乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優化研究

摘 "要""為獲得性能更好的丁二烯同時降低能耗，研究一種優化控制乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量的方法。分析該工藝中進樣量、進樣儀器以及延時時間對溶劑含水量的影響，結果表明，所提溶劑含水量優化控制方法能夠降低能耗，提升萃取精餾效率，且控制后含水量較低，使用閃蒸儀進樣，當進樣量為2～3 g、延時時間為8～12 s時，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制效果最好。

關鍵詞""丁二烯 "溶劑含水量 "乙腈法 "萃取精餾 "控制優化" " " DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406023

中圖分類號""TQ221""""""""""""""""""文獻標志碼 "B""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

近年來，我國乙烯工業已經取得突飛猛進的發展，乙烯裂解過程中會產生較多的C4餾分，充分利用該餾分能夠綜合提升區域經濟發展，同時還能優化煉化企業的資源利用率[1]。丁二烯是C4烴中含量最多的成分，在共軛雙鍵的作用下，丁二烯能夠出現聚合反應、取代反應等作用，基于此，丁二烯廣泛應用于有機合成方面。已有研究表明，使用丁二烯能夠合成己二胺、樹脂及尼龍等化學品，同時還能作為汽油的添加劑或普通物質的粘合劑[2～4]。丁二烯主要使用萃取精餾工藝獲得，以乙烯裂解后的產物C4為原材料，一般使用兩段萃取精餾法脫除C4中的丁烯和丁烷，使用普通精餾方式去除丙炔、水分等，經過兩次精餾后最終獲得丁二烯[5]。

筆者采用乙腈法萃取丁二烯。乙腈法萃取工藝的萃取溶劑為含水乙腈，含水乙腈的使用會受到塔釜溫度和乙腈種類的影響。乙腈中含水量不同會影響組分之間的相對揮發度，乙腈含水量越高，揮發度的影響越低。但若為了降低揮發度的影響而增加含水量，則會降低乙腈濃度，萃取液會出現明顯的分層，導致能耗過高，造成萃取工藝缺乏經濟性，另外含水量較大的乙腈也會導致萃取效果不佳[6～8]。反之，如果乙腈含水量過小，會導致丁二烯在萃取過程中出現自聚現象，縮短裝置的運行周期。綜上，控制乙腈法萃取過程的含水量，對于丁二烯最終萃取效果至關重要。在此，筆者研究一種乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優化方法，一方面降低丁二烯萃取精餾能耗，另一方面控制乙腈含水量，從而優化丁二烯的萃取精餾質量。

1 "含水量控制優化方法

1.1nbsp;"乙腈法萃取精餾丁二烯工藝流程

乙腈法萃取精餾丁二烯工藝流程如圖1所示。

首先向C4餾分中添加氫氣。為了實現預熱，向C4餾分中添加循環萃取劑，完成預熱后將C4餾分置于萃取精餾塔中，將冷卻后的循環萃取劑同樣添加到萃取精餾塔中[9]。向汽提塔輸送從塔釜獲取的萃取劑與丁二烯。萃取劑在汽提塔塔釜中循環使用。從汽提塔輸出粗丁二烯，粗丁二烯經管道輸送至水洗塔中。由于粗丁二烯中含有大量的乙腈，為獲得丁二烯，需要使用脫氧水在水洗塔中將乙腈洗除，完成洗滌后的粗丁二烯通過管道輸送至脫水塔中，完成脫水后經管道輸送至精餾塔，經過充分精餾后，最終獲得完成萃取的丁二烯[10]。

1.2""節能優化措施

1.2.1""水耗優化

乙腈法萃取精餾丁二烯時會產生一部分熱水，這些熱水能夠提供萃取所需的熱量。冬季為節省能源會將多余的熱水排至取暖系統中，冷卻后的水繼續作為補給水用于萃取精餾[11]。這種循環使用的方式不僅可以幫助企業降低采暖費用，同時還可以實現水資源的循環利用。另外，萃取精餾裝置部分機械泵為屏蔽泵，該泵在未改造時需要在夏季高溫環境中使用流動水實現降溫，經過筆者所提優化方法改造后利用乙腈法萃取精餾產生的冷凝水實現機械自體降溫，可使機械泵的溫度保持在35 ℃±2 ℃，極大地避免了水資源的浪費。

1.2.2""電耗優化

傳統的萃取精餾工藝使用的是離心泵，而文中乙腈法萃取精餾工藝使用屏蔽泵替換其中一臺離心泵。開車期間，使用離心泵推動整個裝置運行，待裝置進入正常狀態后使用屏蔽泵即可完成相應工作。屏蔽泵比離心泵電耗更低，每小時可節約68 kW電能，且實際運行時具有更高的安全性[12]。

