劉紹波
(新疆國泰新華礦業(yè)股份有限公司,新疆 昌吉 831700)
BDO,全稱為1,4-丁二醇,又名1,4-二羥基丁烷,英文名是1,4-butanediol,分子式C4H10O2,相對分子質(zhì)量90.12,其為無色黏稠油狀液體,可燃,凝固點為20.1 ℃,熔點為20.2 ℃,沸點為228 ℃[1],相對密度為1.017 1,能與水混溶,溶于甲醇,微溶于乙醚,它是一種重要的有機和精細化工原料,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、PBT、GBL和PU Resin、涂料和增塑劑等,還可以作為溶劑和電鍍行業(yè)的增亮劑。
BDO生產(chǎn)工藝有很多種[2-3],但是只有4種工藝實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),這4種生產(chǎn)工藝分別為Reppe法、丁二烯法、丙烯醇法和順酐法。由于我國多煤、貧油、少氣的特點,因此我國目前建設(shè)的BDO生產(chǎn)工藝大部分采用炔醛法[4]。本研究主要是針對該工藝進行的。
本文以正在運行的生產(chǎn)裝置精餾單元中重組分脫除塔為研究對象,以炔醛法生產(chǎn)為工藝路線。
本公司工藝可分為1,4-丁炔二醇低壓加氫、高壓加氫和精餾單元,其簡要流程圖如圖1所示。
圖1 工藝流程方塊圖
來自上游炔化車間含水60%(質(zhì)量分數(shù))的1,4-丁炔二醇溶液與海綿鎳催化劑按照一定比例混合后,送至淤漿床反應(yīng)器,同時,氫氣自界區(qū)外送至此反應(yīng)器,在壓力2.0 MPa、溫度55 ℃條件下反應(yīng)生成BDO和少量副產(chǎn)物,然后,經(jīng)過過濾系統(tǒng)將催化劑與BDO水溶液分離,催化劑回收送至低壓加氫反應(yīng)器再利用。BDO溶液作為高壓加氫的原料,其主要反應(yīng)如式(1)。
(1)
低壓加氫能使1,4-丁炔二醇原料轉(zhuǎn)化為BDO的轉(zhuǎn)化率達到90%左右,殘存在低壓BDO粗產(chǎn)品中少量不飽和化合物在高壓反應(yīng)中進一步加氫生成BDO產(chǎn)品。其主化學反應(yīng)方程式如式(2)。
(2)
高壓加氫產(chǎn)物經(jīng)過精餾單元脫除其中的水、殘渣、輕組分和重組分后,得到高純度的BDO產(chǎn)品。
來自上游輕組分塔的物料進入重組分塔,脫除其中的重組分。根據(jù)物料的特性,本次設(shè)計選用負壓塔模型來進行流程模擬,流程圖如圖2。
圖2 重組分脫除塔流程圖
流股101為來自上游的粗BDO溶液,其中BDO質(zhì)量分數(shù)為95%,加入重組分脫除塔(T-101),塔釜流股103的主要組分為重組分和BDO,塔頂流股102是質(zhì)量分數(shù)為99.6%的BDO產(chǎn)品。
由于重組分是由多種不明成分組成的混合物,在ASPEN模擬中只能選擇用類似性質(zhì)的純組分物質(zhì)來替代,為了確保選取替代物的物性與重組分更接近,利用試驗的方法分別測出了重組分的沸點、密度和黏度,詳見表1。
表1 重組分物理性質(zhì)
2) 根據(jù)沸點試驗得到重組分的沸點為307 ℃,利用ASPEN輸入組分的查找功能,根據(jù)沸點條件進行查找,輸入沸點區(qū)域為300 ℃至310 ℃,結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗,從中選擇3種純物質(zhì)來替代重組分,在此選擇的是正庚基苯(C17H36)、四丁醛(C14H28O)和正十二基環(huán)戊烷(C17H34)。詳見圖3。
圖3 重組分替代物選擇
利用ASPEN PLUS中物性分析功能,獲得以上3種物質(zhì)在一個大氣壓下、溫度為20 ℃時的黏度與密度,詳見表2。
表2 重組分備選替代物性質(zhì)
通過將表2數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果對比可以看出,重組分的性質(zhì)與正庚基苯比較接近,因此選擇性質(zhì)最為接近的正庚基苯作為重組分的替代物。
重組分脫除塔的進料物流流量為13 750 kg/h,溫度為150 ℃,壓力為500 kPa(g),其組成如表3所示。
表3 重組分脫除塔進料組分表
