丙烯腈吸收過程模擬優化

楊家軍　霍鳳華　崔吉成

摘 要：化工過程模擬軟件發展至今已被廣泛地應用于化工過程的設計計算、操作評估和優化中。該文應用化工技術人員熟知的PROII軟件對丙烯腈的吸收過程進行模擬研究。首先對年產20萬噸的丙烯腈生產過程吸收塔單元中的操作參數進行分析，確定要優化的參數。然后應用PROII軟件對丙烯腈吸收塔進行模擬，通過改變操作參數后模擬結果的比較對操作參數中的吸收水用量、側線采出量和吸收塔的操作壓力進行了模擬分析，并得到相應條件下的最佳值。

關鍵詞：丙烯腈 吸收 模擬 PROII

中圖分類號：TQ226 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0111-03

Abstract：Throughout its history，chemical process simulation software has been widely used in chemical process design，operational evaluation and optimization.As well known by chemical technicans，the PROII software was used for the simulation of the absorption process of acrylonitrile production plant in the study.Firstly，the operating parameters of the absorption process were analyzed to determine the optimization variables.After that， the absorption tower was simulated with PROII software.By comparing the simulation results of different conditions，the process parameters related to the sbsorption process were analyzed，such as the comsuption of absorption water and side withdrawing，and the operating pressure. The optimum values in the corresponding conditions were obtained.

Key Words：Acrylonitrile；Absorption；Simulation；PROII

丙烯腈作為重要的化工原料應用前景廣闊。目前，雖然丙烷氨氧化制丙烯腈已有工業化實例，但丙烯腈生產裝置中的絕大多數仍是采用以丙烯、氨和空氣為原料的丙烯氨氧化生產工藝[1-2]。此工藝主要由流化床反應器、驟冷中和作用的急冷塔、水吸收塔、回收塔、精制塔和廢物處理單元組成。生產過程中丙烯腈損失主要源于急冷、吸收和回收過程中的聚合和跑損[3]。在設備和操作參數合理的情況下吸收過程丙烯腈的損失與其他工段相比并不是最大的，但其作用和在流程中的位置決定其重要性。對于丙烯腈吸收過程的研究已有一些報導[4-5]。化工過程模擬軟件發展至今已被廣泛地應用于化工過程的設計計算、操作評估和優化中，該文應用化工技術人員熟知的PROII軟件對丙烯腈的吸收過程進行模擬，分析工藝參數對吸收過程的影響并進行優化。

1 吸收過程分析

丙烯腈生產中吸收過程主要由吸收塔構成，流程如圖1所示。急冷后的氣相物料進入吸收塔底部，液相物料經冷卻后進入吸收塔中下部；系統內的貧水預熱塔底釜液后被冷卻后從塔頂進入，吸收氣相物料中的丙烯腈、乙腈等，未被水吸收的氮氣、氧氣等從塔頂排出；吸收塔側線采出液相先由低溫冷卻劑冷卻后與原料丙烯和氨換熱后返回吸收塔。吸收水用量對吸收效果的影響是直接的，并與冷卻費用相關。吸收塔側線采出和回流對于降低吸收塔內溫度進而提高吸收效果起著重要的作用，若塔內溫度較高丙烯腈從塔頂的損失會加大。側線的采出要維持塔內相應采出位置的液位，因此其受到工藝操作參數和塔內設備參數的共同限制。對于吸收塔另一個重要的量為操作壓力，操作壓力的增加會減少塔頂丙烯腈的損失；可如果過高會提高吸收塔溫度，進而吸收效果會下降，雖可以通過側線和吸收水冷卻器將塔溫降到較低值，但這是極不經濟的。下面就具體產量下的生產裝置中的吸收塔進行模擬，從數據上進一步分析。

2 吸收過程模擬

對于年產量為20萬噸的丙烯腈生產裝置（年生產時間為7 200 h），按照目前多數同類裝置中的進料比例，和吸收、回收、精制過程丙烯腈損失率（3個過程總的損失率為1.5%）計算，得到如表1所示的吸收塔進料表。

