固定床制備及分離異丙苯流程模擬與優(yōu)化

蘇奎　梁建東　趙穎星　郭嘉圻　鐘嘉敏　馮靖　程志毓　黃衛(wèi)清

(東莞理工學(xué)院　化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

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固定床制備及分離異丙苯流程模擬與優(yōu)化

蘇奎梁建東趙穎星郭嘉圻鐘嘉敏馮靖程志毓黃衛(wèi)清*

(東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞523808)

異丙苯是重要的有機(jī)化工原料，現(xiàn)今世界90 %以上的異丙苯用于生產(chǎn)苯酚和丙酮，其發(fā)展前景廣闊。主要研究液相法固定床制備異丙苯的工藝流程，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具建立了苯與丙烯合成及分離異丙苯的全流程模型，對(duì)其進(jìn)行了全流程模擬計(jì)算，并對(duì)各精餾塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料板位置、回流比等參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，從而得到較優(yōu)的操作工況為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供建議。

異丙苯；固定床；流程模擬

異丙苯全稱異丙基苯，英文名字為Cymene，分子式為C9H12，結(jié)構(gòu)式為C3H7—C6H4—C3H7，分子量為120.19。異丙苯是一種重要的有機(jī)化工原料，世界上90 %以上的異丙苯用于生產(chǎn)丙酮和苯酚[1]。對(duì)于苯與丙烯烷基化反應(yīng)合成異丙苯，國(guó)內(nèi)的研究主要集中在催化劑和反應(yīng)工藝兩方面[2]。目前工業(yè)化異丙苯合成所用催化劑主要為酸性催化劑，包括：固體磷酸(Solid Phosphoric Acid，簡(jiǎn)稱 SPA)、氯化鋁(AlCl3)、分子篩(Zeolites)[3]。反應(yīng)工藝的研究也在不斷深入，目前研究的比較多的主要有固定床反應(yīng)工藝、催化蒸餾(CD)反應(yīng)工藝和懸浮催化蒸餾(SCD)反應(yīng)工藝[4-6]。工業(yè)所用較成熟的工藝為固定床反應(yīng)工藝，后兩種工藝還有待在工業(yè)上進(jìn)一步發(fā)展和完善。

異丙苯的生產(chǎn)工藝經(jīng)歷了傳統(tǒng)工藝和新型工藝兩個(gè)階段。傳統(tǒng)制備工藝主要為固體磷酸法、三氯化鋁法。固體磷酸法工藝簡(jiǎn)單，但異丙苯收率低。三氯化鋁均相法由于設(shè)備易腐蝕、操作困難、環(huán)境污染大等問題近乎被工業(yè)所淘汰[7-8]。20世紀(jì)90年代以來，以沸石分子篩為催化劑的新型工藝取得突破性的進(jìn)展，具有高效清潔、轉(zhuǎn)化率高、熱穩(wěn)定性高、易再生、抗積碳能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近期在異丙苯新裝置和擴(kuò)能項(xiàng)目中得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用[9-10]。對(duì)合成異丙苯進(jìn)行流程模擬研究也在國(guó)內(nèi)引起一些學(xué)者的關(guān)注[11-13]。異丙苯沸石分子篩為催化劑的新型的生產(chǎn)工藝主要有UOP液相法、Mobil/ Badger液相法、Dow/Kellogg工藝、Enichem液相法、CD Tech催化蒸餾法和燕化公司的氣-液-固三相法、液相法。這6種方法之間的差異在于其反應(yīng)物需轉(zhuǎn)換成不同的相態(tài)，氣相法是需要令液態(tài)苯升溫變成氣體，然后才能進(jìn)行下一步反應(yīng)，這種工藝由于需要熱能的供給，能耗較大，同時(shí)容易生成其他副產(chǎn)物。而氣液固三相法由于在氣液兩相間存在著一定阻力，致使烷基化反應(yīng)的空速較低，也就是使催化劑的生產(chǎn)效率降低[14-15]。燕化公司的液相法雖然對(duì)操作壓力要求較高，但其烷基化的反應(yīng)溫度相對(duì)于氣相法低，副產(chǎn)物較少，同時(shí)由于消除了氣液膜阻力，使催化劑生產(chǎn)能力大大提高。本文主要采用液相法合成異丙苯的工藝，建立了生產(chǎn)流程，并對(duì)該制備及分離過程進(jìn)行模擬研究和參數(shù)優(yōu)化， 研究結(jié)果可為具體工業(yè)操作過程提供相關(guān)參考。

