應(yīng)用Aspen Plus對甲乙酮裝置中脫碳四塔進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)分析

王 勃

（貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

某甲乙酮裝置中的醋酸仲丁酯的合成采用了烯烴-醋酸加成法[1-3]，脫碳四塔是醋酸仲丁酯合成分離工序的第一臺塔，其主要目的是分離酯化反應(yīng)中未反應(yīng)的碳四輕烴，塔頂碳四再經(jīng)過下游碳四水洗塔進(jìn)一步脫除殘余醋酸后作為副產(chǎn)品送出裝置。

鑒于脫碳四塔中醋酸含量和操作溫度較高，工業(yè)生產(chǎn)中此塔的主體材料通常選擇鈦材。鈦材的使用勢必增加了此設(shè)備的造價，因此對此塔的設(shè)計進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)分析就顯得非常重要。

1 設(shè)計參數(shù)的確定

1.1 分離純度

經(jīng)過酯化反應(yīng)后進(jìn)脫碳四塔的進(jìn)料組成見表1。

表1 脫碳塔進(jìn)料組成

脫碳四塔頂碳四與塔底醋酸仲丁酯及醋酸的沸點(diǎn)差異較大，根據(jù)碳四副產(chǎn)品的純度要求，此塔主要控制塔頂碳四中醋酸的含量在50×10-6以下，醋酸仲丁酯含量控制在200×10-6以下，塔頂碳四再經(jīng)過水洗塔后使其醋酸含量小于10×10-6，可做為副產(chǎn)碳四出售。

1.2 塔的操作壓力及蒸汽規(guī)格的確定

塔的操作壓力需根據(jù)現(xiàn)有工廠公用工程的條件確定，即塔頂冷凝器當(dāng)采用冷卻水冷卻時，塔頂冷凝器要求物料的入口溫度與冷卻水進(jìn)口溫度之差大于10℃，塔釜再沸器物料入口溫度與蒸汽進(jìn)口溫差需大于15℃。表2為業(yè)主提供的部分公用工程條件。

表2 業(yè)主提供的公用工程條件表

根據(jù)表2中冷卻水的溫度，可知塔頂氣相溫度不應(yīng)低于43℃，經(jīng)查塔頂碳四43℃下的飽和蒸汽壓力約為0.51MPa，暫定塔頂操作壓力為0.6MPa，0.6MPa下碳四的露點(diǎn)溫度為47℃，47-33=14＞10℃，即此塔頂?shù)牟僮鲏毫Χ?.6MPa可行。

初估此塔的壓降為20kPa，則塔底操作壓力0.62 MPa，經(jīng)查此操作壓力下塔底醋酸仲丁酯和醋酸混合物料的泡點(diǎn)溫度為182℃。因在《鈦制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)[4]中鈦合金的許用溫度上限為300℃，因此直接使用表2中的中壓蒸汽不可行，結(jié)合到后序工藝中也有此類情況的塔，考慮將中壓蒸汽經(jīng)過減壓減溫至2.5MPa(G)、240℃，其飽和露點(diǎn)溫度為226℃，226-182=44＞15℃，即經(jīng)過減壓減溫后的中壓蒸汽可用于脫碳四塔再沸器的熱源。

2 塔的設(shè)計參數(shù)的確認(rèn)與優(yōu)化

2.1 理論板初值的確定

用Aspen精餾塔簡捷計算DSTWU模塊分析回流比隨理論板的變化曲線如圖1。

圖1 DSTWU模塊下回流比隨理論板的變化曲線圖

由圖1可知，隨著塔板數(shù)增加，回流比逐漸降低。然而，當(dāng)塔板數(shù)大于35塊時，回流比降低不明顯，對分離效果的提高并不顯著，綜合考慮分離效果及設(shè)備投資費(fèi)，初選脫碳四塔的理論板數(shù)為35塊作為嚴(yán)格計算的輸入值。

2.2 理論板及進(jìn)料位置的優(yōu)化

圖2 不同進(jìn)料位置時再沸器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

在簡捷計算中得的到理論板不一定是最優(yōu)的，需要在嚴(yán)格計算中進(jìn)一步調(diào)整[5-6]，使用簡捷計算得到的理論板、回流比、進(jìn)料位置等參數(shù)輸入至嚴(yán)格計算RadFrac模塊。以回流比為自變量，塔頂碳四中醋酸含量為因變量做設(shè)計規(guī)定，使用靈敏度分析不同進(jìn)料位置時再沸器熱負(fù)荷隨理論板增加的變化情況見圖2。

