石博睿，朱 靜，王連龍，2

(1 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2 中石油遼陽(yáng)石化分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

甲基丙烯酸甲酯(MMA)是一種無色液體[1-3]，主要用于生產(chǎn)有機(jī)玻璃[4-7]，是非常重要的化工原料。2015年至今我國(guó)MMA的產(chǎn)能逐年增加[8]，預(yù)測(cè)2021年國(guó)內(nèi)總產(chǎn)能將達(dá)110萬(wàn)噸/年[9]。

MMA的生產(chǎn)工藝由原料預(yù)處理工段、MAL合成及 MMA 合成工段、MMA精制工段構(gòu)成。對(duì)工藝流程的模擬優(yōu)化對(duì)工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作有重要的指導(dǎo)意義[10-12]，因此，關(guān)于工藝流程的模擬與優(yōu)化的研究成為焦點(diǎn)[13]，Aspen Plus 作為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的模擬軟件具有完事的數(shù)據(jù)庫(kù)和集成能力，算法更是獨(dú)樹一幟，優(yōu)勢(shì)尤為突出[14]。

本文以抽余C4為原料，利用Asplen Plus 模擬軟件對(duì)MMA工藝流程中原料預(yù)分餾工段進(jìn)行了模擬與優(yōu)化，考察操作條件(理論板數(shù)、回流比、塔頂壓力、萃取劑進(jìn)料板位置及萃取劑進(jìn)料溫度)對(duì)T1001塔塔頂產(chǎn)品中異丁烯及正丁烷回收率的影響，以確定最優(yōu)的操作參數(shù)。

1 原料預(yù)處理工段工藝流程

原料預(yù)處理工段是通過萃取精餾將抽余C4混合物分離為異丁烯、1-丁烯、異丁烷及其他C4混合物，所用萃取劑為NMP，其工藝流程如圖1所示。

圖1 原料預(yù)處理工段流程圖Fig.1 Process flow diagram of raw material pretreatment section

來自烯烴廠的抽余C4與NMP進(jìn)入T1001原料萃取精餾塔進(jìn)行萃取精餾，塔頂為異丁烯與異丁烷等的混合物，塔底為正丁烷、1-丁烯、二丁烯等重組分和萃取劑NMP的混合物。塔頂產(chǎn)物進(jìn)入T1002異丁烯萃取精餾塔，再次與NMP進(jìn)行萃取精餾，塔頂為異丁烷，T1002塔底為異丁烯和NMP混合物，進(jìn)入T1004 NMP回收塔1。T1004塔頂為純度為99.26%的異丁烯產(chǎn)品，經(jīng)預(yù)熱后送至MAL合成及MMA合成工段，塔底為NMP返回至T1002循環(huán)使用。T1001塔底產(chǎn)物進(jìn)入T1003NMP回收塔2， T1003塔底產(chǎn)物為NMP返回至T1001循環(huán)使用，塔頂產(chǎn)物進(jìn)入T1005 1-丁烯塔，T1005塔頂為1-丁烯，作為副產(chǎn)物送至1-丁烯產(chǎn)品儲(chǔ)罐，塔底為2-丁烯、1，3-丁二烯的混合物，與T1002塔塔頂產(chǎn)物異丁烷混合后作為液化氣產(chǎn)品送至液化氣儲(chǔ)罐。

2 T1001原料萃取精餾塔的模擬

2.1 原料C4餾分組成

原料C4餾分流量為16993 kg/h，其組成如表1所示。

表1 C4餾分組成Table 1 Composition of excess C4

2.2 模擬流程的建立

Aspen Plus中塔模塊主要有DSWU、Distl、RadFrac及Extracta等。其中DSWU和Distl為簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊，適用于只有一股進(jìn)料和兩股產(chǎn)品的精餾塔；RadFrac為嚴(yán)格設(shè)計(jì)模塊，適用于多種精餾操作；而Extract模塊適用于復(fù)雜塔精餾塔的嚴(yán)格計(jì)算。

T1001為原料萃取精餾塔，是以NMP為萃取劑將原料中的異丁烯及異丁烷從塔頂分離出來，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用RadFrac模塊。T1001模擬流程圖如圖2所示。

