分壁式精餾塔精制丁二烯流程模擬

賈玉霞，李玉安，周文勇，葉啟亮，孫　浩，史賢林

（華東理工大學化工學院，上海 200237）

分壁式精餾塔精制丁二烯流程模擬

賈玉霞，李玉安，周文勇，葉啟亮，孫浩，史賢林

（華東理工大學化工學院，上海 200237）

丁二烯是一種重要的石油化工烯烴原料，由于其生產過程能耗高，因此節能降耗成為丁二烯生產工藝的研究熱點。利用Aspen Plus模擬軟件對丁二烯精制工藝的兩套流程進行了模擬研究，考察了分壁式精餾塔（DWC）中內部互連物流連接位置、預分離塔氣液相流量和回流比對分離效果和熱負荷的影響，對比了相同分離條件下DWC分離流程和傳統順序分離流程的能耗，并根據兩套分離流程中塔內液相丁二烯濃度分布情況，分析DWC的節能原因。結果表明，當主塔理論板數105，預分離塔理論板數56，進入預分離塔氣相流量1020kmol/h，液相流量890kmol/h，回流比7800時，DWC分離效果最好，丁二烯質量分數可達99.7%，這為DWC精制丁二烯工藝的工業化提供了理論依據。由于DWC有效減少了精餾過程中的返混效應，提高了能量利用率，使其冷凝器可節能29.36%，再沸器可節能29.19%，存在明顯的節能優勢。

模擬；分壁式精餾塔；丁二烯；蒸餾；優化

丁二烯通常是指1，3-丁二烯，主要用于生產合成橡膠、合成樹脂以及一些有機化工產品，用途十分廣泛。世界上丁二烯的生產方法主要有乙烯裂解副產C4抽提法和C4烷烴或烯烴脫氫法，其中，前者約占全球丁二烯總生產能力的98%，是丁二烯的主要生產工藝［1］。該方法是先通過兩步萃取精餾抽提出粗丁二烯（丁二烯質量分數為89%～99.5%），然后再通過兩步普通精餾得到聚合級丁二烯產品（丁二烯質量分數不低于99.6%）［2］。由于傳統精餾方法能耗大，能源利用率低，因此開發研究新型的精餾節能技術是丁二烯生產工藝的研究熱點。分壁式精餾塔技術是一種內部熱耦合精餾節能技術，不僅可以大幅提高過程的熱力學效率，降低能耗，而且可以減少設備的數目和投資，因而近年來引起了眾多國內外研究學者的關注。

本文采用Aspen Plus化工流程模擬軟件對丁二烯精制過程進行模擬計算，對比了相同分離條件下傳統順序分離流程和分壁式精餾塔流程所需的能耗，并分析討論了分壁式精餾塔流程的節能優勢，為其在丁二烯生產中的應用提供理論依據。

1　分壁式精餾技術

在多組分分離過程中，中間組分在普通精餾塔內的濃度分布總是從塔頂到塔釜先增大后減小，即存在組分的再混合現象，這是普通精餾塔能耗較高的一個重要原因。為了提高能量利用率，出現了熱耦合精餾塔，其中最具代表性的是完全熱耦精餾塔。它最早是由Petlyuk提出的，故又稱為Petlyuk塔，其結構如圖1所示。

Petlyuk塔主要由一個主塔和一個預分離塔組成，預分離塔沒有冷凝器和再沸器，兩精餾塔通過流向互逆的4股氣液物流連接，實現熱量的完全耦合［3］。混合物從預分離塔的某塊塔板進入，經初步分離，得到AB和BC兩組混合物，其中輕組分A全部由塔頂分出，重組分C全部由塔釜采出。隨后，AB和BC兩組混合物分別進入主塔進一步分離，在主塔塔頂得到產物A，塔釜得到產物C，中間組分B在塔中部富集，從濃度最大處側線采出。Petlyuk塔完全避免了中間組分在塔內的再混合現象，大大減小了精餾過程的不可逆性，提高了熱力學效率，達到節能的效果［4-7］。

分壁式精餾塔（dividing wall column，簡稱DWC）如圖2所示，在塔的內部用一個垂直隔板將塔從中間隔開，使精餾塔的主體分為了4個部分：公共精餾段、公共提餾段以及隔板兩側的預分餾段和側線采出段。該結構可看作是將Petlyuk塔的兩個塔放在一個塔殼內，其中公共精餾段、公共提餾段和側線采出段相當于Petlyuk塔的主塔，而預分餾段相當于Petlyuk塔的預分離塔，如果忽略隔板的傳熱，DWC與Petlyuk塔在熱力學上是等效的，模擬計算時可采用相同的模型［8］。但與Petlyuk塔相比，DWC不僅可以節省能耗，還能進一步節省設備費用［9-10］。此外，由于DWC是一種單塔結構，可通過加入液體分配器來控制隔板兩邊的液體流量，通過隔板兩邊的填料高度或隔板的形狀來控制氣體流量，因此，DWC較Petlyuk塔具有更高的可操作性，國外已經開始工業應用［7，11-13］。

