馬來酸酐連續(xù)精餾工藝的模擬研究

夏佳佳，李 劍，楊效軍，楊如惠，陳明宇，孔祥林

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

馬來酸酐是一種重要的基本有機化工原料，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。馬來酸酐精餾工藝是其生產(chǎn)過程中的重要單元操作，主要包括間歇減壓精餾工藝及連續(xù)減壓精餾工藝兩種[2]。與間歇精餾工藝相比，連續(xù)精餾工藝具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便、運行平穩(wěn)、產(chǎn)品收率高等優(yōu)點[3]。

化工過程模擬已被用于新裝置設(shè)計、舊裝置改造、新工藝的開發(fā)研究、生產(chǎn)參數(shù)調(diào)優(yōu)、疑難問題診斷、科學研究、工業(yè)生成的科學管理、動態(tài)模擬、實時優(yōu)化等領(lǐng)域[4-6]。目前常用的商業(yè)化的化工過程模擬軟件有 Aspen Plus、Aspen Hysys、PRO/II等，這些軟件的側(cè)重點各不相同[7]。在模擬軟件中Aspen Plus 應(yīng)用領(lǐng)域最廣，可用于化工過程、聚合過程、煉油過程、生物燃料、煤氣化、固體模擬以及相關(guān)過程模擬[8-9]。

本文采用Aspen Plus軟件建立與實際運行裝置相符合的馬來酸酐連續(xù)減壓蒸餾工藝模型，考察壓力、溫度、回流比和塔頂采出量等工藝參數(shù)對輕組分塔T-1901和成品塔T-1902產(chǎn)品純度和裝置能耗的影響，確定最優(yōu)工藝條件，降低裝置能耗，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

1 馬來酸酐連續(xù)精餾工藝流程

MAH精餾裝置工藝流程簡圖如圖1所示。精餾裝置由輕組分塔T-1901和成品塔T-1902構(gòu)成。輕重組分以MAH為界，沸點低于MAH的組分為輕組分，而沸點高于MAH的組分則為重組分。T-1901與T-1902為多段填料塔，T-1901從塔中上部進料，塔頂物流1903與1904中含有輕組分雜質(zhì)。T-1902從塔中下部進料，塔釜物流1917中含有重組分雜質(zhì)，塔中上部側(cè)線采出MAH精餾產(chǎn)品(物流1916)，塔頂物流1914返回T-1901，物流1903送至界外。裝置設(shè)計負荷約16 500 kg/h。

圖1 MAH精餾裝置工藝流程圖T-1901：輕組分塔；T-1902：成品塔；1901：輕組分塔輸入物流；1903：輕組分塔頂輸出氣相物流；1904：輕組分塔頂輸出液相物流；1906：輕組分塔底輸出至成品塔進料物流；1913：成品塔頂輸出氣相物流；1914：成品塔頂輸出至輕組分塔液相物流；1916：成品塔側(cè)線采出物流；1917：成品塔底采出重組份物流

2 模型驗證

2.1 熱力學參數(shù)確定

該體系采用Aspen Plus內(nèi)置NRTL模型參數(shù)來計算各組分的熱力學性質(zhì)，缺少的物性參數(shù)使用UNIFAC基團貢獻法進行估算，具體相互作用參數(shù)見表1。

表1 NRTL和UNIFAC模型的相互作用參數(shù)

2.2 馬來酸酐精餾工藝的模擬結(jié)果與實際結(jié)果對比

MAH精餾工藝模型參數(shù)如表2所示，參考塔的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用Aspen Plus軟件建立與實際運行裝置相符合的馬來酸酐連續(xù)減壓蒸餾工藝模型。塔頂和塔釜溫度、液泛百分率、塔釜熱負荷等模擬計算結(jié)果見表2，工藝流股組成的模擬值與實際值對比見表3和表4。由表2可看出，塔頂、塔釜溫度及塔釜熱負荷與設(shè)計值吻合；模擬的液泛因子較實際值高出約10%，模擬T-1901部分塔段液泛因子達80%，T-1901 設(shè)計余量較小，可以使該塔操作負荷適當降低,減少該塔操作負荷從而避免液泛。由表3和表4的對比數(shù)據(jù)可知，模擬值與裝置實際數(shù)據(jù)相吻合，表明模擬計算結(jié)果真實可靠。

