陳國(guó)鵬，闞 超

（山東三維石化工程股份有限公司，山東 淄博 255400）

異丁烷是一種重要的化工原料，是制備甲基丙烯腈或甲基丙烯酸的重要原料，同時(shí)也可作為許多化工生產(chǎn)過(guò)程的促進(jìn)劑、冷凍劑等[1]。異丁烷可以與碳三、碳四、碳五烯烴進(jìn)行烷基化反應(yīng)，生產(chǎn)車(chē)用汽油的調(diào)和組分；可與丙烯通過(guò)共氧化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，并聯(lián)產(chǎn)叔丁醇；還可用于制備環(huán)氧丙烷、異丁烯等化工原料。異丁烷經(jīng)過(guò)氧化、脫水步驟，可以制備碳酸二甲酯。異丁烷脫氫技術(shù)的應(yīng)用，解決了異丁烯短缺的問(wèn)題。

某廠催化碳四經(jīng)MTBE裝置處理后，剩余的混合碳四作為民用液化氣出售，效益較差。本研究采用Aspen Plus軟件，對(duì)混合碳四中異丁烷的分離過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，探索適宜的分離方案，以得到高純度的異丁烷，提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。

1 原料性質(zhì)及分離要求

混合碳四原料，產(chǎn)量 11.9t·h-1（10 萬(wàn) t·a-1），性質(zhì)如表1所示。綜合考慮產(chǎn)品的應(yīng)用要求和生產(chǎn)成本，確定分離要求如下：異丁烷回收率98%，異丁烷產(chǎn)品中丙烯、丙烷、異丁烷的總質(zhì)量含量不小于99%。

表1 碳四原料性質(zhì)Table 1 Properties of C4 hydrocarbon

2 流程模擬及優(yōu)化

2.1 熱力學(xué)方程確定

PR方程是一種立方型狀態(tài)方程[3]。Peng和Robinson對(duì)SRK方程進(jìn)行了改進(jìn)，重新編制了α(T，ω)函數(shù)式并修正了內(nèi)壓表達(dá)方式。PR方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

PR方程大幅提高了混合物企業(yè)對(duì)平衡和液體密度的計(jì)算精度。對(duì)于非極性的烴類(lèi)系統(tǒng)，在大部分壓力溫度范圍內(nèi)，PR方程都能得到合理的計(jì)算結(jié)果，是應(yīng)用最多的立方型方程，因此我們選擇PR方程對(duì)異丁烷的分離過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2 精餾塔的簡(jiǎn)捷計(jì)算

首先使用Aspen Plus的DSTWU模塊進(jìn)行精餾塔的簡(jiǎn)捷法計(jì)算。設(shè)定輕關(guān)鍵組分異丁烷在塔頂?shù)氖章蕿?8%，重關(guān)鍵組分異丁烯在塔頂?shù)氖章蕿?.8%。計(jì)算結(jié)果顯示，為達(dá)到分離要求，塔的最小板數(shù)為68，最小回流比為11.8。

2.3 嚴(yán)格法理論板優(yōu)化

最小回流比時(shí)所需的理論板數(shù)為無(wú)窮多，設(shè)備費(fèi)用無(wú)窮大。不考慮換熱設(shè)備費(fèi)用，逐步提高回流比，所需的理論板數(shù)下降，塔自身的設(shè)備費(fèi)用逐步下降，但塔的操作費(fèi)用上升。需綜合考慮回流比和塔板數(shù)，選取適宜數(shù)值，以保證總體費(fèi)用最低。

采用RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格法計(jì)算。在Design Specifications選項(xiàng)中設(shè)置2個(gè)約束條件：塔頂異丁烷物流中異丁烷的回收率為98%；塔頂異丁烷物流中，丙烯、丙烷、異丁烷的總質(zhì)量含量為99%。Aspen Plus 軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算適宜的回流比。

設(shè)定塔的進(jìn)料板為第50塊板。在靈敏度分析工具中設(shè)定總理論板數(shù)為操作變量，變化范圍為80～150，回流比為采集變量，研究總理論板數(shù)對(duì)回流比的影響趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，隨著理論板數(shù)增加，回流比下降；理論板數(shù)達(dá)到120后，繼續(xù)增加理論板數(shù)，回流比的變化緩慢，因此塔的理論板數(shù)定為120。

圖1 理論板數(shù)與回流比關(guān)系圖Fig.1 Relationship between theoretical stage number and reflux ratio

2.4 進(jìn)料板位置的優(yōu)化

在原料進(jìn)料狀態(tài)、塔板、分離要求均固定的前提下，調(diào)整進(jìn)料板的位置，會(huì)影響塔的回流比等參數(shù)，改變系統(tǒng)的能耗。原則上，以塔板上的物料組成、溫度壓力條件與進(jìn)料物流最接近的塔板作為進(jìn)料板時(shí)，回流比最小，能耗最低。由于塔板上的條件無(wú)法與進(jìn)料完全匹配，因此要準(zhǔn)確確定最佳進(jìn)料板，需要借助相應(yīng)的計(jì)算工具。

設(shè)定異丁烷塔的總理論板數(shù)為120，在靈敏度分析工具中設(shè)定進(jìn)料板為操作變量，變化范圍為30～100，回流比為采集變量，研究總理論板數(shù)對(duì)回流比的影響趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，隨著進(jìn)料板逐漸下移，回流比呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，進(jìn)料板為第70板時(shí)，回流比最低。

圖2 進(jìn)料板位置與回流比關(guān)系圖Fig.2 Relationship between feed stage and reflux ratio

2.5 精餾塔嚴(yán)格法計(jì)算

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整總理論板數(shù)為120，進(jìn)料板為第70板，分離要求如前所述。異丁烷塔的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，異丁烷塔進(jìn)出料流的組成結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 異丁烷塔的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of isobutane tow

表3 異丁烷塔物流組成 /質(zhì)量%Table 3 Stream composition of isobutane tow

3 結(jié)論

使用Aspen Plus軟件，對(duì)某廠混合碳四的分離方案進(jìn)行了模擬優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，在進(jìn)料組成、分離要求已經(jīng)確定的前提下，適宜的總理論板數(shù)及進(jìn)料位置可以有效降低塔頂?shù)幕亓鞅?，從而降低塔系能耗。最終優(yōu)化結(jié)果為：總理論板數(shù)120塊，在第70塊板進(jìn)料，此時(shí)塔頂?shù)幕亓鞅葹?6.8。