乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優(yōu)化研究

摘 "要""為獲得性能更好的丁二烯同時降低能耗，研究一種優(yōu)化控制乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量的方法。分析該工藝中進(jìn)樣量、進(jìn)樣儀器以及延時時間對溶劑含水量的影響，結(jié)果表明，所提溶劑含水量優(yōu)化控制方法能夠降低能耗，提升萃取精餾效率，且控制后含水量較低，使用閃蒸儀進(jìn)樣，當(dāng)進(jìn)樣量為2～3 g、延時時間為8～12 s時，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制效果最好。

關(guān)鍵詞""丁二烯 "溶劑含水量 "乙腈法 "萃取精餾 "控制優(yōu)化" " " DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406023

中圖分類號""TQ221""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼 "B""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

近年來，我國乙烯工業(yè)已經(jīng)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，乙烯裂解過程中會產(chǎn)生較多的C4餾分，充分利用該餾分能夠綜合提升區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時還能優(yōu)化煉化企業(yè)的資源利用率[1]。丁二烯是C4烴中含量最多的成分，在共軛雙鍵的作用下，丁二烯能夠出現(xiàn)聚合反應(yīng)、取代反應(yīng)等作用，基于此，丁二烯廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成方面。已有研究表明，使用丁二烯能夠合成己二胺、樹脂及尼龍等化學(xué)品，同時還能作為汽油的添加劑或普通物質(zhì)的粘合劑[2～4]。丁二烯主要使用萃取精餾工藝獲得，以乙烯裂解后的產(chǎn)物C4為原材料，一般使用兩段萃取精餾法脫除C4中的丁烯和丁烷，使用普通精餾方式去除丙炔、水分等，經(jīng)過兩次精餾后最終獲得丁二烯[5]。

筆者采用乙腈法萃取丁二烯。乙腈法萃取工藝的萃取溶劑為含水乙腈，含水乙腈的使用會受到塔釜溫度和乙腈種類的影響。乙腈中含水量不同會影響組分之間的相對揮發(fā)度，乙腈含水量越高，揮發(fā)度的影響越低。但若為了降低揮發(fā)度的影響而增加含水量，則會降低乙腈濃度，萃取液會出現(xiàn)明顯的分層，導(dǎo)致能耗過高，造成萃取工藝缺乏經(jīng)濟(jì)性，另外含水量較大的乙腈也會導(dǎo)致萃取效果不佳[6～8]。反之，如果乙腈含水量過小，會導(dǎo)致丁二烯在萃取過程中出現(xiàn)自聚現(xiàn)象，縮短裝置的運(yùn)行周期。綜上，控制乙腈法萃取過程的含水量，對于丁二烯最終萃取效果至關(guān)重要。在此，筆者研究一種乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優(yōu)化方法，一方面降低丁二烯萃取精餾能耗，另一方面控制乙腈含水量，從而優(yōu)化丁二烯的萃取精餾質(zhì)量。

1 "含水量控制優(yōu)化方法

1.1nbsp;"乙腈法萃取精餾丁二烯工藝流程

乙腈法萃取精餾丁二烯工藝流程如圖1所示。

首先向C4餾分中添加氫氣。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)熱，向C4餾分中添加循環(huán)萃取劑，完成預(yù)熱后將C4餾分置于萃取精餾塔中，將冷卻后的循環(huán)萃取劑同樣添加到萃取精餾塔中[9]。向汽提塔輸送從塔釜獲取的萃取劑與丁二烯。萃取劑在汽提塔塔釜中循環(huán)使用。從汽提塔輸出粗丁二烯，粗丁二烯經(jīng)管道輸送至水洗塔中。由于粗丁二烯中含有大量的乙腈，為獲得丁二烯，需要使用脫氧水在水洗塔中將乙腈洗除，完成洗滌后的粗丁二烯通過管道輸送至脫水塔中，完成脫水后經(jīng)管道輸送至精餾塔，經(jīng)過充分精餾后，最終獲得完成萃取的丁二烯[10]。

