隔板精餾塔分離丙酮-甲基異丙基酮-水的模擬及工藝優(yōu)化

王明媚，李 琳，張耀昌，王二強*

（1.中國科學院大學化學工程學院，北京 101400；2.中石化煉化工程集團洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽 471003）

甲基異丙基酮（MIPK）是一種重要的精細化工原料和高檔溶劑，其精餾工序是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品收率和生產(chǎn)成本有重要影響[1-2]。國內(nèi)主要采用異丁酸-乙酸制備MIPK，其合成液主要成分有丙酮、水、MIPK、二異丙基酮（DIPK）及異丁酸，由于多種共沸物的存在，因而國內(nèi)分離MIPK的傳統(tǒng)技術(shù)受到精餾工序復雜、產(chǎn)品收率等多方面的限制。崔艷萍等利用剩余曲線圖對丙酮-甲基異丙基酮-水三元混合物進行分析，提出在塔的中段添加液-液分相器，在1 個塔中實現(xiàn)丙酮、MIPK、水的分離，但該流程仍然需要2 個塔串聯(lián)操作[3]。

隔板精餾（DWC）作為一種過程強化技術(shù)，利用熱耦合原理，對傳統(tǒng)的多塔序列進行熱集成，具有節(jié)能、節(jié)地和節(jié)省投資等優(yōu)勢[4-5]。該技術(shù)可以進一步與反應、萃取和共沸過程進行集成[6-8]。但是應用于共沸精餾，大多是塔頂形成非均相共沸物，在塔頂進行液-液分相。液-液分相作為一種熱力學驅(qū)動的過程，被其自身的熱力學原理所限制，而隔板精餾工藝具有獨特的塔內(nèi)溫度和含量分布，液液分相在隔板精餾塔內(nèi)出現(xiàn)的位置則需要進行系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)低能耗和高收率的雙目標。國外生產(chǎn)MIPK的廠家有美國伊士曼公司，采用的是甲基乙基酮法；德國康德阿維斯塔公司，采用的異丁酸法；日本可樂麗公司，采用甲基乙基酮肟法，在其后續(xù)的分離中中尚未出現(xiàn)使用隔板塔結(jié)合非均相共沸精餾分離提純MIPK的工藝方法[1]。

綜上所述，本研究將隔板精餾技術(shù)應用于MIPK非均相共沸物的分離，根據(jù)該體系特征，搭建合理隔板塔構(gòu)型，通過將液-液分相器添加到隔板塔的預分餾段，在1 個塔中實現(xiàn)丙酮、MIPK、水以及DIPK的分離精制，并且通過過程模擬手段來驗證新工藝的可行性。

1 進料狀況及分離要求

甲基異丙基酮生產(chǎn)中酮化液的主要成分有丙酮、水、甲基異丙基酮、二異丙基酮（DIPK）及異丁酸，分離要求是：質(zhì)量分數(shù)為99.5%的丙酮作為原料回到反應系統(tǒng)，質(zhì)量分數(shù)為99.0%的甲基異丙基酮作為產(chǎn)品[2]。表1 為模擬工藝流程中的進料參數(shù)及產(chǎn)品含量要求，雙塔及隔板塔的模擬中均使用此進料參數(shù)。

表1 進料參數(shù)及分離要求Tab 1 Feeding parameters and separation requirements

2 雙塔及隔板塔的非均相共沸精餾模擬

2.1 雙塔非均相共沸精餾

使用Aspen plus中的Radfrac模塊構(gòu)建如圖1所示的工藝流程，在丙酮/脫水塔（T1）進料板附近采出非均相共沸物進入液-液傾析器進行分相，水相采出，油相全部回流，模擬計算結(jié)果見表2。

圖1 雙塔非均相共沸精餾工藝流程Fig 1 Two-column process of heterogeneous azeotropic distillation process