萃取精餾工藝使用兩套水循環場，在水洗塔頂部安裝了一個風機幫助循環水降溫，經過優化改造后，使用水輪機代替風機，該水輪機利用永動機原理，能耗比風機更低。而且進入冬季后氣溫降低，在確保萃取精餾各裝置平穩運行的前提下可以適當關閉水輪機，達到節省電耗的目的。

1.2.3""氣耗優化

乙腈法萃取精餾需要消耗大量蒸汽，將原換熱器出口控制方式改為入口控制方式，實現再沸器控制，改造后大幅降低了裝置蒸汽的消耗。

1.3""乙腈法萃取精餾含水量控制優化方法

1.3.1""確定溶劑含水量

操作壓力下乙腈等溶劑的沸點（即汽提塔釜溫度）受含水量影響，故萃取精餾丁二烯時的乙腈含水量可以通過塔釜溫度反映出來。按照研究經驗，當乙腈含水量為8%時，萃取精餾效果最好。由此可以確定一個溶劑含水量，其與塔釜溫度變化之間存在對應關系。依據經驗當塔釜溫度設定為140 ℃時，有如下關系式：

其中，代表汽提塔底控制溫度；與分別代表汽提塔底壓力與塔釜溫度和塔釜壓力之間的變化比例。

汽提塔中的參數隨時可能發生變化，根據式（1）的計算結果，只要確保塔釜壓力、溫度和溶劑8%的含水量，即使未獲得相關分析數據，依舊能夠適當調整塔釜裝置，防止乙腈法萃取精餾時出現溶劑含水量波動過大的情況，實現溶劑返回量的精確控制。

1.3.2 "溶劑含水量調整方式

乙腈法萃取精餾丁二烯時，若無法將含水量控制在目標之內，就需要調整整個乙腈法萃取精餾裝置的補水節點與脫水節點。相關節點情況如下：

a. 調整萃取塔頂脫水。萃取塔頂的工作原理是C4和水一同反應產生共沸物，該共沸物向萃取塔頂端的回流罐流動，該階段C4和水分離，其中水向水包流動，并最終流向溶劑回收系統。循環溶劑含水量、C4負荷和回流罐沉降時間均與水包的脫水量有關，因此僅調整水包脫水量無法實現含水量調整控制[13，14]。

b. 回收乙腈濃度調整。乙腈含水量控制可以從溶劑回收系統返回量的角度出發，溶劑回收系統能夠在固定范圍內實現乙腈濃度的有效控制。實際萃取精餾時，通過調整溶劑回收系統的變化幅度，穩定溶劑含水量的變化，避免出現含水量過量的情況。這種調整僅在系統內部操作，不會摻入系統外部的水，方便計算乙腈含水量，同時水量在內部也僅呈現出較小的變化趨勢，溶劑回收系統負擔較小，關聯系統的負擔較小，操作難度較小。

1.3.3""回收乙腈濃度控制

若系統出現較高的溶劑含水量，需要適當增加回收乙腈濃度，避免大量水進入溶劑系統，使得回收乙腈濃度降低。回收乙腈濃度調整幅度過大或者過小都會嚴重影響系統的穩定性，故為了獲得穩定的溶劑含水量，需要快速判斷回收溶劑濃度[15]。在固定操作壓力下，物料成分組成可以通過混合氣體溫度反映。

實際萃取精餾過程中，受外界多種因素影響回收乙腈濃度會出現不同程度的波動，導致乙腈循環系統水量失衡，通過汽提塔釜參數變化能夠確定含水量的變化，基于此可以根據回收塔的溫度變化控制乙腈濃度，從而使得溶劑含水量保持穩定。

1.4""進樣對含水量控制的影響

使用乙腈法萃取精餾工藝獲得丁二烯時，即使C4原料的化學成分相同，但是只要進樣量存在差異，就會導致精餾后丁二烯中的水分和溶劑含水量發生變化。為實現乙腈含水量的優化控制，將閃蒸儀與第一萃取塔相連，實現原料進料，同時采用毛細管進樣方法（老式進樣方法）采集含水量數據，對比優化前后含水量的控制效果。

根據研究經驗，進樣量設為1 g、2～3 g、5 g共3種情況，設定恒溫、恒壓、可控氣流試驗環境，各進樣量下均使用閃蒸儀進樣，研究不同進樣量對乙腈法萃取精餾丁二烯溶劑含水量的影響。另外，進樣時如果發生延時，也會影響乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量的變化，為此在相同進樣量，恒溫、恒壓環境下，分析不同延時時間（4～32 s）對溶劑含水量的影響。