在PROII中定義各組分和進料流股，熱力學模型選擇基于液相活度的汽液相NRTL方程，選用無冷凝器和再沸器的Ddistillation模塊模擬吸收塔。根據近似計算結果設置Ddistillation模塊中相應數據為：理論級數選擇80，板效率定為0.6，塔頂壓力為120 kPa，側線采出量為48 847 kg/h，側線回流溫度為4℃，側線采出位置在第21塊板，急冷后冷凝器凝液的進料位置在64塊板，求解方法選用I/O算法。模擬結果滿足丙烯腈吸收塔的工藝要求。在進行對塔壓和側線采出量考慮之前，先對側線采出位置和急冷后冷凝器凝液進料位置進行優化，其他條件不變，目標為塔頂丙烯腈的流量最小，優化后側線采出位置為25塊板，急冷后冷凝器凝液的進料位置為62塊板。在此條件下重新對吸收塔進行模擬。部分模擬結果如表2所示。

3 參數優化

由表2的模擬結果看，塔頂采出中丙烯腈的流量很低，應該說吸收效果很好，但從吸收水冷卻器的熱負荷來看其值是較大的，所以可認為此工況下吸收水的量有可以減少的可能。其他參數不變改變吸收水流量，模擬結果如圖2所示。吸收水的量的下限值是不能低于側線采出的量。從圖中可看出隨著吸收劑量的減少塔頂丙烯腈量呈增加趨勢，同時吸收水冷卻器的熱負荷呈減少趨勢。而即使吸收水量降到可操作的最低值仍非常滿足吸收塔頂的要求丙烯腈流量，所以可將吸收水流量降至467 500 kg/h。

此例中側線采出量的值是以最初吸收水量選取的，限制著吸收水量的進一步減少，而從圖2顯示的結果來看，其值應該設定得再低些也會滿足吸收要求。在此之前以467 500 kg/h為吸收水量，改變側線采出量對過程模擬，模擬結果如圖3所示。從圖中可知，當側線采出量降到360 000 kg/h左右時，吸收塔已不能滿足吸收要求。隨著側線采出量的減少，側線冷卻器和側線換熱器的熱負荷都有減小的趨勢，而側線換熱器熱負荷的減少趨勢更大。從圖中側線冷卻器熱負荷變化并不是很大來看，側線采出的量可以在維持采出位置液位的前提下向高流量調節。因為側線換熱器用于原料的預熱，冷卻器多消耗冷量的同時，換熱器將供給原料的熱量也更多，而且此時塔頂丙烯腈量會更低，吸收效果更好。對于此時側線采出量最優值的確定需關聯吸收塔設備參數和操作費用后求得，根據圖中數據認為在留有相應操作裕量的情況下兼顧操作費用，取側線采出量為4.1×105 kg/h為最佳值。

吸收水量和側線采出量均取上面所得值，改變吸收塔操作壓力對過程進行模擬，模擬結果如圖4所示。由圖可看出操作壓力的增加會減少塔頂丙烯腈的損失，這與之前的分析是一致的，操作壓力最好不要低于120 kPa，否則會使丙烯腈損失明顯加大。隨著操作壓力的增加側線采出冷卻器的負荷不斷升高，原因在于壓力的升高使得采出液的溫度也有所升高，所需冷卻的負荷自然會加大，相應的費用也要增加。所以操作壓力并不是越高越好，從圖中分析取操作壓力125 kPa為最佳值。

4 結語

對于丙烯腈生產中吸收過程操作，吸收水用量可在設計值的基礎上適量地減小以節約費用；吸收塔的操作壓力因塔內型式會有所不同，但最好在125 kPa左右較適宜。文章主要介紹丙烯腈吸收過程的模擬優化，希望能對相應設備的設計和操作有一定意義。

參考文獻

[1] 吳糧華.丙烯腈生產技術進展[J].化工進展，2007，26（10）：1369-1372.

[2] 顧約倫.旭化成將實現丙烷路線的丙烯腈工藝工業化[J].高橋石化，2008（10）：34.

[3] 李朔新，李德勝.丙烯腈裝置高負荷回收率提高的措施[J].化學工程師，2006，133（10）：39-42.

[4] 趙翌穎，史艷紅，程英超，等.丙烯腈生產工藝優化研究[J].化工科技，2006，14（3）：46-48.

[5] 張平.21.2萬噸/年丙烯腈生產裝置回收和精制過程的模擬分析[D].上海：上海師范大學，2013.