混合碳四中異丁烷的分離

陳國鵬，闞 超

（山東三維石化工程股份有限公司，山東 淄博 255400）

異丁烷是一種重要的化工原料，是制備甲基丙烯腈或甲基丙烯酸的重要原料，同時也可作為許多化工生產(chǎn)過程的促進劑、冷凍劑等[1]。異丁烷可以與碳三、碳四、碳五烯烴進行烷基化反應，生產(chǎn)車用汽油的調(diào)和組分；可與丙烯通過共氧化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，并聯(lián)產(chǎn)叔丁醇；還可用于制備環(huán)氧丙烷、異丁烯等化工原料。異丁烷經(jīng)過氧化、脫水步驟，可以制備碳酸二甲酯。異丁烷脫氫技術的應用，解決了異丁烯短缺的問題。

某廠催化碳四經(jīng)MTBE裝置處理后，剩余的混合碳四作為民用液化氣出售，效益較差。本研究采用Aspen Plus軟件，對混合碳四中異丁烷的分離過程進行模擬計算，探索適宜的分離方案，以得到高純度的異丁烷，提高工廠經(jīng)濟效益。

1 原料性質(zhì)及分離要求

混合碳四原料，產(chǎn)量 11.9t·h-1（10 萬 t·a-1），性質(zhì)如表1所示。綜合考慮產(chǎn)品的應用要求和生產(chǎn)成本，確定分離要求如下：異丁烷回收率98%，異丁烷產(chǎn)品中丙烯、丙烷、異丁烷的總質(zhì)量含量不小于99%。

表1 碳四原料性質(zhì)Table 1 Properties of C4 hydrocarbon

2 流程模擬及優(yōu)化

2.1 熱力學方程確定

PR方程是一種立方型狀態(tài)方程[3]。Peng和Robinson對SRK方程進行了改進，重新編制了α(T，ω)函數(shù)式并修正了內(nèi)壓表達方式。PR方程的標準形式為：

PR方程大幅提高了混合物企業(yè)對平衡和液體密度的計算精度。對于非極性的烴類系統(tǒng)，在大部分壓力溫度范圍內(nèi)，PR方程都能得到合理的計算結(jié)果，是應用最多的立方型方程，因此我們選擇PR方程對異丁烷的分離過程進行模擬計算。

2.2 精餾塔的簡捷計算

首先使用Aspen Plus的DSTWU模塊進行精餾塔的簡捷法計算。設定輕關鍵組分異丁烷在塔頂?shù)氖章蕿?8%，重關鍵組分異丁烯在塔頂?shù)氖章蕿?.8%。計算結(jié)果顯示，為達到分離要求，塔的最小板數(shù)為68，最小回流比為11.8。

2.3 嚴格法理論板優(yōu)化

最小回流比時所需的理論板數(shù)為無窮多，設備費用無窮大。不考慮換熱設備費用，逐步提高回流比，所需的理論板數(shù)下降，塔自身的設備費用逐步下降，但塔的操作費用上升。需綜合考慮回流比和塔板數(shù)，選取適宜數(shù)值，以保證總體費用最低。

采用RadFrac模塊進行嚴格法計算。在Design Specifications選項中設置2個約束條件：塔頂異丁烷物流中異丁烷的回收率為98%；塔頂異丁烷物流中，丙烯、丙烷、異丁烷的總質(zhì)量含量為99%。Aspen Plus 軟件會自動計算適宜的回流比。

設定塔的進料板為第50塊板。在靈敏度分析工具中設定總理論板數(shù)為操作變量，變化范圍為80～150，回流比為采集變量，研究總理論板數(shù)對回流比的影響趨勢，計算結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，隨著理論板數(shù)增加，回流比下降；理論板數(shù)達到120后，繼續(xù)增加理論板數(shù)，回流比的變化緩慢，因此塔的理論板數(shù)定為120。

圖1 理論板數(shù)與回流比關系圖Fig.1 Relationship between theoretical stage number and reflux ratio

2.4 進料板位置的優(yōu)化

在原料進料狀態(tài)、塔板、分離要求均固定的前提下，調(diào)整進料板的位置，會影響塔的回流比等參數(shù)，改變系統(tǒng)的能耗。原則上，以塔板上的物料組成、溫度壓力條件與進料物流最接近的塔板作為進料板時，回流比最小，能耗最低。由于塔板上的條件無法與進料完全匹配，因此要準確確定最佳進料板，需要借助相應的計算工具。

設定異丁烷塔的總理論板數(shù)為120，在靈敏度分析工具中設定進料板為操作變量，變化范圍為30～100，回流比為采集變量，研究總理論板數(shù)對回流比的影響趨勢，計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，隨著進料板逐漸下移，回流比呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，進料板為第70板時，回流比最低。

圖2 進料板位置與回流比關系圖Fig.2 Relationship between feed stage and reflux ratio

2.5 精餾塔嚴格法計算

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整總理論板數(shù)為120，進料板為第70板，分離要求如前所述。異丁烷塔的計算結(jié)果見表2，異丁烷塔進出料流的組成結(jié)果見表3。

表2 異丁烷塔的計算結(jié)果Table 2 Calculation results of isobutane tow

表3 異丁烷塔物流組成 /質(zhì)量%Table 3 Stream composition of isobutane tow

3 結(jié)論

使用Aspen Plus軟件，對某廠混合碳四的分離方案進行了模擬優(yōu)化。計算結(jié)果表明，在進料組成、分離要求已經(jīng)確定的前提下，適宜的總理論板數(shù)及進料位置可以有效降低塔頂?shù)幕亓鞅龋瑥亩档退的芎?。最終優(yōu)化結(jié)果為：總理論板數(shù)120塊，在第70塊板進料，此時塔頂?shù)幕亓鞅葹?6.8。