圖1　Petlyuk塔結構示意圖

圖2　分壁式精餾塔結構示意圖

根據分壁式精餾塔分離原理和相關文獻介紹，分壁式精餾塔適用于分離中間組分含量高（特別是質量分數達到66.7%）的混合物［14］。本文所用的原料為某乙烯裂解裝置副產C4餾分經N-甲基吡咯烷酮法（簡稱NMP法）抽提后的粗丁二烯，其

丁二烯的質量分數為98.22%，遠高于其他組分，且輕組分/丁二烯的相對揮發度與丁二烯/重組分的相對揮發度大小相當，因此可以選用DWC精制丁二烯。

2　模擬部分

2.1物性方法的選擇及設計要求

Aspen Plus提供了多種物性模型，包括理想模型、狀態方程模型、活度系數模型以及特殊模型，選擇合適的熱力學模型和準確的相互作用參數關系著整個模擬過程的成敗。由于粗丁二烯中含有部分水，可以與C4組分形成多種極性物系，所以液相選用活度系數模型來進行計算。由于精餾是在中壓條件下進行，氣相的非理想性可忽略［15］。結合C4-H2O物系的特點和各活度系數模型的適用范圍，選用NRTL-RK模型進行模擬計算，其中缺失的二元相互作用參數采用UNIFAC模型估算。

設計要求見表1。

表1　丁二烯產品規格

2.2工藝流程與模型建立

2.2.1傳統丁二烯精制工藝

丁二烯精制的主要目的是除去粗丁二烯中較丁二烯沸點高和沸點低的組分，其傳統順序分離流程如圖3所示。該工藝主要包含兩個塔，即丙炔塔C1和丁二烯塔C2。來自萃取精餾部分的產品粗丁二烯物流F從塔C1中部進入，經過氣液相接觸傳質后，塔頂采出丙炔、1-丁烯等輕組分，1，3-丁二烯和重組分從塔釜采出并進入塔C2進一步分離。在塔C2中，順-2-丁烯、1-丁炔、乙烯基乙炔、水和C5等重組分從塔釜采出，丁二烯產品從塔頂采出，送去丁二烯產品儲罐。模型中塔C1和塔C2都選用Radfrac模塊進行模擬計算，兩塔的塔頂冷凝器設置為全凝器，其他工藝參數設置為優化后的數值，如表2所示。

2.2.2DWC丁二烯精制工藝

DWC丁二烯精制工藝實際上是將兩個常規精餾塔的分離任務放在一個DWC中完成，其流程如圖4（a）所示。粗丁二烯物流F從預分離段的某塊塔板進入精餾塔，經過初步分離后，輕組分和部分1，3-丁二烯的混合物從隔板的上部進入主塔；重組分和部分1，3-丁二烯的混合物則從隔板的下部進入主塔。在主塔的上部，輕組分與1，3-丁二烯進行分離；在主塔下部，重組分與1，3-丁二烯進行分離。最終，在精餾塔塔頂得到富含丙炔等輕組分的物流D，塔底得到富含順-2-丁烯、C4炔烴、水和C5等重組分的物流B，而產品物流S則從主塔中丁二烯濃度最高的塔板側線采出。模擬計算時，DWC選用與其在熱力學上等效的Petlyuk模塊，如圖4（b）所示。Aspen Plus中的Petlyuk模塊分為主塔T1和預分離塔T2，預分離塔T2不設冷凝器和再沸器，主塔T1則設置全凝器和再沸器，兩塔通過流向互逆的4股氣液物流連接，模擬過程的工藝參數選用優化后的數值，如表3所示。

圖3　傳統順序分離流程圖

圖4　分壁式精餾塔分離流程圖

表2　傳統分離流程工藝參數

3　結果與討論

3.1工藝參數對DWC的影響

3.1.1內部互連物流連接位置的影響

將從主塔引出液相物流的位置定義為N12，從主塔引出氣相物流的位置定義為N21。容易發現，N12和N21也就是DWC中隔板的上端和下端位置。設置主塔理論板數、塔頂采出量、側線采出量等條件不變，預分塔的進料位置保持為預分塔理論板數的0.6倍，通過Aspen plus中的設計規定功能，規定產品物流中丁二烯質量分數為99.7%，分別改變N12和N21，考察再沸器熱負荷的變化情況，從而得到最佳的物流連接位置，進而得到預分塔的理論板數。

