苯酚丙酮裝置丙酮精制工段粗丙酮塔的模擬與優(yōu)化研究

胡春福，陳 剛，毛乾平，陳錫聯(lián)，曹 陽

(中國石油吉林石化公司 染料廠，吉林 吉林 132021)

中國石油吉林石化公司染料廠苯酚丙酮裝置是吉化30萬t乙烯工程的主要配套裝置之一，它全套引進(jìn)美國UOP公司異丙苯法的苯酚丙酮生產(chǎn)技術(shù)。苯酚丙酮裝置利用乙烯裝置和芳烴聯(lián)合裝置生產(chǎn)出來的丙烯和苯進(jìn)行深加工，生產(chǎn)重要的有機(jī)化工原料：苯酚和丙酮。現(xiàn)產(chǎn)苯酚7.5萬t/a、丙酮4.64萬t/a[1]。作者針對苯酚丙酮裝置丙酮精制工段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流程建模分析及優(yōu)化，通過模擬分析，考察不同運(yùn)行參數(shù)對苯酚丙酮裝置丙酮精制工段產(chǎn)品收率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

1 苯酚丙酮裝置丙酮精制工段工藝流程簡述

苯酚丙酮裝置丙酮精制工段采用精餾工藝，精餾工藝由粗丙酮塔及丙酮精制塔組成，精餾塔均采用板式塔，其中粗丙酮塔采用微正壓操作，加熱方式為蒸汽加熱。運(yùn)行方式為連續(xù)流[2]。具體工藝流程如下：由上游工段來的粗產(chǎn)品從粗丙酮塔中部進(jìn)料，水從塔底進(jìn)入，粗丙酮塔塔頂采出主要組成為丙酮、異丙苯，一部分進(jìn)入丙酮精制塔，其余部分經(jīng)粗丙酮塔冷凝器冷凝后進(jìn)入粗丙酮塔受槽，再經(jīng)塔頂泵大部分打回粗丙酮塔塔頂，亦可能有少量部分抽去精丙酮塔，以調(diào)節(jié)粗丙酮塔頂受槽液位[3]。粗丙酮塔塔釜物料進(jìn)入其它工段。該工段流程圖見圖1。

圖1 丙酮精制工藝流程圖

2 模型建立

由于目前粗丙酮塔已經(jīng)在運(yùn)行當(dāng)中，要想進(jìn)行設(shè)計型優(yōu)化已不現(xiàn)實，優(yōu)化方向只能放在操作條件上。目前可以改變的操作條件有進(jìn)料板位置、塔頂及塔釜壓強(qiáng)、塔頂采出量等。在此塔的優(yōu)化過程中，首先分析各個操作條件對塔分離效果及能耗經(jīng)濟(jì)性的影響[4]。利用Aspen Plus軟件對各單個因素進(jìn)行靈敏度分析并觀察趨勢，分析各個操作條件對分離效果及能耗的影響程度，進(jìn)而確定操作條件[5]。在找到影響比較大的操作條件之后，利用軟件的優(yōu)化分析功能，以能耗作為因變量，操作條件作為自變量，分離效果作為約束條件，進(jìn)行全局的優(yōu)化分析，找出最優(yōu)值，從而完成整個塔所有條件的優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

3.1 進(jìn)料板位置對粗丙酮塔的影響

對于精餾塔而言，進(jìn)料板位置會對分離效果產(chǎn)生影響。從中和單元來的物料進(jìn)入粗丙酮塔，粗丙酮塔總共66塊板，設(shè)計的進(jìn)料位置為第17塊板。在其它條件不變的情況下，只改變進(jìn)料板位置，應(yīng)用Aspen Plus中的靈敏度分析，對進(jìn)料板位置進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。

塔板/塊圖2 進(jìn)料板位置對粗丙酮塔分離效果的影響

從圖2可以明顯看出，隨著進(jìn)料板位置從塔上部到下部移動的過程中，塔頂w(丙酮)變化不大，但到40塊板開始w(丙酮)明顯下降，但是仍然符合控制指標(biāo)要求，w(丙酮)>75%。對于塔釜丙酮含量而言，同樣，從第40塊板開始，w(丙酮)開始明顯上升，并且超過0.2%。從而可以看出進(jìn)料板位置一定要在40塊板之上。進(jìn)料板位置除了要考慮分離效果，還應(yīng)考慮到實際的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對于精餾塔而言，塔釜的再沸器提供的熱量是經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)?？疾爝M(jìn)料板位置對再沸器的能量消耗的影響，從塔頂?shù)剿?，所耗能量先降低，再升高。進(jìn)料板位置對粗丙酮塔再沸器耗能量影響見圖3。

塔板/塊圖3 進(jìn)料板位置對粗丙酮塔再沸器所耗能量的影響

從圖3中可以看出，進(jìn)料板位置在17塊板時，再沸器所耗功率最少，最經(jīng)濟(jì)劃算，這與目前中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司進(jìn)料位置完全一致。