1.2""節(jié)能優(yōu)化措施

1.2.1""水耗優(yōu)化

乙腈法萃取精餾丁二烯時會產(chǎn)生一部分熱水，這些熱水能夠提供萃取所需的熱量。冬季為節(jié)省能源會將多余的熱水排至取暖系統(tǒng)中，冷卻后的水繼續(xù)作為補(bǔ)給水用于萃取精餾[11]。這種循環(huán)使用的方式不僅可以幫助企業(yè)降低采暖費(fèi)用，同時還可以實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。另外，萃取精餾裝置部分機(jī)械泵為屏蔽泵，該泵在未改造時需要在夏季高溫環(huán)境中使用流動水實(shí)現(xiàn)降溫，經(jīng)過筆者所提優(yōu)化方法改造后利用乙腈法萃取精餾產(chǎn)生的冷凝水實(shí)現(xiàn)機(jī)械自體降溫，可使機(jī)械泵的溫度保持在35 ℃±2 ℃，極大地避免了水資源的浪費(fèi)。

1.2.2""電耗優(yōu)化

傳統(tǒng)的萃取精餾工藝使用的是離心泵，而文中乙腈法萃取精餾工藝使用屏蔽泵替換其中一臺離心泵。開車期間，使用離心泵推動整個裝置運(yùn)行，待裝置進(jìn)入正常狀態(tài)后使用屏蔽泵即可完成相應(yīng)工作。屏蔽泵比離心泵電耗更低，每小時可節(jié)約68 kW電能，且實(shí)際運(yùn)行時具有更高的安全性[12]。

萃取精餾工藝使用兩套水循環(huán)場，在水洗塔頂部安裝了一個風(fēng)機(jī)幫助循環(huán)水降溫，經(jīng)過優(yōu)化改造后，使用水輪機(jī)代替風(fēng)機(jī)，該水輪機(jī)利用永動機(jī)原理，能耗比風(fēng)機(jī)更低。而且進(jìn)入冬季后氣溫降低，在確保萃取精餾各裝置平穩(wěn)運(yùn)行的前提下可以適當(dāng)關(guān)閉水輪機(jī)，達(dá)到節(jié)省電耗的目的。

1.2.3""氣耗優(yōu)化

乙腈法萃取精餾需要消耗大量蒸汽，將原換熱器出口控制方式改為入口控制方式，實(shí)現(xiàn)再沸器控制，改造后大幅降低了裝置蒸汽的消耗。

1.3""乙腈法萃取精餾含水量控制優(yōu)化方法

1.3.1""確定溶劑含水量

操作壓力下乙腈等溶劑的沸點(diǎn)（即汽提塔釜溫度）受含水量影響，故萃取精餾丁二烯時的乙腈含水量可以通過塔釜溫度反映出來。按照研究經(jīng)驗，當(dāng)乙腈含水量為8%時，萃取精餾效果最好。由此可以確定一個溶劑含水量，其與塔釜溫度變化之間存在對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)經(jīng)驗當(dāng)塔釜溫度設(shè)定為140 ℃時，有如下關(guān)系式：

其中，代表汽提塔底控制溫度；與分別代表汽提塔底壓力與塔釜溫度和塔釜壓力之間的變化比例。

汽提塔中的參數(shù)隨時可能發(fā)生變化，根據(jù)式（1）的計算結(jié)果，只要確保塔釜壓力、溫度和溶劑8%的含水量，即使未獲得相關(guān)分析數(shù)據(jù)，依舊能夠適當(dāng)調(diào)整塔釜裝置，防止乙腈法萃取精餾時出現(xiàn)溶劑含水量波動過大的情況，實(shí)現(xiàn)溶劑返回量的精確控制。

1.3.2 "溶劑含水量調(diào)整方式

乙腈法萃取精餾丁二烯時，若無法將含水量控制在目標(biāo)之內(nèi)，就需要調(diào)整整個乙腈法萃取精餾裝置的補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)與脫水節(jié)點(diǎn)。相關(guān)節(jié)點(diǎn)情況如下：

a. 調(diào)整萃取塔頂脫水。萃取塔頂?shù)墓ぷ髟硎荂4和水一同反應(yīng)產(chǎn)生共沸物，該共沸物向萃取塔頂端的回流罐流動，該階段C4和水分離，其中水向水包流動，并最終流向溶劑回收系統(tǒng)。循環(huán)溶劑含水量、C4負(fù)荷和回流罐沉降時間均與水包的脫水量有關(guān)，因此僅調(diào)整水包脫水量無法實(shí)現(xiàn)含水量調(diào)整控制[13，14]。