表3　分壁式精餾塔工藝參數

由圖5可知，在保證產品分離要求的情況下，隨著隔板向塔頂延伸，再沸器熱負荷逐漸降低。這是由于進料中丙炔含量很少，比較容易分離，而重組分含量較多，應使隔板向上延伸以阻止重組分從塔上部進入中間出料側，這有助于分離。但是，熱負荷降低速度隨N12的減小逐漸變緩，本文選擇液相回流位置N12為第5塊塔板。由圖6可知，在保證產品分離要求的情況下，隨著隔板向塔底延伸，再沸器熱負荷先降低后升高，在第60塊板時達到最小。可見，氣相回流位置N21為第60塊塔板時，DWC的能耗最低。由于隔板向下延伸雖然有效地阻止了輕組分從塔下部進入中間出料側，但也增加了1，3-丁二烯從下部進入中間出料側的困難。此外，精餾塔下部的分離塔板數減少，也會降低重組分和1，3-丁二烯的分離效果。因此，當隔板下端延伸至第60塊塔板以下后，為達到分離要求，塔的能耗又升高。

綜合考慮，液相回流位置N12為第5塊塔板，氣相回流位置N21為第60塊塔板，則預分離塔的理論板數為56塊板。

3.1.2預分離塔氣液相流量的影響

在DWC中只有一個再沸器和一個冷凝器為塔提供上升的蒸氣和下降的回流液，因此在隔板的兩邊需要考慮上升蒸氣和下降回流液的分配。定義進入預分離塔的氣相流量為V1；而進入預分離塔的液相流量為L1。在進料狀態、主塔和預分塔理論板數、側線采出量等條件不變的情況下，通過設計規定功能，規定產品物流中丁二烯質量分數為99.7%，考察預分離塔中氣相流量V1和液相流量L1對再沸器熱負荷的影響。

圖6　N21對熱負荷的影響

圖7　氣相流量對熱負荷的影響

圖8 液相流量對熱負荷的影響

圖7和圖8分別為再沸器熱負荷與氣相流量V1和液相流量L1的關系曲線。從圖中可知，當產品物流中丁二烯質量分數為99.7%時，再沸器熱負荷隨預分離塔中氣液相流量的變化并非是簡單的關系，而是存在最優點。這是由于DWC的預分離段和側線采出段是兩個相對獨立的分離單元，其中預分離段起初步分離的作用，而側線采出段起分離提純中間組分的作用。當改變進入預分離塔中的氣相流量V1和液相流量L1時，不僅會影響預分餾段的分離效果，而且會同時影響側線采出段的分離效果。從圖中容易看出，當氣相流量V1為1020kmol/h和液相流量L1為890kmol/h時，再沸器熱負荷達到最小值。

3.1.3回流比的影響

回流比是精餾設計時的一個重要的參數，它的大小對精餾過程的分離效果和經濟性有著重要的影響。在DWC分離流程中，回流比對產品純度和再沸器熱負荷的影響見圖9。與普通精餾塔相似，回流比越大，產品純度越高，當回流比大于7800時，產品符合工藝要求。但當回流比增大時，再沸器熱負荷也同時增大。為了降低能耗，選用合適的回流比為7800。

3.2兩套流程方案的對比

3.2.1計算結果比較

兩套流程方案都以產品中1，3-丁二烯的質量分數為約束條件進行嚴格計算和優化，因而這兩套方案的產品質量和產量幾乎是相同的。由表4可知，兩流程的產品物流中丁二烯產量都為8830kg/h，質量分數都滿足99.7%的要求。可見，兩套流程都可以完成丁二烯精制工藝的分離任務。

圖9　回流比對產品純度和熱負荷的影響

3.2.2熱負荷比較

表5為相同分離要求下傳統順序分離流程和DWC分離流程中冷凝器和再沸器的熱負荷情況，其中DWC冷凝器熱負荷比傳統分離流程的熱負荷低3382.36kW，而DWC再沸器熱負荷比傳統分離流程的熱負荷低3370.04kW。若以傳統分離流程的熱負荷為基準，DWC分離流程冷凝器可節能29.36%，再沸器可節能29.19%，存在明顯的節能優勢。

表4　兩套流程模擬計算結果比較

4　分壁式精餾塔節能分析

圖10是傳統順序分離流程兩精餾塔內1，3-丁二烯摩爾濃度分布情況。從圖10中可以看出，在丙炔塔內，中間組分1，3-丁二烯的濃度隨著塔板數的增加先增大后減小，在第6塊板處濃度最高，存在返混效應。由于丙炔塔內1，3-丁二烯的含量遠遠大于重組分的含量，所以從進料板（第15塊板）向下，1，3-丁二烯的濃度基本不變。最終，丙炔塔塔釜中的1，3-丁二烯以98.2%的液相濃度進入丁二烯塔，在丁二烯塔進料板（第24塊板）上1，3-丁二烯的摩爾濃度為98.4%，符合最佳進料位置條件。

