁的兩邊需考慮上升蒸氣的分配。定義汽相分配比為進入副塔的蒸氣質(zhì)量與進入主塔蒸氣質(zhì)量之比。汽相分配比是影響產(chǎn)品純度及熱負荷的主要因素。

當汽相分配比小于2.0時，副塔會出現(xiàn)干塔情況。汽相分配比等于2.0是副塔正常操作與干塔之間的臨界點，產(chǎn)品純度較差。當副塔正常操作后，汽相分配比對產(chǎn)品純度影響不明顯，但對全塔熱負荷有很大的影響。進入副塔的蒸氣量越多，則需要再沸器提供更多的熱量來維持主塔與副塔的運轉(zhuǎn)。因此，增大汽相分配比，再沸器熱負荷顯著上升。

3.4.與常規(guī)萃取精餾工藝的比較

新型精餾塔萃取精餾工藝與常規(guī)萃取精餾工藝參數(shù)的比較如表1所示。由表1可知，與常規(guī)萃取精餾工藝相比，新型精餾塔萃取塔釜再沸器可節(jié)能17.31%，塔頂冷凝器可節(jié)能25.81%，具有明顯的節(jié)能效果。

3.5.新型精餾塔節(jié)能原因分析

新型精餾塔節(jié)能的原因主要在于能夠減少常規(guī)精餾塔內(nèi)的返混現(xiàn)象。

常規(guī)萃取精餾塔內(nèi)液相各組分濃度沿塔高的分布，中間組分反-2-丁烯的濃度隨塔板數(shù)的增加而逐漸增大，但到塔釜最后一塊板時，濃度反而下降，產(chǎn)生了返混現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中如果增大萃取精餾塔塔板數(shù)，這種中間組分在塔釜濃度降低的現(xiàn)象將表現(xiàn)得更為明顯。最終塔釜中的反-2-丁烯以較低液相濃度進入溶劑回收塔，重新被提純。

在新型精餾塔中，由主塔進入副塔的物流為汽相，當汽相中反-2-丁烯的濃度最大時，即有一部分進入副塔繼續(xù)分離其中的溶劑，從而得到符合要求的丁烯產(chǎn)品，避免了返混。返混效應是精餾過程熱力學效率低下的重要原因，消除返混效應可以大幅度提高分離效率，所以新型萃取精餾塔比常規(guī)萃取精餾節(jié)能。

如果從副塔底部塔板流出的液相物流中，反-2-丁烯含量約為83.3%（w），而同一位置主塔塔板上的反-2-丁烯含量約為36.6%（w），二者混合勢必造成一定的能量損失。由于副塔下降液流量較少，因此這部分能量損失遠小于常規(guī)萃取精餾塔返混帶來的能量消耗。因此，新型精餾塔雖不能完全避免能量的損耗，但其節(jié)能效果與常規(guī)萃取精餾塔相比仍然明顯。

4.結(jié)論

根據(jù)AspenPlus模擬分析的結(jié)果，本新型精餾塔在分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的過程中，完成同樣的分離任務(wù)，與常規(guī)萃取精餾工藝相比，節(jié)能效果明顯，其塔釜再沸器可節(jié)能17.31%，塔頂冷凝器可節(jié)能25.81%。因此，隨著化學工業(yè)的不斷發(fā)展，國家節(jié)能降耗標準逐步提高，新型精餾塔在當今的工業(yè)生產(chǎn)中是值得推薦的。

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