Aspen技術(shù)環(huán)氧丙烷制備工藝的模擬及優(yōu)化

高希（上海建安化工設(shè)計(jì)有限公司，上海 200080）

Aspen 屬于充分融合了化工工藝設(shè)計(jì)、單體設(shè)備動(dòng)態(tài)模擬以及優(yōu)化的過(guò)程模擬軟件，操作相對(duì)簡(jiǎn)便，具有非常強(qiáng)的功能，現(xiàn)階段是世界上應(yīng)用最為廣泛的過(guò)程模擬軟件之一，包括物性數(shù)據(jù)庫(kù)、單元操作模塊、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略等幾部分。近些年隨著社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)于環(huán)氧丙烷的需求量不斷上升，通過(guò)Aspen軟件對(duì)于環(huán)氧丙烷制備工藝實(shí)施模擬以及優(yōu)化能夠?qū)嵤┕に噭?chuàng)新，對(duì)于提升環(huán)氧丙烷產(chǎn)量、降低企業(yè)成本具有非常重要的作用。

1 環(huán)氧丙烷制備工藝模擬分析

1.1 工藝性能分析

在環(huán)氧丙烷（PO）制備工藝中，過(guò)氧化氫環(huán)氧化法（HPPO）是應(yīng)用最為廣泛的方法之一，此種工藝體系為輕烴體系，制備中所產(chǎn)生的全部產(chǎn)物都是非極性物質(zhì)，可以通過(guò)SRK狀態(tài)方式實(shí)施氣液以及氣液液平衡計(jì)算。在實(shí)施分離時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣，隨著物料的冷凝會(huì)出現(xiàn)水相，所以對(duì)系統(tǒng)中存在大量液態(tài)水的單元來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)NRTL或者UNIQUAVC活度系數(shù)模型實(shí)施液液平衡計(jì)算。

1.2 反應(yīng)和預(yù)分離工段模擬

此工段主要包括雙氧水和丙烯直接環(huán)氧化反應(yīng)、丙烯預(yù)分離、“冷凝—加熱—冷凝”除氧等幾部分，其模擬情況如圖1所示。

第一，環(huán)氧化反應(yīng)分析。首先將雙氧水和聚合級(jí)丙烯、甲醇等投入到原料預(yù)混灌（V101）當(dāng)中，之后將這些混合料投入到環(huán)氧化反應(yīng)器R101當(dāng)中，將甲醇當(dāng)作反應(yīng)體系溶劑，基本控制參數(shù)為：反應(yīng)溫度40-65℃、壓力2MPa、反應(yīng)時(shí)間

40min。完成環(huán)氧化反應(yīng)后混合物會(huì)進(jìn)入到丙烯預(yù)分離工序中，實(shí)現(xiàn)預(yù)分離操作。

第二，丙烯的預(yù)分離。完成塔頂分離之后所得氣相丙烯、氧氣等進(jìn)入到“冷凝—加熱—冷凝”除氧工序。

第三，“冷凝—加熱—冷凝”除氧。首先通過(guò)預(yù)分離塔（T101）對(duì)于丙烯以及氧氣混合物實(shí)施部分冷凝，確保其降低到0℃，將氣液兩相在閃蒸罐V103中實(shí)施分離。之后對(duì)液相實(shí)施加熱到4℃，在閃蒸罐V104中實(shí)施氣液分離。在完成V103以及V104 的出料混合之后將其冷凝到-6℃，在V105 中對(duì)氣液兩相實(shí)施分離后得到氧氣富集的氣相，將其送回以便進(jìn)行丙烯酸和下游產(chǎn)品的生產(chǎn)。V105 和V104 之后能夠得到較高純度的丙烯，經(jīng)過(guò)混合之后通過(guò)高壓泵壓縮之后返回到原料預(yù)混罐當(dāng)中。

1.3 環(huán)氧丙烷提純工段模擬

經(jīng)過(guò)預(yù)分離塔T101 冷凝之后，塔釜流出物料參數(shù)如表2所示。

表1 塔釜流出物料參數(shù)

從萃取精餾塔所分離得到含有醛類(lèi)以及丙烷雜質(zhì)的粗環(huán)氧丙烷，之后混合料會(huì)投入到甲醇雙效精餾高壓塔（T301）中。經(jīng)過(guò)必要的化學(xué)吸附進(jìn)行醛類(lèi)過(guò)濾之后利用環(huán)氧丙烷提純精餾塔（T203）將輕組分物質(zhì)清除掉，之后將塔頂所排出的輕組分丙烷傳輸回母廠，同時(shí)所獲得的高純度環(huán)氧丙烷和T203塔釜所獲產(chǎn)品混合之后傳輸?shù)疆a(chǎn)品儲(chǔ)罐當(dāng)中即可。