DWC的節能原因就在于能夠減少常規精餾塔內的返混現象。圖11描述了DWC分離流程中塔內1，3-丁二烯摩爾濃度分布情況。從圖中可以看出，1，3-丁二烯在預分離塔中先進行了一次非清晰分割，在塔頂得到輕組分和丁二烯的混合物，塔底得到重組分和丁二烯的混合物。然后，丁二烯又在主塔中分別與輕組分、重組分分離，并從濃度最高的塔板（第20塊塔板）抽出，整個過程完全消除了丁二烯的返混效應。此外，在DWC分離流程中，經預分離塔初步分離后進入主塔的物流，其組成與主塔進料板上的組成基本相同，符合最佳進料位置的要求。由圖11可知，預分離塔塔頂1，3-丁二烯濃度為99.6%，而對應主塔第5塊板上的濃度為99.4%；預分離塔塔釜1，3-丁二烯濃度為97.4%，而對應主塔第60塊板上的濃度為97.3%。因此，基本消除了進料混合，進一步減少了有效能的損失。

可見，DWC能有效地減少1，3-丁二烯在塔內的返混，提高精餾過程的熱力學效應，降低分離過程的能耗。但是，由于實際操作中缺乏控制手段，DWC的工業應用裝置并不多，國內尚無應用實例。所以加快DWC技術的開發和工業化應用步伐，對降低工業生產能耗，推動我國石油、化工行業的發展具有重要意義。

表5　傳統順序分離流程和DWC分離流程熱負荷

圖10　傳統順序分離流程1，3-丁二烯液相濃度分布

圖11　DWC分離流程1，3-丁二烯液相濃度分布

5　結 論

（1）采用Aspen Plus對丁二烯精制工藝的兩套流程進行了模擬計算，考察DWC分離流程中連接流位置、預分離塔氣液相流量和回流比對DWC分離效果和熱負荷的影響，得到最優的工藝參數：主塔理論板數105，預分離塔理論板數56，垂直隔板位于塔內5～60塊板之間，進入預分離塔的氣液相流量分別為1020kmol/h和890kmol/h，回流比為7800。

（2）分析討論了DWC在節能降耗方面的優勢。與傳統流程相比，DWC分離流程減少了塔內的返混效應，提高了能量利用率，使冷凝器節能29.36%，再沸器節能29.19%。

（3）DWC分離流程只需一個精餾塔就可以實現傳統的兩塔分離過程。節省了一個蒸餾塔及其附屬設備，如再沸器、冷凝器、塔頂回流泵及管道等，大大減少了設備費用和占地面積。

（4）DWC分離法雖然工藝流程簡單、設備投資少、能耗較低，但由于缺乏控制手段，到目前還沒有實現廣泛的工業應用。

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Simulation of butadiene distillation process using dividing wall column

JIA Yuxia，LI Yu’an，ZHOU Wenyong，YE Qiliang，SUN Hao，SHI Xianlin
（School of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Butadiene is an important petrochemical olefin raw material. Due to the high energy consumption，energy saving has become the focus in the butadiene production process research. This research simulated the two butadiene distillation processes using Aspen Plus software，and investigated the influences of intraconnection stage，vapor and liquid flow of side column and reflex ratio on the separation effect and reboiler duty in dividing wall column（DWC）. This research also compared the energy consumption of the DWC process and the conventional process under the same separation conditions and analyzed the reason why DWC can save energy according to the butadiene concentration distribution in the liquid of columns. The results showed that the separation effect of DWC was the best and the butadiene concentration was up to 99.7% when the number of theoretical plates in main column was 105，the number of theoretical plates in side column was 56，vapor flow was 1020 kmol/h，liquid flow was 890 kmol/h and reflux ratio was 7800. This study provided the theoretical basis for the industrialization of DWC butadiene distillation process. As DWC can avoid the backmixing effectively and enhance the energy efficiency，the condenser and reboiler of DWC process can save energy up to 29.36% and 29.19% respectively.

simulation；dividing wall column；butadiene；distillation；optimization

TQ 028.3

A

1000-6613（2015）10-3563-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.10.007

2015-03-30；修改稿日期：2015-05-07。

賈玉霞（1989—），女，碩士研究生，研究方向為化工過程模擬及優化。E-mail jiayuxia1989@163.com。聯系人：史賢林，博士，教授，研究方向為化工分離過程工藝開發及設備研究。E-mail sxl64779176@126.com。