基于分壁精餾塔的乙烯裝置順序分離新工藝及其模擬研究

朱登磊，尚書勇，譚 超，任根寬

（宜賓學院 化學與化工學院，四川 宜賓 644007）

乙烯是生產(chǎn)多種重要有機化工產(chǎn)品的原料，它的生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)規(guī)模標志著一個國家石油化工行業(yè)的發(fā)展水平。乙烯裝置主要由裂解和分離兩部分組成，其中分離過程是得到高質(zhì)量乙烯產(chǎn)品的關鍵。目前，采用的分離工藝主要有順序分離、前脫丙烷分離、前脫乙烷分離、漸進分離等幾種典型工藝［1］。整套乙烯裝置的大部分能耗集中在分離工段，因此研究開發(fā)新的乙烯分離技術(shù)和分離設備，以降低分離裝置的投資和能耗，是降低乙烯企業(yè)生產(chǎn)成本、提高其競爭力的關鍵措施之一［2］。

筆者采用一種集設備集成與節(jié)能降耗于一體的分壁精餾塔，對乙烯裝置的傳統(tǒng)順序分離流程進行改進，建立基于分壁精餾塔的順序分離新工藝，并利用Aspen Plus對分壁精餾塔和新工藝全流程進行模擬研究。

1 分壁精餾塔及等效模擬

圖1為分壁精餾塔及其等效流程。在普通精餾塔內(nèi)設置1塊豎直隔板，將精餾塔主體分成上部的公共精餾段、下部的公共提餾段以及隔板兩側(cè)的進料段與側(cè)線出料段［3］。與常規(guī)精餾塔相比，分壁精餾塔實現(xiàn)了2個塔設備的集成，塔內(nèi)無返混現(xiàn)象，并節(jié)省1個再沸器和1個冷凝器，能較大幅度地節(jié)省設備投資和降低能耗［4］，是目前節(jié)能降耗和設備集成方面的研究熱點［5－11］。

由于隔板將分壁精餾塔分成多個區(qū)域，使得其模擬計算比常規(guī)精餾塔復雜得多。在流程模擬軟件Aspen中沒有模擬分壁精餾塔的模塊，為了實現(xiàn)分壁精餾塔的模擬，必須建立其等效流程。朱登磊等［12］指出，分壁精餾塔與圖1（b）所示的流程在熱力學上是等效的，并給出了利用Aspen對分壁精餾塔進行熱力學等效模擬計算的方法，筆者利用該方法對分壁精餾塔進行模擬。

圖1 分壁精餾塔及其等效流程Fig.1 Dividing wall column and its equivalent process

2 乙烯裝置順序分離新工藝流程

乙烯裝置順序分離工藝是將裂解氣中的各組分按照從輕到重的順序分離，并將相對揮發(fā)度最接近1的丙烷和丙烯、乙烷和乙烯的分離放到流程最后進行。順序分離工藝是目前乙烯裝置中應用最廣泛的分離技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展和節(jié)能降耗要求的提高，各企業(yè)和研究機構(gòu)在傳統(tǒng)順序分離工藝的基礎上，不斷地進行技術(shù)改進和研發(fā)新的分離工藝［13］。

筆者針對表1［14］所示的石腦油裂解烯烴的組成，在傳統(tǒng)順序分離工藝的基礎上，利用上述具有設備集成和節(jié)能降耗雙重作用的分壁精餾塔，建立了1套基于分壁精餾塔的順序分離新工藝，如圖2所示。

表1 石腦油裂解混合氣組成Table 1 Composition of gas mixture from naphtha cracking w/%

新工藝將傳統(tǒng)順序分離流程中的脫甲烷塔和脫乙烷塔集成到1個分壁精餾塔T1中，在T1中實現(xiàn)C1（包 括 H2和 CH4，下 同）、C2（包 括 C2H2、C2H4、C2H6）和 C3＋（包 括 C3H4、C3H6、C3H8、C4、C5＋）的分離。T1塔頂排出的是C1氣相，中間采出是液相的C2，主要為C2H4、C2H6，還有少量的C2H2，C2H2經(jīng)加氫反應器R1選擇加氫后轉(zhuǎn)化成C2H4和C2H6而被除脫。從R1出來的物流進入到乙烯精餾塔T2，經(jīng)精餾后得到聚合級的C2H4，送往乙烯儲罐；T2塔底釜液C2H6送往裂解爐與外來原料混合裂解，回收利用。T1塔底抽出的C3＋首先經(jīng)過脫丙烷塔T3，將C3與C4及更重組分分離。T3塔頂餾出液C3經(jīng)選擇加氫后將其中的C3H4轉(zhuǎn)化成C3H6、C3H8，然后進入丙烯精餾塔T4，經(jīng)過T4的精餾，分離成塔頂聚合級C3H6和塔底的C3H8產(chǎn)品。聚合級C3H6用泵送到界區(qū)外，C3H8返回裂解爐與外來原料混合裂解。T3塔底抽出的C4＋送到副產(chǎn)品處理工序。

圖2 基于分壁精餾塔的烯烴裝置順序分離新工藝Fig.2 Sequential separation process of the ethylene plant based on dividing wall column