綜上分析，進(jìn)料板最佳進(jìn)料位置在塔的第17塊板位置，此處進(jìn)料分離效果較好，并且經(jīng)濟(jì)合理性最好。

3.2 塔頂壓強(qiáng)對粗丙酮塔的影響

先分析壓強(qiáng)對分離效果的單因素變量的影響，塔頂采出、全塔壓降及回流量都不改變，只改變塔頂及塔釜壓強(qiáng)，分析塔壓對分離效果的影響。改變塔頂壓強(qiáng)從(98～208)kPa，塔頂及塔釜丙酮含量變化見圖4。

p/kPa圖4 塔頂及塔釜w(丙酮)隨壓強(qiáng)變化趨勢圖

從圖4可以看出，塔頂壓強(qiáng)從常壓增到208 kPa，塔頂w(丙酮)增加，塔釜w(丙酮)下降。塔頂w(丙酮)從79.8%增到80.1%，塔頂w(丙酮)變化不太。從塔釜丙酮變化趨勢來看，塔釜w(丙酮)變化不大且都<0.2%，是符合指標(biāo)的。塔頂及塔釜壓力變化必然引起塔釜再沸器的功率消耗變化，同樣在其它條件不變的情況下，分析塔頂壓強(qiáng)從常壓增到208 kPa的過程中，塔釜再沸器功率消耗的情況，通過應(yīng)用Aspen Plus對不同壓強(qiáng)下塔釜再沸器能量進(jìn)行計算，得出再沸器功率消耗趨勢圖見圖5。

p/kPa圖5 再沸器能量消耗隨壓強(qiáng)變化趨勢圖

塔頂及塔釜壓強(qiáng)增大，再沸器能量消耗肯定變大。

綜上分析，單一考察壓強(qiáng)的變化對分離效果及經(jīng)濟(jì)性，是沒有優(yōu)化點的。只能看出分離效果隨壓強(qiáng)變化的趨勢。同樣，單一的溫度的變化對分離效果及經(jīng)濟(jì)性的影響和壓強(qiáng)是一樣的規(guī)律，所以不再贅述。

3.3 回流量對粗丙酮塔的影響

回流量指塔頂采出經(jīng)過分流以后，去往冷凝器的物流經(jīng)過冷凝之后通過泵P-602A/B回流給粗丙酮塔的流量。目前回流量是11.5 m3/h，改變回流量的大小，考察回流體積流率在10～14 m3/h時，回流量對塔頂及塔釜w(丙酮)的影響，結(jié)果見圖6。

回流比圖6 粗丙酮塔頂回流量對塔頂及塔釜w(丙酮)的影響

由圖6可以看出，塔頂回流量越高，塔頂w(丙酮)越高，塔頂回流量高于11 m3/h即可滿足指標(biāo)的要求，w(丙酮)較低?；亓髁扛哂?3.3 m3/h時，塔釜w(丙酮)即超出指標(biāo)，所以回流量在11～13.3 m3/h是符合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的。從圖6可以看出，在其它條件不變的情況下，回流量變大，塔頂w(丙酮)升高，塔釜w(丙酮)也增高。

4 結(jié) 論

(1) 進(jìn)料板最佳進(jìn)料位置在塔的第17塊板位置，此處進(jìn)料分離效果較好，并且經(jīng)濟(jì)合理性最好。

(2) 塔頂壓強(qiáng)從常壓增到208 kPa，塔頂w(丙酮)增加，塔釜w(丙酮)下降。塔頂w(丙酮)從79.8%增到80.1%，塔頂w(丙酮)變化不太。從塔釜丙酮變化趨勢來看，塔釜w(丙酮)變化較大，但是在變化的范圍內(nèi)，w(丙酮)<0.2%，都是符合指標(biāo)的。

(3) 塔頂回流量越高，塔頂w(丙酮)越高，回流量高于13.3 m3/h塔釜w(丙酮)即超出指標(biāo)，所以回流量在11～13.3 m3/h是符合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的。

通過分析進(jìn)料板位置、塔頂壓強(qiáng)、塔頂回流量對粗丙酮塔分離效果及能耗的影響，可以看出每個變量都影響分離效果。其中進(jìn)料板位置可以確定下來第17塊板是最佳進(jìn)料板位置。塔頂壓強(qiáng)、回流量甚至溫度，這幾個變量相互之間是關(guān)聯(lián)的，單一的變量調(diào)整對整個塔的分離及再沸器功率的消耗的分析是不夠全面的。

在確定已知的最佳進(jìn)料位置第17塊板之后，分析在不同的壓強(qiáng)下，以塔頂回流量作為自變量，在滿足塔頂w(丙酮)>75%以及塔釜w(丙酮)<0.2%的條件下，求取最佳塔頂采出量。

通過上述的分析，塔頂回流量對分離效果及功率消耗影響較為敏感，壓強(qiáng)作為一種強(qiáng)度變量，對分離效果及能耗影響不是很大，所以以塔頂回流量作為自變量是合理的。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 朱麗娜,李洪濤,姜道華,等.我國苯酚丙酮生產(chǎn)技術(shù)及市場[J].化工技術(shù)與開發(fā),2014(1):35-37.

[2] 董銘偉.苯酚丙酮裝置脫烴塔產(chǎn)品質(zhì)量不合格原因分析及對策[J].石化技術(shù),2013,20(2):24-27.

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[4] 趙英學(xué),陸陽.樹脂催化分解過氧化異丙苯制苯酚丙酮[J].石化技術(shù),2005,12(1):4-7.

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