2 "結果分析

2.1""能耗優化對比

統計一年12個月內乙腈法萃取精餾丁二烯工藝優化前后的水耗、電耗和氣耗，對比數據見表1。可以看出，各項能耗雖然隨著時間的推移呈現上升趨勢，但是經過優化后乙腈法萃取精餾丁二烯工藝各項能耗顯著低于優化前，說明使用優化的乙腈法萃取精餾丁二烯工藝能夠更加高效地實現丁二烯的萃取精餾，達到了節能降耗、節省工藝成本的目的。

2.2 "乙腈濃度控制及含水量優化對比

溶劑回收塔頂溫度與回收乙腈濃度之間的關系如圖2所示。可以看出，隨著溶劑回收塔頂溫度的上升，回收乙腈濃度呈現下降趨勢，二者之間保持這種穩定的反比例關系能夠保證溶劑含水量保持穩定狀態。

對比萃取精餾優化前后丁二烯含量和溶劑含水量的變化，結果列于表2。可以看出，優化前丁二烯含量變化幅度較大，每日萃取結果不穩定，造成系統頻繁調整，穩定性較差；優化后，11天的丁二烯含量采樣結果基本一致，含量波動不大，說明經過控制優化后的萃取精餾丁二烯工藝具有顯著優勢，極大地提高了控制的穩定性。對于溶劑含水量，優化前，11天的采樣結果差異較大，溶劑含水量波動幅度較大，導致萃取精餾丁二烯效率較低；優化后，溶劑含水量得到了有效控制，各采樣數值較為穩定，說明使用文中萃取精餾控制優化方法能夠解決含水量頻繁波動問題，顯著改善丁二烯萃取精餾效果。

2.3""進樣量對含水量的影響

使用閃蒸儀實現進樣，2～3 g進樣量范圍下，優化前后含水量變化情況見表3。可以看出，隨著進樣量增加，溶劑含水量升高，但是優化前使用毛細管進樣方法進樣的溶劑含水量變化無規律，說明進樣量遞增，不會約束溶劑含水量產生規律性變化。優化后，在第一萃取塔的位置安裝閃蒸儀進樣后，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量普遍較低，且隨著進樣量增加呈現出較為規律的增長趨勢；在2～3 g進樣量范圍下，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量增長速度較慢，屬于工藝可接受范圍。

3種進樣量范圍下，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量數值見表4。可以看出，各進樣量范圍下，隨著進樣量增加溶劑含水量呈現出逐漸降低的趨勢，但1 g、5 g進樣量范圍下的溶劑含水量均較高，不符合乙腈法萃取精餾丁二烯工藝的實際要求。綜上，選擇2～3 g進樣量范圍，有利于維持適宜的溶劑含水量。

分析不同進樣延時時間下乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量的變化情況，結果見表5。可以看出，延時時間為8、12 s時，乙腈法萃取精餾丁二烯工藝溶劑含水量在10 mg/kg以下，其余延時時間下，含水量均超過10 mg/kg，較高的含水量不利于實現丁二烯的萃取精餾，因此實際使用乙腈法萃取精餾丁二烯時，延時時間宜選擇8 s或12 s。

3 "結束語

乙腈法萃取精餾丁二烯工藝是目前較為先進、較為有效的方法，但該工藝在實際使用時會出現多種問題，其中溶劑含水量對于萃取精餾效果影響較大。筆者通過優化乙腈法萃取精餾丁二烯工藝，提出一種溶劑含水量的優化控制方法。通過調整回收乙腈濃度，控制萃取精餾的溶劑含水量。經過試驗分析發現，使用優化后的乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制方法，各項能耗均不同程度的降低，丁二烯含量、溶劑含水量穩定性得到了提升，2～3 g進樣量范圍能夠保證穩定合理的含水量值，當延時時間為8 s或12 s時含水量低于10 mg/kg，有利于穩定控制溶劑含水量，獲得較好的丁二烯精餾萃取效果，最終達到節能降耗、節省企業成本的目的。

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（收稿日期：2024-01-19，修回日期：2024-10-30）

作者簡介：徐麗君（1977-），高級工程師，從事泛在化工工程技術中叔丁醇、甲乙酮、丁二烯方面的應用研究。

通訊作者：徐明磊（1989-），工程師，從事化工設計工作，xunxunfen8g@163.com。

引用本文：徐麗君，徐明磊，杜京芳.乙腈法萃取精餾丁二烯工藝含水量控制優化研究[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.