鄧麗雪,王 艷,史勇春
(1.山東科院天力節(jié)能工程有限公司,山東濟(jì)南2501011;2.山東天力能源股份有限公司,山東濟(jì)南250101)
N,N-二乙基甲酰胺(DEF)是一種優(yōu)良的有機(jī)溶劑,由于其毒性遠(yuǎn)低于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)常用來替代DMF作為一種安全環(huán)保溶劑使用。在工業(yè)上主要用于替代DMF和THF作為鞋材處理劑、替代DMF和DMAC作為L(zhǎng)ED光刻膠和電路板的清洗,也可用于鋰電池漿料、聚氨酯合成、電子、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等多種行業(yè)[1]。近年來隨著人們對(duì)綠色環(huán)保、安全健康的要求越來越高,DEF更是作為一種安全環(huán)保有機(jī)溶劑越來越受到人們的重視。
目前國內(nèi)生產(chǎn)DEF的廠家偏少,而且工藝技術(shù)也不成熟[2-3]。某公司以二乙胺和一氧化碳為原料,在催化劑作用下合成DEF,并通過DEF精餾工序得到產(chǎn)品DEF。但該生產(chǎn)工藝中存在能耗大、精餾塔回流比大、回流量難以控制等問題。一般精餾單元中的能耗是化工行業(yè)中主要耗能單元[4],經(jīng)分析該公司生產(chǎn)工藝的主要問題存在于DEF精餾系統(tǒng)。本文利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6[5-9],以DEF精餾系統(tǒng)為主要研究對(duì)象,確定最佳工藝操作條件和優(yōu)化方案,有效降低裝置能耗,為實(shí)際生產(chǎn)操作提供理論指導(dǎo)。
DEF精餾系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。由合成工序來的DEF、二乙胺、乙醇等氣相混合物料(Feed) 進(jìn)入第一精餾塔(T1),T1塔主要用于分離出進(jìn)料中的輕組分,分離出的塔頂輕組分二乙胺(D1) 送入二乙胺罐,塔釜DEF(B1) 進(jìn)入第二精餾塔(T2)。第二精餾塔(T2) 主要用于分離出DEF中的重組份,塔頂采出DEF產(chǎn)品(D2) 進(jìn)入第三精餾塔(T3),塔釜重組分(B2)送入重組分罐。第三精餾塔(T3)主要用于去除DEF中含有的少量氣體,塔頂不凝氣體(D3)進(jìn)入放空總管,塔釜采出DEF產(chǎn)品(B3) 送入DEF罐區(qū)。第三精餾塔(T3)為汽提塔,利用氮?dú)猓∟2)進(jìn)行汽提,不消耗蒸汽。本文主要以第一精餾塔(T1) 和第二精餾塔(T2) 為研究對(duì)象,利用Aspen Plus V8.6進(jìn)行模擬研究,確定最佳工藝條件,為實(shí)際生產(chǎn)提供理論數(shù)據(jù)。
圖1 DEF精餾系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of DEF distillation system
1.2.1 進(jìn)料條件
第一精餾塔(T1) 進(jìn)料量為2280kg/h,進(jìn)料溫度為185℃,氣相進(jìn)料,進(jìn)料組成詳見表1。
表1 進(jìn)料組成Table 1 Components of feed
1.2.2 DEF產(chǎn)品主要質(zhì)量要求
DEF產(chǎn)品主要質(zhì)量要求詳見表2。
表2 DEF產(chǎn)品主要質(zhì)量要求Table 2 Main technical indexes of DEF
1.2.3 DEF精餾系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)參數(shù)
DEF精餾系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表3。
表3 DEF精餾系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 The initial design parameters of DEF distillation system
理論板數(shù)是影響精餾效果的關(guān)鍵因素之一,一般理論板數(shù)越多分離效果越好,但是理論板數(shù)過多又導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用增加。因此選擇合理的理論板數(shù)至關(guān)重要??疾炖碚摪鍞?shù)對(duì)T1塔和T2塔精餾分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖2、3所示。
圖2 理論板數(shù)對(duì)T1塔分離結(jié)果的影響Fig.2 The influence of theoretical stages on T1
圖3 理論板數(shù)對(duì)T2塔分離結(jié)果的影響Fig.3 The influence of theoretical stages on T2
由圖2可知,T1塔釜DEF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著理論板數(shù)的增加而增大,塔釜二乙胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著理論板數(shù)的增加而減小。當(dāng)理論板數(shù)增加到26塊時(shí),塔板數(shù)的增加對(duì)分離結(jié)果的影響不再明顯。綜合考慮分離要求、能耗和設(shè)備投資,確定T1塔最佳理論板數(shù)為26塊。同理,由圖3可知T2塔最佳理論板數(shù)為35塊。
理論上不同的進(jìn)料位置對(duì)精餾塔的分離和能耗都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,因此存在最佳進(jìn)料位置。在保持T1塔和T2塔理論板數(shù)分別為26塊、35塊時(shí),考察進(jìn)料位置對(duì)T1塔和T2塔精餾分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 進(jìn)料位置對(duì)T1塔分離結(jié)果的影響Fig.4 The influence of feed stage on T1