1.4 重組分回收工段模擬

通過(guò)萃取精餾塔T201 塔釜所得到的混合物投入到甲醇雙效精餾高壓塔T301中，經(jīng)過(guò)相應(yīng)反應(yīng)后塔頂出料能夠得到較高純度的甲醇，此部分屬于常壓精餾塔T302塔釜再沸器熱量的主要來(lái)源，在經(jīng)過(guò)相應(yīng)冷凝之后其中有一部分返回到反應(yīng)器當(dāng)中，而另一部分在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的冷凝壓縮之后返回到原料預(yù)混罐V101當(dāng)中。

2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過(guò)上述工藝過(guò)程模擬可知，對(duì)于局部實(shí)施了尋求最優(yōu)解，獲取了優(yōu)化參數(shù)，主要包括的內(nèi)容有：各個(gè)精餾塔的塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料板位置等等。

2.1 對(duì)于預(yù)分離精餾塔實(shí)施優(yōu)化

第一，對(duì)于進(jìn)料位置實(shí)施優(yōu)化。要按照進(jìn)料所具有的熱狀態(tài)和塔內(nèi)部的操作情況設(shè)定進(jìn)料板的位置，所設(shè)定位置情況在很大程度上影響著分離效果，通過(guò)Aspen Plus 對(duì)于預(yù)分離精餾塔進(jìn)料板所處位置實(shí)施優(yōu)化分析，從中可知選定第9塊板作為進(jìn)料位置時(shí)能夠得到最高的丙烯濃度，所以該塔可以設(shè)定第9塊板當(dāng)作進(jìn)料板。

第二，對(duì)于回流比實(shí)施優(yōu)化。在進(jìn)行精餾時(shí)回流比會(huì)對(duì)能耗造成非常大的影響，所以一定要設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)分離效果的最小回流比。通過(guò)Aspen Plus對(duì)回流比實(shí)施優(yōu)化分析。

回流比在0.4以下時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足分離要求，回流比在0.4以上時(shí)分離效果不會(huì)有較大變化，所以為了在滿(mǎn)足分離要求的同時(shí)能夠保證能耗較低，設(shè)定0.4作為預(yù)分離塔的最佳回流比。

2.2 環(huán)氧丙烷（PO）提純精餾塔優(yōu)化分析

第一，進(jìn)料位置的優(yōu)化分析。在進(jìn)行環(huán)氧丙烷提純優(yōu)化時(shí)，粗環(huán)氧丙烷進(jìn)料位置對(duì)于環(huán)氧丙烷純度具有非常嚴(yán)重的影響，通過(guò)Aspen Plus 對(duì)于環(huán)氧丙烷提純塔進(jìn)料板所處位置實(shí)施優(yōu)化分析，能夠得到圖1所示結(jié)果。

圖1 環(huán)氧丙烷純度和進(jìn)料位置關(guān)系

從圖1中能夠得知，在粗環(huán)氧丙烷進(jìn)料位置處在第15塊板的情況下塔釜能夠獲取純度最高的環(huán)氧丙烷。所以將第15板設(shè)定為環(huán)氧丙烷提純塔的進(jìn)料位置。

第二，對(duì)于回流比實(shí)施優(yōu)化。通過(guò)Aspen Plus 對(duì)于回流比實(shí)施優(yōu)化分析，能夠得到圖2所示結(jié)果。

圖2 環(huán)氧丙烷采出量和回流比關(guān)系

從圖2 中可知，隨著回流比的增加環(huán)氧丙烷的采出量在不斷上升，在充分考量塔頂冷凝器和塔釜再沸器熱負(fù)荷上升的情況下，可以將環(huán)氧丙烷提純塔的最佳回流比設(shè)定為9。

2.3 重組分分離塔優(yōu)化分析

第一，對(duì)于塔板數(shù)的優(yōu)化分析。通過(guò)Aspen Plus 對(duì)于塔板數(shù)實(shí)施優(yōu)化分析，隨著塔板數(shù)的增加分離效果也有所提升，在塔板數(shù)超過(guò)13的情況下分離效果并不會(huì)再有所增加。所以充分考量到副產(chǎn)物質(zhì)量、設(shè)備投資等方面的經(jīng)濟(jì)情況，可以設(shè)定重組分分離塔的塔板數(shù)為13塊。

第二，進(jìn)料位置優(yōu)化分析。通過(guò)Aspen Plus 對(duì)于重組分分離塔進(jìn)料位置實(shí)施優(yōu)化分析。在進(jìn)料板數(shù)量超過(guò)8的情況下提純效率會(huì)有較大的下降，并且精餾塔上下冷凝器和再沸器的能耗有了較大提升，所以可以將第8塊板作為重組分分離塔的進(jìn)料位置。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)Aspen技術(shù)對(duì)于環(huán)氧丙烷制備工藝實(shí)施了相應(yīng)的模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)于工藝參數(shù)實(shí)施了優(yōu)化，對(duì)于進(jìn)一步提升環(huán)氧丙烷的制備效率、降低企業(yè)成本具有非常重要的作用。