圖2 原料萃取精餾塔模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of raw material extraction distillation column

圖中物流3為C4餾分，物流2為含水0.08的NMP萃取劑，物流4為異丁烯與異丁烷等的混合物，物流5為正丁烷、1-丁烯、2-丁烯等重組分和萃取劑NMP的混合物。

2.3 T1001的熱力學(xué)方程

Wilson方程和NRTL方程適用于極性物系，Wilson方程使用范圍廣且簡(jiǎn)單，對(duì)酮類、醇類及含水、鹵化物的互溶體系計(jì)算精確度較高，但不能計(jì)算液液平衡時(shí)的活度系數(shù)；而NRTL方程使用范圍廣、計(jì)算精度高，且能用于部分互溶體系[15]。原料萃取塔精餾塔T1001分離體系內(nèi)含極性組分，所以采用活度系數(shù)法，選擇NRTL方程。

2.4 T1001的模擬條件

表2列出T1001原料萃取塔精餾塔的操作參數(shù)。

表2 萃取塔的操作參數(shù)Table 2 Operating parameters of extraction tower

2.5 T1001的模擬結(jié)果

T1001的模擬計(jì)算的結(jié)果匯總于表3。

表3 T1001產(chǎn)品質(zhì)量流率Table 3 Mass flow rate of product of T1001 (kg·h-1)

3 T1001的優(yōu)化

采用Aspen Plus中Sensitivity模塊對(duì)萃取精餾塔的理論塔板數(shù)、回流比、塔頂壓力、萃取劑進(jìn)料板位置及萃取劑進(jìn)料溫度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 理論塔板數(shù)的優(yōu)化

萃取精餾塔中產(chǎn)品分離純度及產(chǎn)量與理論塔板數(shù)密切相關(guān)。理論板數(shù)越少分離效果越差，塔頂產(chǎn)品異丁烯的純度越低；板數(shù)增加雖然能提高分離效果，但過多的塔板數(shù)對(duì)分離效果的提升并不明顯且增大設(shè)備投資。利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)理論塔板數(shù)優(yōu)化模擬，討論異丁烯回收率及異丁烷回收率隨理論塔板數(shù)增多的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3曲線可以得出，塔板數(shù)增加使塔頂產(chǎn)品中異丁烯的回收率呈上升趨勢(shì)，而正丁烷的回收率呈下降趨勢(shì)，說明塔板數(shù)越多，分離效果越好。但是當(dāng)塔板數(shù)多于97時(shí)，兩種產(chǎn)品的收率收塔板數(shù)的影響不大，且塔板數(shù)越多，設(shè)備費(fèi)用及操作費(fèi)用越高，因此塔板數(shù)選97。

圖3 理論塔板數(shù)對(duì)IB-NB回收率的靈敏度分析Fig.3 Sensitivity analysis of theoretical plate number to IB-NB recovery rate

萃取塔精餾塔理論板數(shù)的多少同樣影響萃取劑用量，利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)理論塔板數(shù)與萃取劑用量進(jìn)行優(yōu)化模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，理論板數(shù)越多萃取劑的用量越少，其主要原因是理論板數(shù)增加分離效果提高，進(jìn)而減少了萃取劑的用量。

綜合圖3及圖4的分析結(jié)果，塔板數(shù)定為97較適宜，此時(shí)萃取劑用量為17500 kg/h。

圖4 理論塔板數(shù)對(duì)萃取劑用量的影響靈敏度分析Fig.4 Sensitivity analysis of effect of theoretical plate number on extractant dosage

3.2 回流比的優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)精餾過程塔頂必須有塔頂回流，塔頂回流比的大小直接影響塔頂產(chǎn)品的純度及回收率。利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)回流比優(yōu)化模擬，結(jié)果繪于圖5中。

圖5 回流比對(duì)異丁烯和正丁烷回收率影響的靈敏度分析Fig.5 Sensitivity analysis of effect of reflux ratio on the recovery of isobutylene and n-butane