圖5 進(jìn)料位置對(duì)T2塔分離結(jié)果的影響Fig.5 The influence of feed stage on T2
由圖中4可知,隨著進(jìn)料位置的增大,T1塔釜DEF質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始變化極小,當(dāng)進(jìn)料位置大于22塊塔板時(shí),DEF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急速下降;塔釜二乙胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始變化極小,當(dāng)進(jìn)料位置大于22塊塔板時(shí),二乙胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急速增加。當(dāng)進(jìn)料位置由塔頂向塔釜移動(dòng)的過程中,由于提餾段塔板數(shù)減少,使得塔釜產(chǎn)品中二乙胺含量增大,DEF含量減小。綜合分析最佳進(jìn)料位置為第10塊板。同理,由圖5可知T2塔最佳進(jìn)料位置為13塊板。
回流比是影響精餾塔分離效果的重要因素,在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常用增大回流比來提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是回流比增大,會(huì)導(dǎo)致再沸器和冷凝器負(fù)荷增大,裝置能耗增加。所以選擇合適的回流比對(duì)精餾操作非常重要。在保持T1塔和T2塔理論板數(shù)分別為26塊、35塊,T1塔和T2塔進(jìn)料位置在10塊塔板、13塊塔板時(shí),考察回流比對(duì)T1塔和T2塔精餾分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。
圖6 回流比對(duì)T1塔分離結(jié)果的影響Fig.6 The influence of reflux ratio on T1
圖7 回流比對(duì)T2塔分離結(jié)果的影響Fig.7 The influence of reflux ratio on T2
由圖6可知,隨著回流比的增大,T1塔釜DEF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,當(dāng)回流比大于19時(shí),增大回流比對(duì)DEF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不再顯著;塔釜二乙胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著回流比的增大而減小,當(dāng)回流比大于19時(shí),增大回流比對(duì)二乙胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不再顯著。但是隨著回流比的增大,再沸器負(fù)荷會(huì)增大,導(dǎo)致精餾塔操作費(fèi)用增加。綜合分析在滿足分離要求的條件下,確定T1塔最佳回流比為19。同理,由圖7可知T2塔最佳回流比為0.5。
在滿足分離要求的條件下,改變回流比,分別得到T1塔和T2塔再沸器、冷凝器負(fù)荷,詳見表4。
表4 DEF精餾系統(tǒng)能耗對(duì)比Table 4 Comparison of energy consumption of DEF distillation system
由表4可知,優(yōu)化前T1塔和T2塔的再沸器總負(fù)荷為705kW,冷凝器總負(fù)荷為1165kW;優(yōu)化后T1塔和T2塔的再沸器總負(fù)荷為503kW,冷凝器總負(fù)荷為951kW。與優(yōu)化前相比,優(yōu)化后DEF精餾系統(tǒng)再沸器負(fù)荷降低約28.6%,冷凝器負(fù)荷降低約18.4%,有效降低了生產(chǎn)裝置能耗,提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
公司現(xiàn)有DEF精餾系統(tǒng)中T1塔和T2塔均采用自然回流的方式,自然回流就是塔頂冷凝器直接與精餾塔頂部相連。這種自然回流的操作方式導(dǎo)致精餾塔回流量難于控制,而且不便于精餾塔的調(diào)節(jié)。為了便于控制回流量及方便精餾塔操作,可采用強(qiáng)制回流的操作方式。所謂強(qiáng)制回流就是精餾塔頂氣相物料通過管道進(jìn)入塔頂冷凝器,然后冷凝下來的液體進(jìn)入回流罐,回流罐內(nèi)的物料通過回流泵送入精餾塔內(nèi)。強(qiáng)制回流的操作方式可以很好的控制回流量,而且便于精餾塔的調(diào)節(jié)。
本文利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6,對(duì)T1塔和T2塔進(jìn)行了詳細(xì)的模擬研究,并對(duì)工藝操作方式進(jìn)行了優(yōu)化分析,為實(shí)際生產(chǎn)操作提供了理論指導(dǎo)。具體結(jié)果如下:
1) 確定了T1和T2塔的最佳工藝條件為全塔理論板數(shù)分別26塊和35塊,進(jìn)料位置分別在10塊板和13塊板,回流比分別為19和0.5,此時(shí)DEF產(chǎn)品滿足DEF質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%,二乙胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.015%,重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.015%的要求。2)相比原有生產(chǎn)工藝,優(yōu)化后DEF精餾系統(tǒng)再沸器負(fù)荷降低約28.6%,冷凝器負(fù)荷降低約18.4%,有效降低了生產(chǎn)裝置能耗。3) T1塔和T2塔采用強(qiáng)制回流操作方式,有效解決了回流量難以控制和精餾系統(tǒng)操作困難的問題。