1　液相法合成異丙苯的工藝流程

圖1　苯與丙烯反應(yīng)合成制備及分離異丙苯的流程示意圖

主要對(duì)苯與丙烯反應(yīng)合成制備及分離異丙苯的過程進(jìn)行模擬，并對(duì)各精餾塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料板位置、回流比等參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，以求達(dá)到更佳的操作工況。

2　液相法合成異丙苯的操作參數(shù)優(yōu)化

為對(duì)該過程進(jìn)行分離操作進(jìn)行優(yōu)化，主要考察流程圖1中COLUMN1與COLUMN2的進(jìn)料板位置，理論板數(shù)，回流比變化對(duì)產(chǎn)品分離結(jié)果的影響。

2.1COLUMN2理論塔板數(shù)的優(yōu)化

將工藝流程中其他相關(guān)參數(shù)固定，先觀察COLUMN 2理論塔板數(shù)的變化對(duì)塔釜異丙苯純度(Mole Frac)的影響。從圖2可知，當(dāng)實(shí)際理論塔板數(shù)超過第10塊時(shí)，塔板數(shù)的增加對(duì)異丙苯的純度提高有非常顯著的效果，特別是到16塊時(shí)可得最高純度，但大于16塊之后，再增加塔板數(shù)對(duì)其純度的提高幾乎無效。由于該精餾塔嚴(yán)格計(jì)算的實(shí)際理論塔板是15.8塊，同時(shí)也考慮到相關(guān)成本的原因和實(shí)際操作的彈性，所以可以選定COLUMN 2的理論塔板數(shù)為16塊。

圖2　異丙苯純度與COLUMN 2的理論塔板數(shù)的變化關(guān)系圖

2.2COLUMN2進(jìn)料位置的優(yōu)化

合適的進(jìn)料位置不僅可以提高產(chǎn)品分離的效率，同時(shí)也可以影響著產(chǎn)品的純度。先考察COLUMN 2的進(jìn)料塔板對(duì)產(chǎn)品純度(摩爾分率Mole Frac)的影響，模擬結(jié)果如圖3所示。當(dāng)理論塔板數(shù)確定為第16塊板時(shí)，根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果顯示，進(jìn)料板位置為在第14塊的時(shí)候純度最高，而在第16塊塔板的時(shí)候純度最低。因此結(jié)合簡(jiǎn)捷計(jì)算的結(jié)果12.5，再綜合考慮，進(jìn)料位置選用在第13塊板時(shí)最為合適。

圖3　異丙苯純度與COLUMN 2的進(jìn)料板位置的變化關(guān)系圖

2.3COLUMN 2回流比的優(yōu)化

回流比是指在精餾操作中，由精餾塔塔頂返回塔內(nèi)的回流液流量L與塔頂產(chǎn)品流量D的比值，即R=L/D，當(dāng)回流比R較大時(shí)，代表塔回流液流量L較大，而產(chǎn)品流量較??；當(dāng)回流比R較小時(shí)，代表著塔回流液流量L較小，而產(chǎn)品流量較大；同時(shí)它也直接影響到精餾塔所需理論板數(shù)、塔板結(jié)構(gòu)、冷卻水的耗量等等，從某個(gè)層面來講，回流比是整個(gè)精餾工藝的核心所在。因此，為工藝流程選擇一個(gè)適宜的回流比顯得至關(guān)重要。

圖4是本流程中COLUMN 2回流比與產(chǎn)品純度(Mole Frac)的影響關(guān)系圖。由圖4可以看出，隨著回流比的增加，產(chǎn)品異丙苯純度(Mole Frac)在起始區(qū)間有較大的增長(zhǎng)，特別是在回流比到達(dá)0.8時(shí)，純度可到達(dá)最高值，再結(jié)合嚴(yán)格計(jì)算結(jié)果0.86進(jìn)行考慮，因此挑選回流比為0.8為較優(yōu)參數(shù)。