表2 雙塔模擬結(jié)果Tab 2 Simulation results of two-column process

由表2 可知，丙酮及MIPK 產(chǎn)品符合分離要求，經(jīng)計算MIPK 產(chǎn)品的收率可達98.9%。此結(jié)果與崔艷萍等的研究結(jié)果基本一致[3]。

2.2 隔板非均相共沸精餾

圖2 是帶有液-液分相器的隔板精餾塔。為了方便計算，在模擬隔板精餾工藝流程時可以使用4塔模型代替。使用Aspen plus 中的Radfrac 模塊構(gòu)建如圖3 所示的DWC 等效4 塔模型。非均相共沸精餾區(qū)在預分離塔段中間部分，在進料板附近位置采出非均相共沸物進入液-液傾析器分相，水相采出，油相全部回流，丙酮在公共精餾段塔頂采出，DIPK 在公共提餾段塔底采出，MIPK 產(chǎn)品在主分離塔段側(cè)線采出，模擬結(jié)果見表3。

表3 隔板塔模擬結(jié)果Tab 3 Simulation results of DWC

圖2 帶有液-液分相器的隔板精餾塔流程Fig 2 The process of separator distillation column with liquid-liquid separator

圖3 隔板塔非均相共沸精餾4塔模型流程Fig 3 Four baffled columns model flow of heterogeneous azeotropic distillation

從隔板塔非均相共沸精餾的模擬結(jié)果來看，產(chǎn)品符合分離要求，各流股結(jié)果與雙塔非均相共沸分離的結(jié)果基本一致，且經(jīng)計算MIPK產(chǎn)品的收率同樣可達98.9%。從產(chǎn)品的分離純度及收率來看，隔板非均相共沸精餾精制MIPK從理論上具有一定的可行性。

3 構(gòu)型及操作參數(shù)的優(yōu)化

以N(R+1)為優(yōu)化目標（N為塔板數(shù)，R為以質(zhì)量計的回流比），簡化表示年度操作費用TAC，在優(yōu)化過程中考慮塔的構(gòu)型（塔板數(shù)、進料采出塔板位置）以及操作參數(shù)回流比等對目標函數(shù)的影響，使用Aspen plus中的設(shè)計規(guī)定，以產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)為約束，使用靈敏度分析，對塔的構(gòu)型及操作參數(shù)等進行合適的調(diào)整以得到最小的年度操作費用。

3.1 雙塔工藝流程優(yōu)化

使用靈敏度分析，改變塔板數(shù)，得到不同塔板數(shù)下對應的回流比，在改變塔板的同時不斷的調(diào)整進料板及非均相共沸物側(cè)線采出位置，以獲得不同塔板數(shù)下對應的最小回流比。對塔T1、塔T2 依次進行靈敏度分析，然后作N(R+1)隨塔板數(shù)N變化的曲線，圖4和圖5分別為T1塔、T2塔的分析結(jié)果，表4為雙塔非均相共沸精餾工藝優(yōu)化后的塔構(gòu)型參數(shù)及回流比結(jié)果。

圖4 雙塔工藝中T1塔板數(shù)對TAC的影響Fig 4 Influence of trays number of T1 on the TAC in two-column process

圖5 雙塔工藝中T2塔板數(shù)對TAC的影響Fig 5 Influence of trays number of T2 on the TAC in two-column process

表4 雙塔優(yōu)化結(jié)果Tab 4 Optimization results of two-column

3.2 隔板塔4塔模型工藝流程優(yōu)化

3.2.1 塔構(gòu)型及回流比

非均相共沸精餾四塔模型的塔構(gòu)型及回流比的優(yōu)化方式與雙塔相同，依次對T1塔、T2塔、T3塔和T4 塔進行回流比隨塔板數(shù)變化的靈敏度分析，同時在改變塔板數(shù)的同時不斷調(diào)整進料板位置和非均相共沸物側(cè)線采出位置，以獲得不同塔板數(shù)下對應的最小回流比，進而作N(R+1)隨塔板數(shù)N變化的曲線，結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 隔板塔4塔模型T1、T3和T4塔板數(shù)對TAC的影響Fig 6.Influence of trays number of T1,T3 and T4 on the TAC in four-column process

