新型精餾塔在分離C4烯烴與烷烴中的節能效果

樊鋼鑫

摘要：本文根據作者長期從事化工分離工作的工程經驗，通過對新型精餾塔分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的技術介紹，展示了新型精餾塔相對于傳統精餾塔極具優勢的節能效果。

關鍵詞：新型精餾塔；萃取精餾；分離；節能；

前言

萃取精餾是石油化學工業中重要的分離方法之一，發展至今已有60多年的歷史。其通過萃取劑的加入改變被分離組分間的相對揮發度，從而使近沸點物系或共沸物體系得以分離，而另一方面，大量萃取劑的加入也大大增加了此分離過程的能耗。如何降低該精餾過程的能耗已經成為當今工業非常普遍也非常重要的研究課題。近年來，開發者們通過對傳統精餾工藝的模擬分析、優化設計、安裝控制等方面的研究與技術改進，開發出了一種新型的精餾塔，其可有效地減少分離過程能耗，在節能和節省設備投資方面的優勢十分明顯。

1.新型精餾塔

新型的精餾塔就對傳統精餾塔進行改造而形成的。在傳統精餾塔內部設一垂直隔板，將精餾塔分成下部公共提餾段、隔板兩邊的精餾進料段和中間采出段3部分，形成新型精餾塔。如圖1所示

新型精餾塔被垂直的分隔壁分成6個部分，公共精餾區1、公共提餾區6及由分隔壁分開的相互平行的進料段和側線產品采出段4部分，其中進料段和側線產品出料段又可以分為精餾段2、3和提餾段4、5，2、4一般被稱為預分餾段或副塔，整個1、3、5、6段被稱為主塔。

含多種物質的混合物從塔進料段的中間位置進入到塔內。在預分餾段，組分A、B向塔上方移動，組分B、C向塔下方移動。公共精餾區完成A、B的分離，純組分A從塔頂采出，公共提餾區完成B、C的分離，純組分C從塔釜采出，純組分B從主塔的中間采出。與傳統分離三組分的兩塔精餾相比，新型精餾塔可節省1座精餾塔及其附屬設備，如再沸器、冷凝器、回流泵等，而且占地面積也相應減少。

2.模擬分析研究

2.1.總體介紹

C4餾分是煉油廠副產，其含有豐富的1-3-丁二烯、1-丁烯、順-2-丁烯、反-2-丁烯、異丁烯、正丁烷、異丁烷等，其中1，3-丁二烯可以通過萃取精餾的方式進行分離。萃余C4中的烯烴可通過骨架異構轉化為異丁烯，進而與甲醇反應生成甲基叔丁基醚。為提高異構化過程的效率，需將萃余C4中的烷烴與烯烴進行分離。由于正丁烷與反-2-丁烯的沸點相差僅為1.38℃，工業上通常仍然采用萃取精餾的方法實現分離。常用的萃取劑有二甲基甲酰胺、甲乙酮、嗎啉等。

以二甲基甲酰胺為萃取劑，采用AspenPlus化工流程模擬軟件，對分隔壁萃取精餾塔分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的過程進行了模擬計算，以期獲得支持該工藝可行性和節能降耗性能的定量結果。

2.2.工藝流程

新型萃取精餾塔有3個區域：萃取精餾段、溶劑回收段和公共提餾段。主塔為萃取精餾段和公共提餾段，副塔為溶劑回收段。C4烴從主塔中部適當位置進料，萃取劑從主塔頂部進料。在萃取精餾段進行C4烴的分離，烷烴從主塔塔頂采出。在副塔進行溶劑回收，烯烴從副塔塔頂采出，萃取劑從塔底采出后循環使用。

2.3.模擬分析

選擇C4中的正丁烷、反-2-丁烯為分離對象，溶劑選擇二甲基甲酰胺，進料量為1t/h，壓力0.5MPa。原料組成：反-2-丁烯88.3%（w），正丁烷11.7%（w）。分離要求：正丁烷純度大于99.0%（w），反-2-丁烯純度大于99.9%（w）。采用AspenPlus軟件中的MultiFrac模塊進行模擬計算，選取Wilson方程為相平衡模型，分析溶劑比、回流比、汽相分配比等操作條件對分離效果及能耗的影響。

