理論與實踐：采用精密精餾從碳五餾分中分離1-戊烯的流程模擬
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
石油蒸汽裂解乙烯裝置副產(chǎn)大量的C5餾分，其中含有約50%的二烯烴，25%的單烯烴。目前國內(nèi)部分乙烯廠已通過建設(shè)碳五分離裝置生產(chǎn)異戊二烯／環(huán)戊二烯等二烯烴產(chǎn)品。碳五分離裝置副產(chǎn)物抽余碳五由于組分沸點相近，分離難度大，則多調(diào)和汽油出廠。抽余碳五富含異戊烯、正戊烷、1-戊烯、異戊烷等，已有生產(chǎn)企業(yè)采用加氫／醚化／溶劑萃取等手段獲得相應(yīng)的目標產(chǎn)品，本文中試圖通過精密精餾手段，采用Aspen模擬軟件，對其中的1-戊烯進行分離，獲得質(zhì)量分數(shù)在95%左右的1-戊烯產(chǎn)品。
1原料來源
1.1設(shè)計規(guī)模
按100萬t產(chǎn)能的乙烯裝置，副產(chǎn)10萬t裂解碳五，經(jīng)碳五分離裝置后，副產(chǎn)2.5萬t抽余碳五，剔除其中C4輕組分后，按2萬t/a原料處理規(guī)�？紤]。
1.2抽余碳五組分
按文獻[2]提供的抽余碳五組分并剔除2-甲基-丁烯-1（通過其他方法分離）后作為設(shè)計輸入，列表1。
抽余碳五各組分常壓下沸點列表2。
由表2可知，1-戊烯沸點介于異戊烷及正戊烷之間，要獲得1-戊烯產(chǎn)品，需分別脫除輕組分異戊烷以及重組分正戊烷及以上組分。流程設(shè)置需分別考慮脫輕塔及脫重塔設(shè)計。
2熱力學(xué)模型選擇
擬分離的碳五組分以碳五烷烴／單烯烴為主，均為非極性組分，操作壓力接近常壓，孫春水對碳五分離裝置流程模擬與裝置實測值對比得出結(jié)論，對于碳五分離裝置烴類體系，選用wilson方程為熱力學(xué)模型進行精餾計算是可行的。故本文中模擬的物性方法選用wilson方程。
3 采用DSTWU簡捷算法確定分離流程
3.1分離目標的設(shè)定
產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)：∞（1-戊烯）≥95%。
產(chǎn)品收率：初步考慮1-戊烯產(chǎn)品收率80%。
3.2脫重與脫輕序列比選
為取得1一戊烯產(chǎn)品，考慮兩塔流程，分別分離抽余碳五中的重組分及輕組分，其中異戊烷作為脫輕組分塔的輕關(guān)鍵組分，與1-戊烯沸點僅相差2.3℃，正戊烷作為脫重組分塔的重關(guān)鍵組分，與1-戊烯沸點相差6℃。工藝流程的設(shè)定存在以下2種組合（圖1、圖2）。
根據(jù)表1進料組成可知，原料中重組分（沸點高于1-戊烯的組分，其他C5按重組分計）質(zhì)量分數(shù)高達85. 35%，輕組分質(zhì)量分數(shù)僅為3.19%（異戊烷）�？紤]到重組分與1-戊烯的沸點相差大，相對輕組分更易于分離，因此，分離的組合應(yīng)考慮含量大、易分離的組分優(yōu)先分離，即優(yōu)選脫重一脫輕組合。
在獲得相同的1-戊烯產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)及收率(80%)的前提下，采用DSTWU簡捷算法對2個組合進行初步模擬，結(jié)論見表3。
從表3可知，在獲得同樣質(zhì)量分數(shù)及收率的1-戊烯產(chǎn)品時，組合1再沸器總負荷1 518 kW；組合2再沸器總負荷2 024 kW，運行能耗為組合1的1.33倍；組合1總投資系數(shù)，[利用下文式(1)計算]為357.5，組合2總投資系數(shù)，為883，組合2總投資系數(shù)為組合1的2. 47倍。