b. 回收乙腈濃度調(diào)整。乙腈含水量控制可以從溶劑回收系統(tǒng)返回量的角度出發(fā)，溶劑回收系統(tǒng)能夠在固定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)乙腈濃度的有效控制。實(shí)際萃取精餾時，通過調(diào)整溶劑回收系統(tǒng)的變化幅度，穩(wěn)定溶劑含水量的變化，避免出現(xiàn)含水量過量的情況。這種調(diào)整僅在系統(tǒng)內(nèi)部操作，不會摻入系統(tǒng)外部的水，方便計算乙腈含水量，同時水量在內(nèi)部也僅呈現(xiàn)出較小的變化趨勢，溶劑回收系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較小，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較小，操作難度較小。

1.3.3""回收乙腈濃度控制

若系統(tǒng)出現(xiàn)較高的溶劑含水量，需要適當(dāng)增加回收乙腈濃度，避免大量水進(jìn)入溶劑系統(tǒng)，使得回收乙腈濃度降低。回收乙腈濃度調(diào)整幅度過大或者過小都會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故為了獲得穩(wěn)定的溶劑含水量，需要快速判斷回收溶劑濃度[15]。在固定操作壓力下，物料成分組成可以通過混合氣體溫度反映。

實(shí)際萃取精餾過程中，受外界多種因素影響回收乙腈濃度會出現(xiàn)不同程度的波動，導(dǎo)致乙腈循環(huán)系統(tǒng)水量失衡，通過汽提塔釜參數(shù)變化能夠確定含水量的變化，基于此可以根據(jù)回收塔的溫度變化控制乙腈濃度，從而使得溶劑含水量保持穩(wěn)定。

1.4""進(jìn)樣對含水量控制的影響

使用乙腈法萃取精餾工藝獲得丁二烯時，即使C4原料的化學(xué)成分相同，但是只要進(jìn)樣量存在差異，就會導(dǎo)致精餾后丁二烯中的水分和溶劑含水量發(fā)生變化。為實(shí)現(xiàn)乙腈含水量的優(yōu)化控制，將閃蒸儀與第一萃取塔相連，實(shí)現(xiàn)原料進(jìn)料，同時采用毛細(xì)管進(jìn)樣方法（老式進(jìn)樣方法）采集含水量數(shù)據(jù)，對比優(yōu)化前后含水量的控制效果。

根據(jù)研究經(jīng)驗，進(jìn)樣量設(shè)為1 g、2～3 g、5 g共3種情況，設(shè)定恒溫、恒壓、可控氣流試驗環(huán)境，各進(jìn)樣量下均使用閃蒸儀進(jìn)樣，研究不同進(jìn)樣量對乙腈法萃取精餾丁二烯溶劑含水量的影響。另外，進(jìn)樣時如果發(fā)生延時，也會影響乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量的變化，為此在相同進(jìn)樣量，恒溫、恒壓環(huán)境下，分析不同延時時間（4～32 s）對溶劑含水量的影響。

2 "結(jié)果分析

2.1""能耗優(yōu)化對比

統(tǒng)計一年12個月內(nèi)乙腈法萃取精餾丁二烯工藝優(yōu)化前后的水耗、電耗和氣耗，對比數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，各項能耗雖然隨著時間的推移呈現(xiàn)上升趨勢，但是經(jīng)過優(yōu)化后乙腈法萃取精餾丁二烯工藝各項能耗顯著低于優(yōu)化前，說明使用優(yōu)化的乙腈法萃取精餾丁二烯工藝能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)丁二烯的萃取精餾，達(dá)到了節(jié)能降耗、節(jié)省工藝成本的目的。

2.2 "乙腈濃度控制及含水量優(yōu)化對比

溶劑回收塔頂溫度與回收乙腈濃度之間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，隨著溶劑回收塔頂溫度的上升，回收乙腈濃度呈現(xiàn)下降趨勢，二者之間保持這種穩(wěn)定的反比例關(guān)系能夠保證溶劑含水量保持穩(wěn)定狀態(tài)。

