基于Aspen Plus的異丁烯氧化法制取MMA流程模擬

張麗君，王炎江，趙紫光

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北滄州061000）

如果想要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的化工流程模擬，首先需要查閱文獻(xiàn)，尋找模擬設(shè)備需要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而建立合理的流程。然后對(duì)流程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，包括塔設(shè)備以及反應(yīng)器等，再進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析，調(diào)節(jié)換熱網(wǎng)絡(luò)圖，減少冷熱工程消耗量，使建立的模擬流程更加合理。

1 建立流程

我們的主要目的是通過(guò)異丁烯氧化法制備甲基丙烯酸甲酯（MMA），并且在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物如叔丁醇，二甲醚，甲醇等。我們以C4為原料生產(chǎn)MMA，將流程分為四個(gè)工段。

第一工段為C4制取甲基叔丁醚（MTBE）。首先讓原料C4和原料甲醇進(jìn)入原料混合器，混合后經(jīng)換熱器進(jìn)入反應(yīng)器。該反應(yīng)器為固定床式反應(yīng)器，該反應(yīng)的適宜溫度為35～55攝氏度之間，我們?nèi)?5攝氏度（該反應(yīng)器的反應(yīng)溫度參數(shù)無(wú)需再優(yōu)化）。在該反應(yīng)器中，C4中的異丁烯與甲醇反應(yīng)得到MTBE，同時(shí)還會(huì)生成少量的副產(chǎn)物。

第二工段是通過(guò)MTBE裂解生成高純異丁烯，來(lái)自第一工段的MTBE經(jīng)過(guò)MTBE處理塔后以氣相的形式進(jìn)入裂解反應(yīng)器，反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)入冷卻吸收塔進(jìn)行大致提純，得到的產(chǎn)物異丁烯進(jìn)入異丁烯水洗塔、異丁烯脫重塔、異丁烯脫輕塔最終獲得高純異丁烯。同時(shí)，通過(guò)利用甲醇精餾單元對(duì)甲醇進(jìn)行精制，得到的高濃度的甲醇作為副產(chǎn)品。

第三個(gè)工段是由高純異丁烯制備甲基丙烯醛（MAL）。異丁烯、氧氣、氮?dú)饧八魵猓ㄔ蠚獾哪柦M成為 I-C4H8：H2O∶O2：N2=1∶1.5∶2∶12）進(jìn)入混合器混合，加熱至反應(yīng)溫度后進(jìn)入MAL合成反應(yīng)器，在催化劑80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20 Si的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，隨即反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)換熱器進(jìn)入MAL水洗塔，脫水后進(jìn)入MAL精餾塔。

第四個(gè)工段為MAL制取MMA，MMA合成工段主要包括精餾塔，反應(yīng)器，相分離器。MAL混合物與氧氣、甲醇進(jìn)入混合器混合然后進(jìn)入MMA合成反應(yīng)器。反應(yīng)產(chǎn)物先經(jīng)進(jìn)入分離器，然后讓脫水后的MMA流進(jìn)精餾塔最終得到高純度MMA。精餾塔的作用是采用水作為萃取劑，將來(lái)自MMA合成反應(yīng)器的反應(yīng)液中的MMA通過(guò)萃取精餾分離出來(lái)。相分離器的作用是將液體MMA和水通過(guò)Decanter液液傾析器模塊，塔的中上部采出MMA，塔底采出水。

表1

2 參數(shù)優(yōu)化

模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，已達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最好或者節(jié)能效果最佳的目的，對(duì)塔設(shè)備和反應(yīng)器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化可達(dá)到節(jié)能效果。

在建立全流程模擬的過(guò)程中，對(duì)一些參數(shù)已經(jīng)找到了最優(yōu)方案，這些參數(shù)包括每個(gè)精餾塔的塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料位置以及吸收塔的氣液比等。將整個(gè)流程打通之后，先對(duì)流程中所用的所有未優(yōu)化的塔設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，找出最優(yōu)進(jìn)料板位置、回流比、理論塔板數(shù)以及吸收塔的氣液比。其中一些操作壓力和進(jìn)料溫度等參數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)確定的最佳操作條件，所以不需要優(yōu)化這些參數(shù)。

3 換熱網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，這不可避免地導(dǎo)致能源消耗大幅增加。我國(guó)的能源現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，大量的能源消耗已經(jīng)超過(guò)了預(yù)期消耗值，節(jié)約能源和提高能源利用率是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

換熱能減少能耗，亦可降低經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，因此換熱是化工生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一部分。本項(xiàng)目分為混合C4制取MTBE工段、MTBE裂解制取高純異丁烯工段、異丁烯制取MAL工段和MAL制取MMA工段共四個(gè)工段。針對(duì)整個(gè)工藝流程的相關(guān)特性和布置情況，進(jìn)行了如下的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

（1）利用Aspen EnergyAnalyzer的自動(dòng)導(dǎo)入功能將全流程bkp形式的文件導(dǎo)入軟件，對(duì)流股進(jìn)行分析，得出總成本與最小換熱溫差的關(guān)系、夾點(diǎn)個(gè)數(shù)、夾點(diǎn)溫度以及溫焓圖。

（2）先選擇自動(dòng)換熱網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)生成自動(dòng)換熱方案。從生成的方案中綜合考慮換熱器個(gè)數(shù)，冷熱工程消耗量以及由于換熱面積所產(chǎn)生的設(shè)備投資費(fèi)用，選取最優(yōu)方案。

（3）得到初步換熱集成網(wǎng)絡(luò)圖后，我們開(kāi)始進(jìn)行手動(dòng)換熱，主要從流股不穿過(guò)夾點(diǎn)，減少換熱器數(shù)量，減少換熱器的換熱面積，減少冷熱工程的消耗量等方面入手，在不斷地調(diào)整之后，獲得更加節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)。

（4）將最終得到的換熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到Aspen Plus流程模擬中，比如更換換熱器的類(lèi)型，將單股換熱器換成兩股換熱器，以便進(jìn)行股間換熱以減少熱消耗，其余未換熱的流股則通過(guò)冷熱公用工程實(shí)現(xiàn)換熱，從而完成整個(gè)流程的換熱。

該項(xiàng)目基于經(jīng)濟(jì)投入和節(jié)能的綜合效應(yīng)優(yōu)化了換熱網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)所需要的換熱器數(shù)目為23臺(tái)，包含用于股流之間的換熱的換熱器11臺(tái)。熱集成前后冷熱公用系統(tǒng)比較如表1。

由上表1可知，換熱網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅降低了能耗并且達(dá)到了節(jié)能的目的。