圖7 隔板塔4塔模型T2塔板數(shù)對TAC的影響Fig 7 Influence of trays number of T2 on the TAC in four-column process

3.2.2 非均相共沸精餾隔板塔分氣比分液比

隔板精餾工藝相較于傳統(tǒng)雙塔串聯(lián)工藝，其內(nèi)部存在自身特有的參數(shù)變化規(guī)律。隔板塔最大的特點在于其能夠克服物料分離存在的返混效應，而隔板塔區(qū)別于傳統(tǒng)分離工藝最重要的特點就在于分割比的存在，許多相關(guān)的研究報告都提到了液相分配比和氣相分配比對隔板塔優(yōu)化模擬的重要性，以及兩者的同向變化特性。使用靈敏度分析，固定一組分液比，在每個固定的分液比下給定分氣比一定的變化范圍，觀察回流比的變化，結(jié)果如圖8所示，可以明顯地觀察到隔板塔中分氣比與分液比同向變化的特性。

圖8中每條曲線的最低點對應著不同的分液比與分液比的優(yōu)化組合，將這些點重新作圖如圖9，即可以找到此構(gòu)型下隔板塔的優(yōu)化分液比為0.570，分氣比為0.576，此時隔板塔的回流比為19.27。表5為優(yōu)化后隔板塔的塔構(gòu)型及操作參數(shù)。

圖8 固定分液比下分氣比對回流比的影響Fig 8 Influence of vapor split ratio on reflux ratio at fixed liquid separation ratio

圖9 分液比和分氣比對回流比的影響Fig 9 Influence of vapor split ratio and liquid split ratio on reflux ratio

表5 隔板塔優(yōu)化結(jié)果Tab 5 Optimization results of DWC

4 能耗對比

基于各自的構(gòu)型及能耗，將優(yōu)化后的雙塔與隔板塔進行對比。首先，從表4 和表5 可以看出，即便隔板塔將雙塔合并為1個塔，塔板數(shù)仍要少于雙塔流程中的總塔板數(shù)。表6列出了雙塔及隔板塔塔頂、塔釜的總能耗，從塔釜能耗來看，與傳統(tǒng)雙塔工藝相比，隔板塔節(jié)能效率可達31.79%。因此，無論是從產(chǎn)品的純度和收率，還是從塔的構(gòu)型和能耗來看，將隔板塔應用于非均相共沸精餾的分離都表現(xiàn)了較高的優(yōu)越性。

表6 隔板塔與雙塔能耗對比Tab 6 Comparison of energy consumption between DWC and two-column process

5 結(jié) 論

1）與傳統(tǒng)工藝相比，將隔板塔應用于非均相共沸精餾分離精制MIPK產(chǎn)品，在滿足分離要求的基礎(chǔ)之上可以縮短工藝流程，減少設(shè)備投資和占地面積，降低能耗30%左右。

2）隔板精餾技術(shù)作為一種高效熱耦合分離技術(shù)，是化工過程強化的代表性技術(shù)之一，但是目前大多數(shù)應用于傳統(tǒng)理想的3組分分離流程，鑒于非均相共沸物分離在化工流程中的普遍性，將隔板塔應用于非均相共沸精餾中具有一定的研究開發(fā)價值。

3）非均相共沸物的液液分相過程，是熱力學驅(qū)動的自發(fā)過程，滿足其熱力學條件就會出現(xiàn)；但與隔板精餾技術(shù)相結(jié)合，需要考慮隔板精餾本身的溫度和含量分布特性，優(yōu)化塔內(nèi)液液分相位置，得到低能耗和高收率的目標。