3 乙烯裝置順序分離新工藝全流程模擬

為了驗證上述設計的基于分壁精餾塔的乙烯裝置順序分離新工藝的技術(shù)可行性，筆者利用Aspen軟件對該工藝進行全流程模擬。分壁精餾塔的模擬采用圖1中的熱力學等效流程，T2、T3、T4為普通精餾塔。先利用DSTWU模塊簡捷計算，然后用Radfrac模塊進行優(yōu)化和嚴格模擬［15］。R1、R2 2個選擇加氫反應器用Rstoic模塊模擬。乙烯裝置順序分離新工藝全流程模擬示于圖3。

對流程進行模擬計算時，熱力學模型的選擇尤為重要，其正確與否直接影響計算的物理性能的準確程度，進而影響模擬結(jié)果的精確度。RK-SOAVE方程適用于非極性或者弱極性的混合物，特別適用于高溫高壓范圍，推薦用于氣體加工、煉油化工裝置，如原油塔和乙烯裝置等［16］。所以本研究模擬時選用RK-SOAVE方程作為熱力學模型。

圖3 乙烯裝置順序分離新工藝全流程模擬示意圖Fig.3 Full process simulation for sequential separation process of the ethylene plant

4 結(jié)果與分析

4.1 分壁精餾塔模擬結(jié)果

分壁精餾塔模擬結(jié)果如圖4所示。塔頂冷凝器為第1塊塔板，塔底再沸器為最后1塊塔板，全塔塔板數(shù)為43，隔板在第7塊到第29塊塔板之間，原料在第17塊塔板進料，側(cè)線采出在第13塊塔板，回流比為2.6。塔頂操作壓力0.6MPa，冷凝器熱負荷11175.2kW，采出的CH4和H2的質(zhì)量分數(shù)分別達到94.71%和5.23%，C1的整體質(zhì)量分數(shù)為99.94%；中間側(cè)線采出物C2H2、C2H4、C2H6質(zhì)量分數(shù)分別為0.75%、83.68%、15.54%，C2的整體質(zhì)量分數(shù)為99.97%；塔底再沸器熱負荷12028.6kW，抽出的C3＋（C3H4、C3H6、C3H8、C4、C5＋）總的質(zhì)量分數(shù)為100%。

圖4 分壁精餾塔模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of dividing wall column

4.2 其他精餾塔的塔參數(shù)

對T2、T3、T4 3個普通精餾塔，利用Aspen中的DSTWU模塊進行簡捷計算，確定理論板數(shù)、進料位置、回流比等參數(shù)。以簡捷計算的結(jié)果作為初始參數(shù)，用Radfrac模塊和Sensitivity功能，分別對回流比、進料位置等參數(shù)進行優(yōu)化。模擬和優(yōu)化的塔參數(shù)列于表2。

4.3 全流程模擬結(jié)果

在上述確定的各塔塔參數(shù)和處理量為5000kmol/h的條件下，采用Aspen plus軟件對本研究確定的乙烯裝置順序分離新工藝進行全流程模擬，模擬的主要物流結(jié)果列于表3。

由表3可見，物流經(jīng)分壁精餾塔T1后，塔頂C2及更重組分的含量極低；側(cè)線采出物流中，主要為C2H2、C2H4和C2H6；釜液中，C2及更輕組分的含量為痕量。此結(jié)果表明，分壁精餾塔清晰實現(xiàn)了C1、C2和C3＋的分離。

表2 模擬得到的普通精餾塔的塔參數(shù)Table 2 The parameters of conventional distillation columns obtained from simulation

表3 乙烯裝置順序分離新工藝全流程模擬的物流組成Table 3 Material sheet of full flow simulation for sequential separation process of the ethylene plant

乙烯精餾塔T2塔頂餾出液C2H4質(zhì)量分數(shù)99.97%，塔釜液C2H6質(zhì)量分數(shù)99.63%、C2H4質(zhì)量分數(shù)0.18%，實現(xiàn)了乙烯和乙烷的分離，得到聚合級乙烯產(chǎn)品。

脫丙烷塔T3塔頂餾出液主要為C3H4、C3H6和C3H8，C3的質(zhì)量分數(shù)99.99%，釜液組分為C4＋，C3及更輕組分含量均為痕量，實現(xiàn)了C3和C4＋的分割。丙烯精餾塔T4塔頂餾出液C3H6質(zhì)量分數(shù)為99.98%，塔釜C3H8質(zhì)量分數(shù)為98.45%，實現(xiàn)了C3H6和C3H8分離，得到聚合級的丙烯產(chǎn)品。

5 結(jié) 論

（1）改進了乙烯裝置順序分離流程。將傳統(tǒng)順序分離流程中的脫甲烷塔和脫乙烷塔集成到1個分壁精餾塔中，利用分壁精餾塔實現(xiàn)C1、C2和C3＋的分離。然后分別經(jīng)脫丙烷塔、炔烴選擇加氫器、乙烯精餾塔、丙烯精餾塔等，得到聚合級的乙烯和丙烯產(chǎn)品。

（2）利用Aspen對分壁精餾塔進行等效模擬。分壁精餾塔塔板數(shù)為43，進料在第17塊板，側(cè)線采出在第13塊板，隔板處于第7到第29塊板之間，回流比2.6，冷凝器熱負荷11175.2kW，再沸器熱負荷12028.6kW。分壁精餾塔實現(xiàn)了C1、C2和C3＋的清晰分割。

（3）全流程模擬結(jié)果顯示，本分離工藝可以得到質(zhì)量分數(shù)99.97%的乙烯和99.98%的丙烯，達到聚合級的濃度要求，建立的基于分壁精餾塔的乙烯裝置順序分離新工藝技術(shù)上可行。

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