無論從塔徑、塔高指標體現(xiàn)的裝置投資，還是從再沸器負荷所體現(xiàn)的運行成本看，組合1優(yōu)于組合2，即優(yōu)選脫重一脫輕組合。
3.3操作壓力選擇
提高塔操作壓力，降低了1-戊烯與異戊烷、1-戊烯與正戊烷之間的相對揮發(fā)度，不利于分離操作，需要通過加大回流比提高熱負荷來實現(xiàn)分離效果。因此脫輕塔、脫重塔應(yīng)按低壓操作。
但同時，脫重塔、脫輕塔擬采用循環(huán)冷卻水作為塔頂冷凝冷卻器的冷卻介質(zhì)，采用0.3 MPa蒸汽作為塔底再沸器的加熱介質(zhì)。受傳熱梯度的控制，塔壓的設(shè)計需滿足冷媒及熱媒換熱的溫差要求。
表4列出采用DSTWU模型計算的各操作壓力下對應(yīng)的塔頂、塔底溫度。全塔壓降按20 kPa考慮。
從表4可知，考慮傳熱溫差，在采用循環(huán)冷卻水為冷媒時，脫重塔操作壓力應(yīng)控制在0.05 MPa以上，脫輕塔操作壓力應(yīng)控制在0. 07 MPa以上。
3.4各塔收率的分配
考察在總收率80%，產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)在95%的前提下，調(diào)節(jié)脫重塔收率82%~96%時（對應(yīng)脫輕塔收率97. 6%~83. 30/0），脫重塔與脫輕塔的總能耗變化以及理論板的變化。優(yōu)選的收率分配應(yīng)為總能耗最低與總投資（對應(yīng)）最省之間的博弈。
總能耗可考察各工況下二塔的再沸器負荷之和。
總投資。c（脫重塔理論板數(shù)×脫重塔塔徑+脫輕塔理論板數(shù)×脫輕塔塔徑）。為此，需測算脫重塔塔徑與脫輕塔塔徑之比a，并設(shè)定脫輕塔塔徑為1，得出總投資系數(shù)：
總投資系數(shù)I=脫重塔理論板數(shù)N×a+脫輕塔理論板數(shù)Ⅳf (1)
由于塔徑d oc（氣相體積流率／空塔氣速Up）V2，因此，脫重塔與脫輕塔的塔徑之比可用式(1)估算。
在兩塔采用同一規(guī)整填料的前提下，空塔氣速可用式(2)~式(5)計算。
式中，
為最大負荷因子；砟為流動參數(shù)；阢為泛點氣速m/s；U，為實際塔空速，m/s；Af為發(fā)泡系數(shù)。
考慮到碳五體系為弱發(fā)泡體系，Af均可按0.75取，填料校正系數(shù)Cf按0.7選取(Mellapak 500Y)。
根據(jù)文獻[5]對該公式的描述以及Aspen水力學(xué)計算結(jié)果驗證，認為式(4)有誤，應(yīng)修正為：
經(jīng)計算可得a=1. 38。
圖3為總投資系數(shù)與總能耗曲線。
從圖3可看出，最佳的能耗與投資系數(shù)在能耗1 520—1 580 kW，對應(yīng)的脫重塔1一戊烯收率分布在0. 82~0.86，脫輕塔1-戊烯收率分布在0.988~0. 942。而隨著脫重塔1-戊烯收率提高，運行能耗及投資系數(shù)均呈上升趨勢，投資與運行成本存在不經(jīng)濟性。
設(shè)計選取曲線頂點，即脫重塔1-戊烯收率0. 86，脫輕塔1-戊烯收率0.942作為嚴格精餾的設(shè)計輸入。
4嚴格精餾計算及靈敏度分析
4.1基礎(chǔ)工況
利用RADFRAC精餾模型，對DSTWU計算得出的結(jié)論進行模擬，結(jié)果列于表5。
4.2回流比與塔板數(shù)
分別在滿足脫重塔及脫輕塔1-戊烯收率的前提下，通過調(diào)整脫重塔及脫輕塔的理論板數(shù)，得到不同的回流比，見圖4、圖5。
圖4曲線斜率隨著回流比減小逐漸增大，脫重塔最佳理論板應(yīng)在140~150。圖5曲線斜率變化較小，其中理論板125~135斜率較小，為較佳的理論板選擇范圍。