圖5中曲線表明增加回流比可以提高塔頂產(chǎn)品中異丁烯的回收率，而降低正丁烷的回收率，說明增大回流比有效提高了塔的分離效果，但回流比超過3.2以后，IB-NB回收率變化幅度明顯減小?；亓鞅冗^小分離效果差，回流比過大雖然分離效果提高，但產(chǎn)品產(chǎn)量降低，且操作費(fèi)用也增加，綜合考慮回流比選3.2為宜。

3.3 塔頂壓力的靈敏度分析

塔頂壓力是精餾塔操作的重要參數(shù)之一，直接影響塔的操作穩(wěn)定性及塔頂產(chǎn)品溫度。利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)塔頂壓力與塔頂產(chǎn)品溫度關(guān)系進(jìn)行模擬優(yōu)化，結(jié)果繪于圖6。

圖6 塔頂壓力的靈敏度分析Fig.6 Sensitivity analysis of the tower top pressure

圖6中的曲線表明，塔頂產(chǎn)品溫度隨塔頂壓力的增加呈線性上升趨勢(shì)。當(dāng)塔頂壓力為5.43 bar時(shí)，塔頂產(chǎn)品溫度能維持在45 ℃左右(產(chǎn)品安全出裝置溫度)；塔頂壓力越高，塔的操作費(fèi)用越高。綜合考慮塔頂壓力定為5.43 bar。

3.4 萃取劑進(jìn)料位置的優(yōu)化

進(jìn)料位置對(duì)塔頂異丁烯IB的回收率及塔底水的回收率有重要影響，利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)萃取劑進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，萃取劑進(jìn)料位置增加，水的回收率增加，增至8后變緩，IB回收率在11塊板時(shí)增至最大。綜合考慮，選擇第11塊板為萃取劑進(jìn)料板。

由圖8表示的是原料進(jìn)料板數(shù)對(duì)塔頂冷凝器負(fù)荷的靈敏度分析圖，由圖中曲線可以看出，隨著進(jìn)料板數(shù)逐漸增加，冷凝器負(fù)荷先下降再升高。當(dāng)原料在第61塊塔板進(jìn)料時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷最小，既節(jié)省了能量，又減少了設(shè)備的投資費(fèi)用。因此，選擇原料在第61塊塔板進(jìn)料。

圖7 萃取劑進(jìn)料位置的靈敏度分析Fig.7 Sensitivity analysis of extractant feeding position

圖8 原料進(jìn)料板數(shù)對(duì)冷凝器負(fù)荷的靈敏度分析Fig.8 Sensitivity analysis of raw material feeding plate number to condenser load

3.5 萃取劑進(jìn)料溫度的優(yōu)化

萃取劑進(jìn)料的溫度直接影響萃取劑的用量及再沸器的負(fù)荷。利用Aspen Plus中Sensitivity對(duì)萃取劑進(jìn)料溫度進(jìn)行優(yōu)化模擬，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 萃取劑溫度對(duì)萃取劑用量、再沸器負(fù)荷影響的靈敏度分析Fig.9 Sensitivity analysis of effect of extractant temperature on extractant dosage and reboiler load

由圖9中的曲線表明，當(dāng)萃取劑進(jìn)料溫度的逐漸升高時(shí)，所需萃取劑的用量及塔底再沸器的負(fù)荷均呈上升趨勢(shì)，說明萃取劑溫度越高，所需萃取劑的用就越大，而塔底再沸器的熱負(fù)荷就越高，這對(duì)生產(chǎn)是不利的。所以選擇萃取劑進(jìn)料溫度為45 ℃，此時(shí)萃取劑的用量和再沸器熱負(fù)荷最小。

4 結(jié) 論

(1)利用Aspen Plus模擬軟件對(duì)抽余C4氧化法制備MMA的原料預(yù)處理工段工藝流程進(jìn)行了模擬與優(yōu)化；

(2)對(duì)原料萃取精餾塔T1001進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)采用RadFrac模塊、NRTL方程；

(3)利用Aspen Plus中Sensitivity模塊對(duì)T1001塔的操作參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)：理論板數(shù)為97、回流比為3.2、塔頂壓力5.43 bar、萃取劑進(jìn)料位置11塊塔板、萃取劑進(jìn)料溫度45 ℃。