由圖2可知，第18塊板進(jìn)料與第19塊板進(jìn)料時再沸器的熱負(fù)荷較低，熱負(fù)荷隨理論板的增加而降低，當(dāng)理論板增加至32塊以后時再沸器的熱負(fù)荷降低不明顯，綜合考慮選擇理論板數(shù)為32。

同樣使用靈敏度分析不同進(jìn)料位置時冷凝器熱負(fù)荷隨理論板增加的變化情況見圖3。

圖3 不同進(jìn)料位置時冷凝器熱負(fù)荷隨理論板的變化曲線

由圖3可知，第18塊板進(jìn)料與第19塊板進(jìn)料時冷凝器的熱負(fù)荷較低，熱負(fù)荷隨理論板的增加而降低，當(dāng)理論板增加至32塊以后時器的熱負(fù)荷降低不明顯，綜合考慮選擇理論板數(shù)為32。

圖2中第19塊板進(jìn)料較第18塊板進(jìn)料時再沸器的熱負(fù)荷低，圖3中第18塊板進(jìn)料較第19塊板進(jìn)料時冷凝器的熱負(fù)荷低。因此對第18塊板和第19塊板進(jìn)料進(jìn)行公用工程總費(fèi)用對比見表3。

表3 18塊板和19塊板進(jìn)料時理論板為32下的公用工程費(fèi)對比表

由表3可知，采用第19塊板進(jìn)料比第18塊板進(jìn)料每年可節(jié)約公用工程費(fèi)用約1萬元。

綜合上述選擇理論板為32，進(jìn)料板為19。

2.3 塔板形式的確定

2.3.1 采用不同塔板形式確定的塔徑

結(jié)合生產(chǎn)負(fù)荷分別采用浮閥塔板和波紋板填料確定的塔徑如表4。

表4 不同塔板形式確定的塔徑表

2.3.2 采用浮閥塔板塔高的計算

根據(jù)類似裝置中脫碳四的板式塔板效率可取得此塔的塔板效率為70%，即精餾段的實(shí)際塔板數(shù)為(19-1)÷0.70=26，提餾段的實(shí)際塔板數(shù)為(32-19-1)÷0.70=18，全塔板段高度為(26+18)×0.6(塔板高度)=26.4m，結(jié)合預(yù)留高度、塔釜高度及其他設(shè)備內(nèi)件的高度，此塔的最終高度為57.8m。

2.3.3 采用波紋板填料塔高的計算

采用某填料廠家的SP-S4A型波紋板填料時，此填料為每米3個理論板，精餾段的高度為18÷3=6m，提餾段的高度為12÷3=4m，因此精餾段和提餾段都采用6m高的規(guī)格填料。結(jié)合預(yù)留的高度、塔釜高度及其他設(shè)備內(nèi)件的高度，此塔的最終高度為44.83m。

2.3.4 經(jīng)濟(jì)分析

采用高效的波紋板填料后塔的高度得到了有效的降低，但填料的價格也相對較高，現(xiàn)對比浮閥塔板和波紋板填料的整體設(shè)備制造費(fèi)用見表5。

表5 不同塔板形式設(shè)備制造費(fèi)用對比表

通過上表比較，得出采用波紋板填料較采用浮閥塔板可減少90萬元，即節(jié)約12%的設(shè)備制造費(fèi)用。

3 結(jié)語

（1）塔頂操作壓力確定的依據(jù)是公用工程規(guī)格，但公用工程規(guī)格的選擇時也要考慮特殊材料的許用范圍。

（2）理論板數(shù)和進(jìn)料位置的優(yōu)化最終要以總公用工程費(fèi)用的降低為目的，特別對于價格比較高的熱媒或冷媒，理論板數(shù)和進(jìn)料位置的優(yōu)化對公用工程費(fèi)用的降低會更加顯著。

（3）對于鈦材等價格較高的塔體材料，選擇高效的波紋板填料能有效降低塔高，但同時填料本身也較貴，最終選擇要通過制造費(fèi)用的對比確定。

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