丙烷-丙烯萃取精馏过程的模拟研究

石油与天然气化工CHEMICAL ENGINEERING OF OIL & GAS2006NAAN GAS TREATMENT AND PRXZSSA丙烷一丙烯萃取精馏过程的模拟研究杨德明(江苏工业学院化工系)摘要借助 ASPEN PLUS软件,对丙烷一丙烯体系萃取精馏过程所用的溶剂进行了筛选,得到一种最佳的萃取剂。在此基础上,对该体系的萃取精馏过程进行了模拟计算,确定了萃取精馏过程的最佳工艺操作条件,设计计算了萃取精馏板式塔的工艺参数,为丙烷一丙烯萃取精馏分离工艺工业化提供理论依据和设计参考。主题词 ASPEN PLUS软件萃取精馏溶剂模拟上世纪70年代以来,由于对丙稀衍生物需要量的取剂进入丙烯塔,塔顶分馏出丙烯产品,塔底萃取剂循剧增,现代乙烯工厂对丙稀的生产极为重视,因而裂解环使用。装置中增加裂解气中丙烯与乙烯的比例已变得越来越重要了。特别是近年来乙烯装置的不断改扩建,使得丙烯的回收处理具有极其重要的意义。裂解产物中丙丙烷补充萃取剂烯和丙烷以混合物的形式出现,因此研究的重点是丙循环萃取剂烷与丙烯的分离。丙烷和丙烯的沸点只相差5℃左C3原料右,用常规的精馏方法很难分离。工业上通常采用低压精馏和高压精馏两种操作方式121。采用低压法,丙烯丙烷相对挥发度高,从而减少塔板数和回流比,但塔顶需采用比冷却水低的冷剂冷凝,需要增设一套制图1丙烷-丙烯萃取精馏流程冷机,从而增加了投资。而高压法由于顶温高于冷却水温度,可以用循环冷却水冷凝产生回流,塔釜则可用低压蒸汽或热水加热,设备简单,缺点是回流比太大1.2萃取精镏计算塔板数较多。近年来丙烯塔大多采用高压及塔顶水冷目前C4混合气中烷烃和烯烃的萃取分离所采用系统但高压法存在相对挥发度低、回流比大、塔板数的萃取剂一般为二甲基甲酰胺N-甲酰吗啉及乙晴多等诸多缺点。等3-6。由于烷烃和烯烃在这些溶剂中蒸汽压的差国内对C混合气中烷烃和烯烃萃取分离的研究别,从而增大了烷烃和烯烃的相对挥发度而得以分离。比较多,有些已工业化。而对于C混合气中烷烃和烯本文参考C混合气中烷烃和烯烃的萃取分离研究结烃的萃取分离研究则比较少,更无工业化的例子。果,提出如下一些萃取剂:环丁砜糠醛、甲乙酮、三本文研究拟采用萃取精馏分离C3混合气中烷烃和烯甲基甲酰胺(DMF)、N-甲酰吗啉(NFM)、N-甲基吡烃首先针对该分离体系筛选出.种比较有效的萃取咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、乙晴(ACN)、丁晴剂,然后确定该萃取精馏的最佳工艺操作条件,设计计等,用于C3混合气中丙烷和丙烯的萃取分离模拟研算该萃取精馏分离塔设备的结构参数,为工业装置的。设计提供理论依据和参考。以某厂提供的混合气数据为模拟条件:进料量1500kg/h,组成(均为质量分数,下同)为:C1+C21萃取剂的筛选(0.2%)、C2(0.2%)、C?(32.1%)、C3(67.5%)。11萃取精馏模拟流程利用A中国煤化工馏模块(Ra如图1所示,混合气C3进入塔的中部,萃取剂由和设CNMHG用由 Fredenslund等萃取塔顶的第六块板加入,塔的顶部设有五块板作为人提出的 UNIFAC基团贡献法活度系数计算模型1溶剂回收段。萃取塔顶分馏出丙烷,丙烯在塔底随萃模拟C混合气在所提出的萃取剂体系中的分离效果。第35卷第1期丙烷一丙焐萃取精馏过程的模拟研究模拟计算时规定:萃取塔理论板数为60块,塔顶留有5块溶剂回收段,回流比为3.5,塔压1.8MPa,塔顶馏出液流量为490kg/h;丙烯塔理论板数为35块,回流208%比为3.0,塔压1.6MPa,塔顶馏出液流量为1010kg/h92。