甲基叔戊基醚反應(yīng)精餾過程的穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)控制

亢玉紅，張蕓剛，高 鑫，李 健

（1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000；2.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車尾氣的大量排放導(dǎo)致城市環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，發(fā)展環(huán)境友好型車用催化裂化汽油已成為當(dāng)下亟待解決的重要問題［1-3］。甲基叔戊基醚（TAME）可通過異戊烯（主要是2-甲基-1-丁烯（2M1B）和2-甲基-2-丁烯（2M2B））與甲醇發(fā)生醚化反應(yīng)獲得，與傳統(tǒng)的汽油添加劑相比較，TAME具有高辛烷值、低沸點(diǎn)、低蒸氣壓、高能量密度和無毒等優(yōu)異特性［4-5］，因此，TAME的生產(chǎn)及應(yīng)用備受關(guān)注［6-8］。

本工作借助Aspen Plus流程模擬軟件對異戊烯與甲醇醚化合成TAME的反應(yīng)精餾及分離過程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)控制設(shè)計(jì)，為該工藝過程的設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)的開停車方案與故障診斷提供了可靠的技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)規(guī)定

C5進(jìn)料量為1 228.2 kmol/h，其中，2M2B的摩爾分?jǐn)?shù)為0.091，2M1B的摩爾分?jǐn)?shù)為0.011，甲醇摩爾分?jǐn)?shù)為0.153，TAME摩爾分?jǐn)?shù)為0.102，戊烯（1-戊烯與2-戊烯）摩爾分?jǐn)?shù)為0.163，異戊烷（IC5）摩爾分?jǐn)?shù)為0.480；新鮮甲醇進(jìn)料量為235.0 kmol/h。分離要求：反應(yīng)精餾塔塔底獲得99%（x）的TAME，精制塔塔頂與塔底分別采出99.9%（x）的甲醇和水，甲醇循環(huán)使用。

圖1為IC5/甲醇/TAME在0.4 MPa下的三元相圖。從圖1可發(fā)現(xiàn)，該體系的相平衡因共沸現(xiàn)象的存在變得極為復(fù)雜，因此，精制塔中甲醇/水體系采用van Laar等式，反應(yīng)精餾塔、脫C5塔使用UNIQUAC物性方法。

圖1 IC5/甲醇/TAME在0.4 MPa下的三元相圖Fig.1 Ternary phase diagram of IC5/CH4O/TAME at 0.4 MPa.TAME：tert-amyl methyl ether；IC5：i-pentane.

2 TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬

2.1 醚化反應(yīng)過程

異戊烯和甲醇經(jīng)醚化反應(yīng)合成TAME的液相可逆過程見式（1）～（3）［4，9］。

其中，可逆反應(yīng)（1）、（2）和（3）的動力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 醚化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetics parameters of etherification reaction

2.2 塔設(shè)備的模擬與優(yōu)化

反應(yīng)精餾塔、脫C5塔和精制塔塔內(nèi)不同塔板上各組分的變化見圖2。從圖2可看出，反應(yīng)精餾塔塔底采出TAME的純度在理論塔板數(shù)為35塊保持恒定，為99.58%（x）；脫C5塔塔頂采出的IC5的純度在理論塔板數(shù)為12塊保持恒定，為61.81%（x）；精制塔塔頂采出的CH4O和塔底采出H2O的純度在理論塔板數(shù)為33塊保持恒定，分別為99.92%（x）和99.95%（x）。由此可確定反應(yīng)精餾塔、脫C5塔和精制塔的總理論塔板數(shù)分別為35，12，33塊。

在TAME的反應(yīng)精餾及分離過程中，進(jìn)料位置對系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，選擇適宜的進(jìn)料位置可有效地減少系統(tǒng)設(shè)備投資和操作成本［10-11］。反應(yīng)精餾塔、脫C5塔和精制塔組分在不同進(jìn)料位置下反應(yīng)產(chǎn)物純度和再沸器熱負(fù)荷的變化情況見圖3。從圖3a可看出，反應(yīng)精餾塔中甲醇的進(jìn)料位置在第3～30塊塔板間，TAME產(chǎn)物的純度與再沸器的熱負(fù)荷保持恒定，結(jié)合圖2a可確定，甲醇的最佳進(jìn)料位置為第23塊塔板；同理，可確定C5組分的最佳進(jìn)料位置為第28塊塔板。

圖2 塔內(nèi)不同塔板上組成分布曲線Fig.2 Composition distribution curves of different plates in column.

圖3 反應(yīng)精餾塔產(chǎn)物純度與熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線Fig.3 Curves of change of the purity of the reaction distillation column product and heat load along with the feed location.Qr：heating load.

整個工藝系統(tǒng)要求在脫C5塔塔底最大限度采出CH4O，圖4為脫C5塔CH4O流量與熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線。圖4a結(jié)合圖2b可確定物料流股D1的進(jìn)料位置為第7塊塔板；同理，H2O的進(jìn)料位置為第2塊塔板。

在保證精制塔塔頂和塔底分別獲得較高純度的CH4O和H2O的同時，要求再沸器的熱負(fù)荷有最小值［12］。圖5為精制塔產(chǎn)品純度與熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線。從圖5可看出，進(jìn)料板位置選擇在第12塊塔板時，滿足上述要求。

圖4 脫C5塔CH4O流量與熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線Fig.4 Curves of change of C5-removing column CH4O flux and heat load along with the feed location.F(CH4O)：feeding flux of CH4O.

圖5 精制塔產(chǎn)品純度與熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線Fig.5 Curves of change of refinery column product purity and heat load along with the feed location.