4.3進料位置
選取脫重塔理論板145，脫輕塔理論板130，分別調(diào)節(jié)脫重塔及脫輕塔進料板，得到進料板一回流比曲線，回流比最小點即為最佳進料板位置。
根據(jù)圖6、圖7可知，脫重塔最佳進料板為第97塊理論板，脫輕塔最佳進料板為第59塊理論板。
4.4模擬結(jié)果
經(jīng)優(yōu)化后，得出脫重塔一脫輕塔最終模擬數(shù)據(jù)，列于表6。
5建議的塔內(nèi)件型式及水力學(xué)計算
脫重塔及脫輕塔理論板數(shù)多，且處于低壓操作，按表7計算，脫重塔F。=0. 108，脫輕塔F。=0.088，處于低壓或低液量操作，氣相為連續(xù)相，在該狀態(tài)下，規(guī)整填料的處理能力與塔板及散堆填料相同，但分離效率要高出塔板及散堆填料約50%。同時浮閥塔等板式塔的板間距為500~ 600 mm，約為規(guī)整填料等板高度的2倍，選用填料塔有利于降低塔高，節(jié)省投資。
本文中選用金屬孔板波紋填料Mellapak 500Y，填料等板高度0. 25 m。
分別利用Aspen Pack Sizing模塊以及經(jīng)修正后的式(2)~式(6)計算脫重塔及脫輕塔，其中采用Aspen計算塔徑略大于公式計算結(jié)果，取大值并圓整得選取塔徑值，結(jié)果列于表8。
6 1-戊烯收率的經(jīng)濟性驗證
在固定各塔理論板數(shù)、脫重塔回流比及1-戊烯產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)的前提下，通過調(diào)節(jié)脫重塔、脫輕塔的采出量，獲得不同的1一戊烯收率以及對應(yīng)各塔的再沸器能耗。圖8為系統(tǒng)總能耗（以脫重塔與脫輕塔再沸器負荷之和為指征）與1一戊烯產(chǎn)品總收率的關(guān)系曲線。
由圖8可看出，曲線在總收率80%以上時斜率減小，即隨著總能耗的增加，收率提高趨緩。因此，從裝置運行的成本經(jīng)濟性考慮，建議的1-戊烯收率應(yīng)控制在50%~80%為佳。基礎(chǔ)工況所選取的80%的i-戊烯總收率是可行的。
7結(jié)論
(1)根據(jù)DSTWU模擬結(jié)果，流程設(shè)計選取脫重-脫輕組合從裝置投資及能耗角度均為最優(yōu)組合。
(2)脫重塔、脫輕塔操作壓力分別選擇0.05、0. 07 MPa。
(3)采用工況分析，從優(yōu)化投資及運行能耗的角度對各塔的1-戊烯收率進行合理分配。根據(jù)分析結(jié)果，脫重塔最佳1-戊烯收率為86%，脫輕塔最佳1-戊烯收率為94. 2%。
(4)利用嚴格精餾模型，優(yōu)化各塔參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，脫重塔理論板數(shù)145塊，回流比23.0，進料板第97塊；脫輕塔理論板數(shù)130塊，回流比73.1．進料板第59塊。
(5)根據(jù)各塔流動參數(shù)及碳五分離的特點，脫重塔、脫輕塔塔內(nèi)件優(yōu)選規(guī)整填料。
(6)根據(jù)水力學(xué)計算結(jié)果并圓整塔徑，脫重塔塔徑1.4 m，脫輕塔塔徑1.2 m。
(7)根據(jù)工況分析結(jié)果，從能耗與投資角度1-戊烯產(chǎn)品收率80 010是合理的。
8摘要：
利用Aspen模擬軟件，為獲得1一戊烯產(chǎn)品對輕組分及重組分分離進行優(yōu)化設(shè)計，形成建議的1一戊烯生產(chǎn)工藝路線。得到最佳的分離組合為脫重一脫輕組合，其中脫重塔理論板數(shù)145塊，回流比23．O；脫輕塔理論板數(shù)130塊，回流比73.1;1-戊烯產(chǎn)品收率80%是合理的。