模拟过程中通过改变溶剂比(溶剂/进料量),考察9088了不同萃取剂的分离效果。表1列出了所有萃取剂在86溶剂比为5.0条件下的模拟结果。可以看出,C3ACN、C3-丁晴体系的萃取分离效果比较好,而C3420ACN体系的萃取分离效果最好。文献[1]和文献[9]乙晴含水量,C,%也报道了C3-ACN体系的萃取研究,认为在C3图2乙晴含水量对萃取精馏的影响ACN体系加入一定的水其分离效果会更好。2.1.2溶剂比的影响表1溶剂比为5.0条件下各萃取剂的分离效果因为原料中各碳三组分在不同恒定浓度的溶剂中溶剂丙烷塔塔顶组成,,%丙烯塔塔顶组成,a,%的分配系数不同,因而溶剂比对丙烯的收率、产物中丙环丁砜0.570.5745.6351.17/0.0225.6374.35烯的含量也会有很大的影响。仍以前面的模拟条件为糠醛0.600.3123.7573.35例,取不同的溶剂比(含水13%的乙晴与进料的比值甲乙酮0.610.4545.1652.540.0825.8674.06进行模拟计算,计算结果见表2。DMF0.620.280.1638.8061.04NFM0.600,2267,4431.760.1915.2184.60表2溶剂比对萃取精馏的影响NMP0.590.2766.5532.550.1715.6484.19溶剂比产物中丙烯的两塔底总的THF0.600.2964.3634.740.1616.6983.15含量,a,%热负荷,kWACN0.620.1690.169.04/0.224.3695.421198丁晴0.610.2180.9218.260.208.7791.03050591.295.332乙晴萃取精馏的模拟97.675.099.52根据以上萃取剂的筛选结果,以上面某厂提供的1511混合气数据为模拟条件,以乙晴的萃取精馏为研究对象,通过工艺模拟计算来定量分析工艺参数对工艺过99.8l16381702程的影响,并根据模拟结果确定比较合适的操作工艺参数,在此基础上,进行分离塔工艺设计。从表2可以看出:当溶剂比为5.0时,丙烯产品已2.1萃取工艺操作参数的确定经达到一级指标(≥99.2%);当溶剂比为5.5时,丙2.1.1乙晴含水量的影响烯产品已经达到优级指标(≥99.6%)。为了满足工由于各碳三组分在乙腈溶剂中的活度系数与乙腈艺要求,同时节约塔的操作费用,采用5.0~5.5的溶溶剂的含水量有关,所以乙腈溶剂的含水量会对丙烯剂比是较为合适的,大于6.0的溶剂比对工艺过程及的收率和产物中丙烯的含量有很大的影响。利用产品指标意义不大。ASPEN PLUS软件中的萃取精馏模块( Radfrac),在规2.1.3回流比的影响定丙烯产量不变的情况下,通过改变乙晴中的含水量,回流比(对萃取塔而言)除对萃取精馏的产品质模拟计算了乙晴含水量对萃取精馏的影响,结果见图量有较大的影响外,还对塔的操作费用有直接的影响。仍以前面的模拟条件为例,在溶剂比为50的条件下从图2可以看出:乙晴含水量对萃取精馏有很大取不同回流比情况下进行模拟计算,计算结果见表3。影响,当含水量为13%(u)时,产物中丙烯的含量最从表3可以看出:当回流比为35时,丙烯产品已高,并且可以达到99.52%。计算中发现,当含水量超经过30%时,在计算萃取塔时软件运行出现错误,因为到优中国煤化工时,内烯产品已经达十工艺过程已无明显改水含量超过一定比例后,塔板上存在两个液相,水的计善CNMH约10.0%-20.0%。