表2 精餾工藝裝置的實際與模擬數(shù)據(jù)

表3 輕組分塔T-1901物料組分對比

表4 成品塔T-1902物料組分對比

3 輕組分塔T-1901工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 塔頂壓力的影響

輕組分塔T1901的塔頂壓力對塔釜產(chǎn)物中主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐含量及裝置能耗的影響如圖2和圖3所示。T-1901為減壓操作，塔頂壓力為15 kPa，壓力下調(diào)空間有限。

圖2 T-1901塔頂壓力對塔釜產(chǎn)物中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖3 T-1901塔頂壓力對裝置能耗的影響

隨著塔頂壓力升高，塔釜產(chǎn)物中丙烯酸濃度降低，同時檸康酸酐的濃度增加，裝置能耗增加。為控制丙烯酸含量小于8 mg/L，檸康酸酐含量小于338 mg/L，綜合能耗變化情況確定T-1901塔頂壓力為15 kPa。

3.2 塔頂回流比的影響

輕組分塔T1901塔頂回流比對塔釜產(chǎn)物中主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐的濃度及裝置能耗的影響如圖4和圖5所示。隨著塔頂回流比的增加，塔釜產(chǎn)物中丙烯酸濃度降低，而檸康酸酐濃度增加，同時裝置能耗增加，且回流比過大會有塔液泛的風險。為保證丙烯酸含量小于8 mg/L，檸康酸酐含量小于338 mg/L，并同時綜合考慮經(jīng)濟性與能耗，最終選擇T-1901回流比為0.8，同時裝置能耗變化率降低1.4%。

圖4 T-1901回流比對T1902進料中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖5 T-1901回流比對裝置能耗變化的影響

3.3 塔頂采出量的影響

圖6和圖7是輕組分塔塔頂采出量對主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響的模擬結(jié)果。

圖6 T-1901塔頂采出量對T-1902進料中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖7 T-1901塔頂采出量對裝置能耗變化的影響

由圖6和圖7可知，降低T-1901塔頂采出量，能有效降低成品中檸康酸酐濃度，同時精餾裝置能耗進一步降低。為保證塔頂采出丙烯酸含量小于40 mg/L，檸康酸酐含量小于335 mg/L，因此選擇塔頂采出量為630 kg/h，同時裝置能耗變化率降低1.8%。

4 成品塔T-1902工藝參數(shù)的優(yōu)化

4.1 塔頂壓力的影響

圖8和圖9主要通過ASPEN模型模擬計算了成品塔塔頂壓力對主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響。

圖8 T-1902塔頂壓力對產(chǎn)品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖9 T-1902塔頂壓力對產(chǎn)品中裝置能量消耗的影響

圖8和9可知，T-1902為減壓操作，塔頂壓力為15 kPa，壓力下調(diào)空間有限。增加塔頂壓力基本不影響丙烯酸的濃度，還會增加精餾裝置能耗。產(chǎn)品中丙烯酸含量應(yīng)控制在20 mg/L以下，檸康酸酐含量應(yīng)控制在320 mg/L以下。考慮到能耗與控制指標，T-1902塔頂壓力選擇15 kPa。

4.2 塔頂回流比的影響

圖10和圖11主要模擬計算了成品塔塔頂回流比對主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐含量以及對裝置能耗變化率的影響。根據(jù)圖10和圖11可知，增加塔頂回流比可以降低成品中丙烯酸濃度，當回流比≥25時，丙烯酸濃度變化不明顯，同時裝置能耗明顯上升。因此，在T-1902塔體加熱負荷允許條件下，選擇塔頂回流比為25，同時裝置能耗變化率降低6.28%。

圖10 T-1902回流比對產(chǎn)品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖11 T-1902回流比對裝置能耗的影響