圖4　異丙苯純度與COLUMN 2的回流比的變化關(guān)系圖

2.4COLUMN 1理論塔板數(shù)的優(yōu)化

采用前面的優(yōu)化結(jié)果將 COLUMN 2的參數(shù)固定，觀察COLUMN 1理論塔板數(shù)的變化對(duì)塔釜異丙苯純度(Mole Frac)的影響。模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，當(dāng)實(shí)際理論塔板數(shù)超過第19塊時(shí)，塔板數(shù)的增加對(duì)異丙苯的純度提高有非常顯著的效果，特別是到21塊時(shí)可得最高純度，但大于21塊之后，再增加塔板數(shù)對(duì)其純度的提高幾乎無效。由于該精餾塔嚴(yán)格計(jì)算的實(shí)際理論塔板是19.6塊，同時(shí)也考慮到相關(guān)成本的原因和實(shí)際操作的彈性，所以可以選定COLUMN 1的理論塔板數(shù)為20塊。

圖5　異丙苯純度與COLUMN 1的理論塔板數(shù)的變化關(guān)系圖

2.5COLUMN 1進(jìn)料位置的優(yōu)化

合適的進(jìn)料位置不僅可以提高產(chǎn)品分離的效率，同時(shí)也可以影響著產(chǎn)品的純度。再考察COLUMN 1的進(jìn)料塔板對(duì)產(chǎn)品純度(摩爾分率Mole Frac)的影響，模擬結(jié)果如圖6所示。當(dāng)理論塔板數(shù)確定為第20塊板時(shí)，根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果顯示，進(jìn)料板位置為在第18塊的時(shí)候純度最高，因此結(jié)合之前簡(jiǎn)捷計(jì)算的結(jié)果15.4，再綜合考慮，進(jìn)料位置選用在第17塊板時(shí)較為合適。

圖6　異丙苯純度與COLUMN 1的進(jìn)料板位置的變化關(guān)系圖

2.6COLUMN 1回流比的優(yōu)化

圖7為是本流程中COLUMN 1回流比與產(chǎn)品純度(Mole Frac)的影響關(guān)系圖。圖7中可以看出，隨著回流比的增加，產(chǎn)品異丙苯純度(Mole Frac)在起始區(qū)間可有較緩的增長(zhǎng)，是在回流比到達(dá)1.8時(shí)，純度可到達(dá)最高值，再結(jié)合嚴(yán)格計(jì)算結(jié)果1.42進(jìn)行考慮，因此挑選回流比為1.6為較優(yōu)參數(shù)。

圖7　異丙苯純度與COLUMN 1的回流比的變化關(guān)系圖

3　結(jié)語

主要研究了液相法固定床制備及分離異丙苯的工藝流程，采用數(shù)學(xué)工具對(duì)其進(jìn)行全流程模擬計(jì)算，并對(duì)各精餾塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料板位置、回流比等參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，以求達(dá)到更佳的操作工況為工業(yè)生產(chǎn)提供建議。通過對(duì)三個(gè)參數(shù)的分析優(yōu)化，得出以下結(jié)論：當(dāng)精餾塔2的理論塔板數(shù)為16，進(jìn)料板位置在13，回流比設(shè)定為0.8時(shí)；當(dāng)精餾塔 1的理論塔板數(shù)為20，進(jìn)料板位置在17，回流比設(shè)定為1.6時(shí)，可使流程產(chǎn)品異丙苯純度達(dá)到較優(yōu)值。

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Simulation and Optimization for the Process of Fixed-Bed Reactor Preparing and Separating Cymene

SU KuiLIANG JiandongZHAO YingxingGUO JiaqiZHONG JiaminFENG JingCHENG ZhiyuHUANG Weiqing

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguang 523808, China)

Cymene is an important organic chemical raw material which shows great prospects in chemical industry. 90 % of the cymene is used as raw material for the production of phenol and acetone. This study mainly focuses on the preparation and separation process of Cymene by fixed-bed reactor, which is established and simulated in Math tool, investigating and optimizing the process parameters such as theoretical plate number, feeding plate, and reflux ratio in both rectifying columns during the simulation. The simulation results can provide advice for the Cymene production in chemical plant.

Cymene; fixed-bed reactor; process Simulation

2016-03-17

東莞理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(201511819034；201511819031；201611819158；201611819051)。

蘇奎(1996—)，男，四川宜賓人，主要從事化工系統(tǒng)工程研究。

黃衛(wèi)清(1983—)男，廣東河源人，副教授，博士，主要從事化工系統(tǒng)工程和產(chǎn)品工程研究。

TQ028

A

1009-0312(2016)03-0078-05