算就按自由水处理,就不能按一般的萃取精馏计算,因以上模拟结果表明:增大溶剂比或回流比均有利而软件计算终止。于提高产物中丙烯的含量,若欲得到一级品,比较合适石油与天然气化工CHEMICAL ENGINEERING OF OIL GAS2006的条件是溶剂比50和回流比35;若欲得到优级品,取精馏过程得到一种最佳的萃取剂:含水量为13%比较合适的条件是溶剂比5.5和回流比3.5。由表2(ω)乙晴-水体系,确定了该萃取精馏过程的最佳工和表3可以看出,虽然在溶剂比50、回流比4.0的条艺操作条件为:溶剂比50-55,回流比3.5。在此基件下也能得到优级品,但能耗要高出约5%。础上,设计计算了该分离体系的萃取精馏筛孔塔塔板表3回流比对苯取精馏的影响结构参数。以上工艺条件可以分离得到优级品的丙烯产品。流比产物中丙烯的两塔底总的含量,c,%热负荷,kW参考文献87.651廖波,雷志刚等含水乙晴萃取精馏分离丙烷/丙烯的新工艺清华89.66大学学报(自然科学版),2002,40(10):51-532上海高桥化工厂,华东石油学院.丙烯塔的改进,石油化工[】1976,5(2):145-1519712503蔡文石.改进操作条件提高丙烯收率,石油化工[打],1982,11(6):3.599.52429-4304US.US41284575US.US44015155.06CN1011307B7CN1091413A2.1.4板式塔工艺设计8 Fredenslund A et al. Group-Contribution Estimation of Activity Coeffi-据研究报道-12),在高压下分离低沸点的烃类cients in Nonideal Liquid Mixers. AIChE. [J], 1975, 21(6): 1086(C1~C)体系,如果采用填料塔特别是规整填料塔,9志刚,王拱有等CAN萃取糖馏分离C的分子设计计算机与应常常表现为效率非常低或出现"效率驼峰"现象,导致用化学[刀,2000,17(4):331-334传质效率明显降低或不稳定。因此本文选用板式塔进0 Hagelden gg, Saleh a,3 d World Congress of Chem,Eng[打],行塔板设计,板式塔的塔板型式有泡罩塔板、斜孔塔板、浮阀塔板、筛孔塔板等。由于筛孔塔板结构简单、11 Brierley R J P. Chem. Eng. Prog. [J], 1994, 90(7): 68-7712唐忠利、规整填料高压下气液返混研究[D].天津:天津大学再加上目前对该型式的塔板研究也比较成熟,所以本文选用筛孔塔板进行设计。利用 ASPEN PLUS软件中的 Tray Sizing模块,对萃取精馏板式塔的结构参数进行了工艺设计计算,结果见表4。作者简介杨德明,男,生于1966年。副教授,工学士在读博士生。一直表4萃取精馏筛板塔工艺计算结果从事化学工程与计算机模拟方面的研究工作。完成科研项目5项,发项目数值项目数值表科研论文16篇,教学研究论文4篇。塔径,mm1200孔心距,板间距,mm开孔率,%收稿日期:2005-09-19塔板型式单溢流弓形收修改稿;2005-10-09降液管单板压降,Pa277.31编辑:杨兰堰长,mm的停冒时间,9.2堰高,mm降澈管内清液层的高度,m115.8降液管底隙高度,mm泛点率,%80.0筛孔数目,个7850操作弹性2.6孔速,m/s18.5稳定系数3.3中国煤化工3结论CNMH利用 ASPEN PLUS软件中的 UNIFAC基团贡献法活度系数计算模型,研究了丙烷一丙烯分离体系的萃