4.3 成品塔頂至輕組分塔循環(huán)量的影響

圖12和圖13模擬計算了成品塔塔頂至輕組分塔循環(huán)量對主要雜質(zhì)丙烯酸和檸康酸酐濃度以及對裝置能耗變化率的影響。由圖12和圖13可知，增加T-1902塔頂循環(huán)量可以小幅降低成品中檸康酸酐濃度。由于循環(huán)量增加幅度有限，同時會大幅增加裝置能耗，因此，塔頂循環(huán)量不宜增加，控制在1 200 kg/h比較合適，同時裝置能耗變化率可降低18.39%。

圖12 T-1902塔頂循環(huán)量對產(chǎn)品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

圖13 T1902塔頂循環(huán)量對產(chǎn)品中丙烯酸和檸康酸酐的影響

5 進料組成變化對成品質(zhì)量的影響

工藝模擬計算表明，在裝置進料組分含量波動情況下，MAH成品中醋酸、正丁醇、馬來酸濃度遠低于1 mg/L。模擬計算了裝置進料中丙烯酸濃度變化對輕組分塔T-1901和T-1902出料組分中丙烯酸濃度變化情況。圖14為進料中丙烯酸濃度對產(chǎn)品中丙烯酸的影響。

由圖14可知，輕組分丙烯酸的分離主要由T-1901承擔。進料組分丙烯酸濃度在300～1 000 mg/L范圍變動。經(jīng)過T1901塔可分離至10 mg/L以下，而經(jīng)過T1902塔后MAH成品中的丙烯酸濃度≤1 mg/L。

圖14 進料中丙烯酸濃度對產(chǎn)品中丙烯酸的影響

圖15表明了模擬計算裝置進料中檸康酸酐濃度變化對輕組分塔T-1901和T-1902出料組分中檸康酸酐濃度變化情況。由圖15可知，MAH成品中的檸康酸酐濃度≤350 mg/L。但由于本精餾裝置操作壓力下檸康酸酐與馬來酸酐沸點相差僅9 ℃，難以分離出檸康酸酐。隨著進料檸康酸酐濃度增加，MAH成品中的檸康酸酐也隨之上升。因此有必要控制進料中的檸康酸酐濃度。

圖15 進料中檸康酸酐濃度對產(chǎn)品中檸康酸酐的影響

6 優(yōu)化前后產(chǎn)品質(zhì)量對比

圖16為優(yōu)化前后丙烯酸、檸康酸酐含量對比。

(a) 丙烯酸

(b) 檸康酸酐圖16 優(yōu)化前后產(chǎn)品中丙烯酸、檸康酸酐含量對比

如圖16所示，優(yōu)化工藝參數(shù)后馬來酸酐產(chǎn)品中丙烯酸平均含量由0.53 mg/L降至0.42 mg/L，檸康酸酐平均含量由291.57 mg/L降至265.29 mg/L，優(yōu)化效果明顯。

7 結(jié) 論

本章采用ASPEN PLUS模擬軟件建立的馬來酸酐工藝模型對進料組分變化，塔的壓力、回流量以及采出量等參數(shù)的變化進行研究，得出了以下結(jié)論：

a) 綜合產(chǎn)物中丙烯酸和檸康酸酐的濃度及能耗，確定T-1901塔頂壓力為15 kPa、回流比為0.9、塔頂采出量為630 kg/h；T-1902塔頂壓力為15 kPa、回流比為25、塔頂循環(huán)量為1 200 kg/h，裝置能耗變化率共降低27.87%。

b) 輕組分丙烯酸的分離主要由T-1901承擔。進料組分丙烯酸濃度在300～1 000 mg/L范圍變動。經(jīng)過T1901塔可分離至10 mg/L以下，而經(jīng)過T1902塔后MAH成品中的丙烯酸濃度≤1 mg/L；但是隨著進料檸康酸酐濃度增加，MAH成品中的檸康酸酐也隨之上升，因此有必要控制進料中的檸康酸酐濃度。