3.模擬結果研究

3.1.溶劑比的影響

萃取劑與C4原料的質量比對產品純度及熱負荷有較大影響。溶劑比在1.5～3.0之間時，增大溶劑比，產品純度顯著提高，此時溶劑濃度與萃取效果正相關。當溶劑比達到3.0時，可分離得到符合分離要求的產品。此后繼續增大溶劑比，產品純度變化不大。

塔板上的溶劑濃度是影響萃取效果的因素，但溶劑比越大，使用的溶劑量就越多，塔內氣液相流量及熱負荷也會增大，能耗及投資費用也就越高，所以最小溶劑比約為2.5。

3.2.回流比的影響

回流比是影響產品純度及熱負荷的主要因素。新型萃取精餾塔的回流比可以調節產品純度及能耗。回流比增大，產品純度會呈明顯增加的趨勢，同時熱負荷也增加。當回流比大于3.5后，產品純度已基本不變，而回收的溶劑純度略有下降，所以合適的回流比約為3.5。

3.3.汽相分配比的影響

新型萃取精餾塔只有一個再沸器提供主副塔的上升蒸氣，在分隔壁的兩邊需考慮上升蒸氣的分配。定義汽相分配比為進入副塔的蒸氣質量與進入主塔蒸氣質量之比。汽相分配比是影響產品純度及熱負荷的主要因素。

當汽相分配比小于2.0時，副塔會出現干塔情況。汽相分配比等于2.0是副塔正常操作與干塔之間的臨界點，產品純度較差。當副塔正常操作后，汽相分配比對產品純度影響不明顯，但對全塔熱負荷有很大的影響。進入副塔的蒸氣量越多，則需要再沸器提供更多的熱量來維持主塔與副塔的運轉。因此，增大汽相分配比，再沸器熱負荷顯著上升。

3.4.與常規萃取精餾工藝的比較

新型精餾塔萃取精餾工藝與常規萃取精餾工藝參數的比較如表1所示。由表1可知，與常規萃取精餾工藝相比，新型精餾塔萃取塔釜再沸器可節能17.31%，塔頂冷凝器可節能25.81%，具有明顯的節能效果。

3.5.新型精餾塔節能原因分析

新型精餾塔節能的原因主要在于能夠減少常規精餾塔內的返混現象。

常規萃取精餾塔內液相各組分濃度沿塔高的分布，中間組分反-2-丁烯的濃度隨塔板數的增加而逐漸增大，但到塔釜最后一塊板時，濃度反而下降，產生了返混現象。實際生產中如果增大萃取精餾塔塔板數，這種中間組分在塔釜濃度降低的現象將表現得更為明顯。最終塔釜中的反-2-丁烯以較低液相濃度進入溶劑回收塔，重新被提純。

在新型精餾塔中，由主塔進入副塔的物流為汽相，當汽相中反-2-丁烯的濃度最大時，即有一部分進入副塔繼續分離其中的溶劑，從而得到符合要求的丁烯產品，避免了返混。返混效應是精餾過程熱力學效率低下的重要原因，消除返混效應可以大幅度提高分離效率，所以新型萃取精餾塔比常規萃取精餾節能。

如果從副塔底部塔板流出的液相物流中，反-2-丁烯含量約為83.3%（w），而同一位置主塔塔板上的反-2-丁烯含量約為36.6%（w），二者混合勢必造成一定的能量損失。由于副塔下降液流量較少，因此這部分能量損失遠小于常規萃取精餾塔返混帶來的能量消耗。因此，新型精餾塔雖不能完全避免能量的損耗，但其節能效果與常規萃取精餾塔相比仍然明顯。

4.結論

根據AspenPlus模擬分析的結果，本新型精餾塔在分離正丁烷和反-2-丁烯混合物的過程中，完成同樣的分離任務，與常規萃取精餾工藝相比，節能效果明顯，其塔釜再沸器可節能17.31%，塔頂冷凝器可節能25.81%。因此，隨著化學工業的不斷發展，國家節能降耗標準逐步提高，新型精餾塔在當今的工業生產中是值得推薦的。

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