沈博文,潘建敏,夏國(guó)政,鄒琳玲,晉 梅

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430056)

醋酸乙烯是一種世界前五十大化工原料之一，可作為聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、共聚樹(shù)脂和醋酸乙烯-氯乙烯共聚物等的原料[1]。目前常采用乙烯氣相法大規(guī)模生產(chǎn)醋酸乙烯產(chǎn)品[2-3]，在其生產(chǎn)過(guò)程中，從反應(yīng)過(guò)程和醋酸乙烯吸收過(guò)程中都會(huì)涉及到使用過(guò)量的醋酸，因此，若要將該部分醋酸進(jìn)行回收，則需將醋酸-水混合體系進(jìn)行分離，滿足醋酸純度為99.9%后方可循環(huán)使用。這一過(guò)程，常規(guī)分離方法是采用普通精餾塔進(jìn)行分離，而該分離過(guò)程中需要使用公用工程換熱，導(dǎo)致該分離過(guò)程成為整個(gè)工藝過(guò)程中能量消耗較大的一部分。

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，是一種全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵精餾是將塔頂蒸汽加壓升溫，作為塔底再沸熱源，回收塔頂蒸汽潛熱的一種能量利用方式，即通過(guò)外加功將低溫蒸汽提高到更高的品位的熱源，比便利用其潛熱。根據(jù)所消耗外界能量的不同，熱泵精餾技術(shù)分為汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾兩種方式。根據(jù)壓縮機(jī)工質(zhì)的不同，汽相壓縮式熱泵精餾又可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液體閃蒸式和間接蒸汽壓縮式三種類(lèi)型[4]。

在滿足分離要求的條件下，本文采用Aspen Plus軟件[5-6]對(duì)醋酸乙烯生產(chǎn)過(guò)程中醋酸-水混合體系的分離采用常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)分別進(jìn)行模擬計(jì)算，并通過(guò)能量對(duì)比，提出最合理的醋酸-水混合體系分離技術(shù)。

1 模擬部分

1.1 醋酸-水混合體系數(shù)據(jù)及分離方法選擇

采用乙烯氣相法工藝進(jìn)行醋酸乙烯生產(chǎn)過(guò)程中，醋酸-水混合體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 醋酸-水混合體系數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常采用常規(guī)精餾塔進(jìn)行醋酸-水混合體系的分離，精餾塔塔頂?shù)牟僮鲏毫?00 kPa，塔底壓力為120 kPa，塔頂溫度和塔底溫度分別為100 ℃和123.45 ℃。另外，從表1中醋酸、水沸點(diǎn)數(shù)據(jù)和常規(guī)精餾塔的操作條件中可得：塔的操作壓力為常壓，塔頂塔底溫差較小，且醋酸和水的沸點(diǎn)相近，因此，本文提出采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行該混合物系的分離。

1.2 物性方法與模塊選擇

Aspen Plus軟件物性方法中NRTL方程適用于二元和多元汽液平衡體系，能準(zhǔn)確模擬非理想汽液和液液平衡。但對(duì)于醋酸-水混合體系而言，由于塔內(nèi)極易發(fā)生自聚反應(yīng)，因此，采用NRTL活度系數(shù)方程和能預(yù)測(cè)聚合體系的Hayden-O'Connell逸度系數(shù)方程分別作為液相和氣相的熱力學(xué)模型更為合理，即采用NRTL-HOC混合模型[7]。

常規(guī)精餾技術(shù)的模擬計(jì)算中，常用模型有DSTWU和RadFrac等[8]，其中DSTWU為簡(jiǎn)捷計(jì)算模型，RadFrac為用于模擬各種類(lèi)型的多級(jí)氣液分餾操作的嚴(yán)格計(jì)算模型。醋酸-水混合體系常規(guī)精餾技術(shù)模擬流程圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬圖

圖2 熱泵精餾技術(shù)模擬圖

熱泵精餾技術(shù)是將塔頂餾出蒸汽經(jīng)壓縮后與塔底餾出液體換熱，換熱后，物流經(jīng)節(jié)流閥減壓、冷卻器降溫后返回精餾塔頂，根據(jù)熱泵技術(shù)建立的塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾模擬圖如圖2所示。在熱泵精餾技術(shù)模擬計(jì)算中，除精餾塔常用模型外，壓縮機(jī)采用COMPR模塊、換熱器采用HEATX模塊、冷卻器采用HEATER模塊、節(jié)流閥采用VALVE模塊、分流器采用FSPLIT模塊。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

常規(guī)精餾技術(shù)的模擬思路為：首先采用DSTWU模塊對(duì)精餾塔進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，由于存在一定的計(jì)算誤差，因此，再利用RadFrac模塊對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核。

3.1.1 DSTWU模擬

DSTWU設(shè)計(jì)模塊輸入值如表2所示，模擬結(jié)果如表3中DSTWU模擬值所示。

表2 DSTWU設(shè)計(jì)模塊輸入值

表3 DSTWU和RadFrac模擬計(jì)算結(jié)果

表3(續(xù))

3.1.2 RadFrac模擬結(jié)果及能耗結(jié)果

將表3中DSTWU簡(jiǎn)捷計(jì)算模擬值作為初值進(jìn)行RadFrac模擬計(jì)算，可獲得表3中RadFrac模擬結(jié)果，同時(shí)在滿足醋酸分離精度要求條件下的塔頂塔底組分量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及常規(guī)精餾技術(shù)的能量消耗如表4所示。

表4 RadFrac模擬結(jié)果及常規(guī)精餾技術(shù)能量消耗

3.2 熱泵精餾技術(shù)模擬結(jié)果

熱泵精餾模擬的設(shè)計(jì)模塊輸入如表5所示，在滿足醋酸分離要求的條件下的模擬結(jié)果及能量消耗如表6所示。

表5 熱泵精餾技術(shù)設(shè)計(jì)模塊輸入值

表6 熱泵精餾模擬結(jié)果及能量消耗

3.3 常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)能量消耗對(duì)比

采用Aspen Plus軟件，對(duì)進(jìn)料量為54227.30 kg/h的醋酸-水混合體系中分別采用常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，在滿足分離要求的情況下，塔頂冷能耗、塔頂熱能耗和總能耗的對(duì)比如圖3所示。

從圖3可知：在醋酸-水混合體系中，由于常規(guī)精餾技術(shù)中塔頂塔底溫差較小，且醋酸和水兩組分沸點(diǎn)較為接近(相差17.9 ℃)，因此，相比于常規(guī)精餾技術(shù)，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)，可節(jié)約冷能耗87.03%、熱能耗55.77%，總能耗達(dá)71.50%，節(jié)能效果較為顯著。

圖3 醋酸-水混合體系采用兩種不同分離技術(shù)的能耗對(duì)比圖

4 結(jié)論

采用Aspen Plus軟件，對(duì)醋酸乙烯生產(chǎn)過(guò)程中醋酸回收工段中醋酸-水混合體系分別采用常規(guī)精餾塔技術(shù)和熱泵精餾塔技術(shù)進(jìn)行分離，在滿足相同分離要求的條件下，對(duì)兩種分離技術(shù)中的能量消耗情況進(jìn)行了對(duì)比。從模擬結(jié)果可明顯的看出：對(duì)于精餾塔為常壓下操作，且塔頂塔底溫差較小，分離兩組分沸點(diǎn)接近的醋酸-水混合體系而言，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)具有好的節(jié)能效果。