用簡潔精餾法初步將物流以重組分和丁二醇分成兩大部分,確定最小回流比、最小理論板數(shù)、實際回流比、實際理論板數(shù)和進料位置等參數(shù)。
由于本文中的物料屬于極性較強的體系,在熱力學性質(zhì)計算方法的選擇中,對于極性較強的體系,常采用活度系數(shù)法計算相平衡常數(shù),其中,WILS-RK是活度系數(shù)法中較常用的一種,并且結(jié)合經(jīng)驗,選用WILS-RK狀態(tài)方程物性方法。
輸入進料條件(詳見2.3),設(shè)置模塊參數(shù)中的最小回流比為0.3,塔頂輕關(guān)鍵組分(BDO)的摩爾回收率為0.999,重組分在塔頂?shù)哪柣厥章蕿?.001,塔頂壓力為40 kPa,塔底壓力為50 kPa。
運行模擬,塔頂流股得到質(zhì)量分數(shù)為99.56%的BDO溶液,基本滿足分離要求。同時確定了初步的塔板數(shù)為29,進料位置為17,最小回流比為0.18,餾出與進料比為0.994。
利用精餾塔嚴格計算模塊Radfrac對重組分脫除塔進行嚴格計算。設(shè)置進料條件與簡潔計算進料條件相同,詳見2.3。
根據(jù)簡潔計算結(jié)果,進行嚴格計算塔模塊的設(shè)置,其中,塔板數(shù)為29,冷凝器類型為全凝器,回流比為0.3,蒸餾物與進料比為0.993 7,進料位置為17,進料方式為On-stage,塔頂壓力為40 kPa,塔的壓降為10 kPa。
設(shè)定完成后運行,模擬文件收斂,查看模擬結(jié)果,塔頂BDO產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)為99.65%,符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。
為了考察靈敏度分析進料板位置、理論板數(shù)和回流比對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,選用模型分析工具中的靈敏度分析。以下分別對重組分脫除塔作靈敏度分析,以確定最佳進料位置、理論塔板數(shù)和回流比。
1) 理論板數(shù)
經(jīng)過對理論板數(shù)與丁二醇純度進行靈敏度分析,得到理論板數(shù)與丁二醇的關(guān)系曲線圖如第56頁圖4。
從理論上來講,理論板數(shù)增加,產(chǎn)品純度增加[5],但是當理論板數(shù)增加時,塔高增大,從而增加了塔的制造成本。從圖4可以看出,當理論塔板數(shù)大于27塊時,產(chǎn)品純度基本不變,因此確定塔板數(shù)為27塊。
圖4 理論板數(shù)與BDO純度關(guān)系
2) 回流比
經(jīng)過對回流比與丁二醇純度進行靈敏度分析,得到回流比與丁二醇的關(guān)系曲線圖如圖5。
圖5 摩爾回流比與BDO純度關(guān)系
從圖5可知,當回流比大于0.24時,產(chǎn)品純度隨回流比增加放緩,因此確定回流比為0.24。
3) 進料位置
經(jīng)過對進料位置與丁二醇純度進行靈敏度分析,得到進料位置與丁二醇的關(guān)系曲線圖如圖6。
圖6 進料位置與BDO純度關(guān)系
從圖6可知,當進料位置在第14塊塔板時,產(chǎn)品純度最優(yōu),因此確定進料位置為第14塊塔板,經(jīng)過對該塔的靈敏度分析確定最優(yōu)理論板數(shù)為27塊,最佳進料位置為14塊,最優(yōu)回流比為0.24。
實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比如表4所示。
表4 模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比表
本文利用ASPEN PLUS軟件對重組分脫除塔的化工過程進行模擬,通過多次調(diào)整數(shù)據(jù),如,溫度、壓力、塔的回流等條件,獲得所需要的數(shù)據(jù)。在以上的操作中,沒有涉及到實際生產(chǎn)裝置的任何參數(shù)或者設(shè)備等的改變,與傳統(tǒng)直接在生產(chǎn)裝置進行工藝指標調(diào)整相比,大幅提高了工藝調(diào)整的速度,節(jié)約了工藝調(diào)整時間,給現(xiàn)場工藝調(diào)整帶來了極大的方便。