回流比對工藝系統(tǒng)的能耗及產(chǎn)品的質(zhì)量影響非常大［13-14］，綜合工藝系統(tǒng)的特性并選擇合適參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了反應(yīng)精餾塔、脫C5塔和精制塔的操作回流比分別為4.0，0.4，2.7。采用斜率判據(jù)法對反應(yīng)精餾塔、脫C5塔和精制塔塔內(nèi)相鄰兩塊塔板間的溫度進(jìn)行比較，確定了各塔的靈敏板位置分別為第20，6，27塊塔板，整個工藝系統(tǒng)優(yōu)化后的操作參數(shù)見圖6。

2.3 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

通過對整個工藝系統(tǒng)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，將獲得的工藝參數(shù)輸入新模擬工藝系統(tǒng)并進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

圖6 TEMA反應(yīng)精餾系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)Fig.6 Steady-state design of TEMA reaction distillation system.

表2 TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)工藝物流模擬結(jié)果Table 2 Process stream simulation results of TAME reaction distillation system

從表2可知，反應(yīng)精餾塔塔底流股中TAME純度為99.58%（x），脫C5塔塔頂物料流股中CH4O的含量僅為0.02%（x），精制塔塔頂CH4O的純度和塔底H2O的純度分別為99.92%（x）和99.95%（x），工藝系統(tǒng)模擬結(jié)果完全符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3 TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)動態(tài)控制評價

3.1 TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)動態(tài)控制結(jié)構(gòu)

通過Aspen Plus對TAME反應(yīng)精餾工藝系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬并獲得基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用Aspen Dynamic建立PID動態(tài)控制結(jié)構(gòu)［15-16］。在操作過程中，當(dāng)進(jìn)料流量和進(jìn)料組分發(fā)生擾動時，在保證分離目標(biāo)的同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的過程操作，控制器FC和CH4O-FC分別對C5和CH4O的進(jìn)料流量進(jìn)行負(fù)反饋控制，控制器PC對各塔塔頂冷凝器壓力進(jìn)行負(fù)反饋控制，塔頂液位控制器DLC和塔釜液位控制器SLC分別對各塔的回流罐及塔釜液位進(jìn)行正反饋控制，溫度控制器TC對各塔的靈敏板溫度進(jìn)行負(fù)反饋控制，組分控制器CC對各塔的塔頂采出組分進(jìn)行負(fù)反饋控制，其中，TC與CC之間形成串級控制保證采出組分的質(zhì)量。

3.2 T AME反應(yīng)精餾系統(tǒng)動態(tài)控制結(jié)果

TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)在進(jìn)料流量發(fā)生±20%擾動時的動態(tài)控制結(jié)果見圖7。從圖7可看出，進(jìn)料流量發(fā)生±20%擾動從2 h開始，依次為進(jìn)料流量擾動、反應(yīng)精餾塔塔底TAME的采出量及塔頂輕組分的采出量、產(chǎn)品TAME的純度、精制塔塔頂CH4O的純度與塔底H2O的純度變化情況。產(chǎn)品TAME在3 h后達(dá)到穩(wěn)定值，且純度保持在99.6%（x），系統(tǒng)中精制塔塔頂和塔底采出的CH4O及H2O純度經(jīng)歷波動4 h后達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值，且系統(tǒng)中TAME，CH4O，H2O的純度變化曲線均為典型的衰減震蕩型，反應(yīng)精餾塔塔頂及塔底的采出量與進(jìn)料流量呈正比關(guān)系。滿足設(shè)計(jì)規(guī)定要求，符合實(shí)際操作工況。

圖7 進(jìn)料流量發(fā)生±20%擾動時的動態(tài)控制結(jié)果Fig.7 Dynamic control result with ±20% feed flux disturbance.

圖8為TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)在進(jìn)料組成發(fā)生±20%變化時的動態(tài)控制結(jié)果。其中，+20%的組分情況為IC5增加20%、CH4O減少10%、2M2B減少9%、2M1B減少1%；-20%的組分情況為IC5減少20%、CH4O增加10%、2M2B增加9%、2M1B增加1%。從圖8可看出，進(jìn)料組成發(fā)生±20%擾動從2 h開始，依次為進(jìn)料組成擾動、C5進(jìn)料流量、反應(yīng)精餾塔塔底TAME的采出量及塔頂輕組分的采出量、精制塔塔底H2O的采出量、精制塔塔頂CH4O的純度與塔底H2O的純度變化情況。各項(xiàng)控制指標(biāo)在組分?jǐn)_動情況下，TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)中各工藝指標(biāo)均可在較短的時間內(nèi)達(dá)到實(shí)際工況數(shù)值，滿足要求。因此，工藝系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)控制結(jié)果可為工藝過程的設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)的開停車方案與故障診斷提供可靠的技術(shù)支持，具有一定的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

圖8 進(jìn)料組成發(fā)生±20%擾動時的動態(tài)控制結(jié)果Fig.8 Dynamic control result with ±20% feed composition disturbance.FH2O(C3)：reaction distillation column bottom flow rate of H2O.

4 結(jié)論

1）在設(shè)計(jì)規(guī)定的要求下，通過穩(wěn)態(tài)模擬獲得TAME反應(yīng)精餾系統(tǒng)中各操作設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，反應(yīng)精餾塔塔底流股中TAME純度為99.58%（x），脫C5塔塔頂物料流股中CH4O的含量僅為0.02%（x），精制塔塔頂CH4O的純度和塔底H2O的純度分別為99.92%（x）和99.95%（x），工藝系統(tǒng)模擬結(jié)果完全符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

2）通過Aspen Dynamic建立了系統(tǒng)過程的動態(tài)控制結(jié)構(gòu)，動態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可全滿足分離規(guī)定設(shè)計(jì)要求，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3）工藝系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)控制結(jié)果可為工藝過程的設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)的開停車方案與故障診斷提供可靠的技術(shù)支持，具有一定的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

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