對比萃取精餾優(yōu)化前后丁二烯含量和溶劑含水量的變化，結(jié)果列于表2。可以看出，優(yōu)化前丁二烯含量變化幅度較大，每日萃取結(jié)果不穩(wěn)定，造成系統(tǒng)頻繁調(diào)整，穩(wěn)定性較差；優(yōu)化后，11天的丁二烯含量采樣結(jié)果基本一致，含量波動不大，說明經(jīng)過控制優(yōu)化后的萃取精餾丁二烯工藝具有顯著優(yōu)勢，極大地提高了控制的穩(wěn)定性。對于溶劑含水量，優(yōu)化前，11天的采樣結(jié)果差異較大，溶劑含水量波動幅度較大，導(dǎo)致萃取精餾丁二烯效率較低；優(yōu)化后，溶劑含水量得到了有效控制，各采樣數(shù)值較為穩(wěn)定，說明使用文中萃取精餾控制優(yōu)化方法能夠解決含水量頻繁波動問題，顯著改善丁二烯萃取精餾效果。

2.3""進(jìn)樣量對含水量的影響

使用閃蒸儀實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣，2～3 g進(jìn)樣量范圍下，優(yōu)化前后含水量變化情況見表3。可以看出，隨著進(jìn)樣量增加，溶劑含水量升高，但是優(yōu)化前使用毛細(xì)管進(jìn)樣方法進(jìn)樣的溶劑含水量變化無規(guī)律，說明進(jìn)樣量遞增，不會約束溶劑含水量產(chǎn)生規(guī)律性變化。優(yōu)化后，在第一萃取塔的位置安裝閃蒸儀進(jìn)樣后，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量普遍較低，且隨著進(jìn)樣量增加呈現(xiàn)出較為規(guī)律的增長趨勢；在2～3 g進(jìn)樣量范圍下，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量增長速度較慢，屬于工藝可接受范圍。

3種進(jìn)樣量范圍下，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量數(shù)值見表4。可以看出，各進(jìn)樣量范圍下，隨著進(jìn)樣量增加溶劑含水量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但1 g、5 g進(jìn)樣量范圍下的溶劑含水量均較高，不符合乙腈法萃取精餾丁二烯工藝的實(shí)際要求。綜上，選擇2～3 g進(jìn)樣量范圍，有利于維持適宜的溶劑含水量。

分析不同進(jìn)樣延時時間下乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量的變化情況，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯訒r時間為8、12 s時，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量在10 mg/kg以下，其余延時時間下，含水量均超過10 mg/kg，較高的含水量不利于實(shí)現(xiàn)丁二烯的萃取精餾，因此實(shí)際使用乙腈法萃取精餾丁二烯時，延時時間宜選擇8 s或12 s。

3 "結(jié)束語

乙腈法萃取精餾丁二烯工藝是目前較為先進(jìn)、較為有效的方法，但該工藝在實(shí)際使用時會出現(xiàn)多種問題，其中溶劑含水量對于萃取精餾效果影響較大。筆者通過優(yōu)化乙腈法萃取精餾丁二烯工藝，提出一種溶劑含水量的優(yōu)化控制方法。通過調(diào)整回收乙腈濃度，控制萃取精餾的溶劑含水量。經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)，使用優(yōu)化后的乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制方法，各項能耗均不同程度的降低，丁二烯含量、溶劑含水量穩(wěn)定性得到了提升，2～3 g進(jìn)樣量范圍能夠保證穩(wěn)定合理的含水量值，當(dāng)延時時間為8 s或12 s時含水量低于10 mg/kg，有利于穩(wěn)定控制溶劑含水量，獲得較好的丁二烯精餾萃取效果，最終達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)省企業(yè)成本的目的。

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（收稿日期：2024-01-19，修回日期：2024-10-30）

作者簡介：徐麗君（1977-），高級工程師，從事泛在化工工程技術(shù)中叔丁醇、甲乙酮、丁二烯方面的應(yīng)用研究。

通訊作者：徐明磊（1989-），工程師，從事化工設(shè)計工作，xunxunfen8g@163.com。

引用本文：徐麗君，徐明磊，杜京芳.乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優(yōu)化研究[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.