醋酐精餾工藝的數學建模和工藝改進

王文強

上海華誼（集團）公司 (上海 200040)

醋酐[1-2]是一種重要的有機化工原料，化學性質活躍，主要用于生產醋酸纖維素，其次用作醫(yī)藥、染料、香料和有機合成中的乙?；噭?。乙烯酮法（又稱醋酸裂解法）制備醋酐工藝中，醋酸裂解成乙烯酮，經醋酸吸收、蒸餾精制而成。為滿足醋酐產品日益提高的市場需求和質量要求，采用數學模擬法對醋酐精餾工藝進行模擬和優(yōu)化，以提高產品質量、降低能耗、提高經濟效益。目前，Aspen軟件廣泛應用于化工流程開發(fā)和設計的大型流程模擬與優(yōu)化[3]，本研究以一套乙烯酮法生產醋酐裝置為研究對象，通過對醋酐精餾工藝的合理簡化和利用Aspen對精餾工序進行數學建模，考察影響精餾工序的主要操作工藝參數，得出合理的工藝優(yōu)化方案，對醋酐裝置提高產品質量和降低能耗具有積極意義。

1 醋酐精餾工藝流程模擬

1.1 工藝流程及參數

圖1為醋酐精餾裝置的工藝流程圖，醋酐含量（質量分數，下同）為88%～92%的醋酐溶液進入閃蒸槽（E204）蒸餾氣化脫除多聚體后，粗醋酐氣體從分餾塔（T203）中部進入；分餾塔的主要作用是脫除醋酸等輕組分，T203塔頂采出物料含醋酐40%～60%，控制塔頂溫度在116～120℃之間，回流比為3.5。釜底物料經取樣檢測醋酐含量合格后，連續(xù)出料進入精制塔（T204）底部。蒸餾塔為填料塔，主要起脫色和脫除部分低沸物的作用；塔內氣相在分凝器中大部分冷凝，一部分作為產品側線采出，一部分作為塔的內回流；塔頂部分醋酐、低沸物和不凝性氣體繼續(xù)上升，經過塔頂冷凝器（E209）冷凝后回收。

圖1 醋酐精餾工藝流程

裂解裝置穩(wěn)定運行期間，進行精餾工藝查定，得到流程模擬所需要的工藝參數。常溫常壓下，進料物流流速為260 L/h時，各組成及其質量分數為：醋酸（HOAc）9.8%，醋酐（Ac2O）90%，低沸還原物質（X2）0.05%，雙乙烯酮（DK）0.1%，高沸物（X3）0.05%。 流程的操作單元模型[4]和操作參數見表1。

1.2 物性方法的選取

工藝涉及物料主要為醋酐和醋酸，該體系為一高度非理想性體系，確定適用于這一非理想體系的物性方法既是數學建模的重點 （直接關系到模擬結果的正確與否），也是模擬工作的主要難點?？捎糜谟嬎阍擉w系液相的物性方程有NRTL方程和WILSON方程。對于氣相，考慮到醋酸分子的締合效應，則采用 Hayden-O’Connel（HOC）方程[5]。

表1 操作單元工藝參數

查閱文獻[6]，得到醋酸和醋酐的氣液平衡數據，對Aspen Plus內置數據庫中Wilson-HOC和NRTLHOC物性方法的氣液平衡數據與文獻中氣液平衡相圖（見圖2和圖3）進行比較，發(fā)現2個物性方法和文獻值重合性都很好，但用NRTL方程計算較易收斂。因此，在模擬計算中選取NRTL-HOC物性方法，所有物性參數均選用Aspen Plus內置數據庫中的相關參數。

1.3 流程模擬結果

按照上述模擬流程，選用NRTL-HOC物性方法，關鍵操作參數和產品質量的流程模擬計算值和工藝設計值比較見表2和表3。由表2可見，計算結果與設計值的偏差不大，表明模擬結果可信。

圖2 Wilson-Hayden-O'Connell與文獻值的x-y相圖

圖3 NRTL-Hayden-O'Connell與文獻值的x-y相圖

表2 各單元模塊模擬結果 ℃

表3 流程中重要物流模擬結果

2 工藝流程分析

通過流程模擬結果可知，模擬值與工況值相吻合；但是實際工況中，產品中醋酐含量為97.7%，沒達到要求（≥99.0%）。通過考察主要操作參數對精餾工藝的影響，得到最佳工藝操作參數，將其應用于實際裝置。

2.1 分餾塔T203的回流比和塔頂采出量的影響

T203塔釜醋酐的純度，在塔板數一定的條件下，受回流比大小和采出量（D）大小的影響。利用Aspen Plus內置的敏感度分析工具，得到操作參數對醋酐產品純度和再沸器熱負荷的交互影響，見圖4和圖5。

圖4 回流比和塔頂采出量對產品純度的影響

圖5 回流比和塔頂采出量對再沸器熱負荷的影響

由計算結果可知，T203回流比和采出量對產品純度的影響比較顯著。當采出量一定時，產品質量分數隨回流比增加顯著增加，當回流比較大時增幅較??；回流比一定時，增加塔頂采出量，可以提高產品的純度。再沸器的熱負荷隨回流比和采出量的增加而顯著增加，近似成正比例函數關系。要保證產品合格，有多種操作狀態(tài)，但這些操作狀態(tài)下，再沸器的熱負荷和產品的產量均不同，因此可能存在一個操作狀態(tài)，使T203的產品熱量單耗最低。

2.2 精制塔T204塔頂分凝器氣相分率

在工藝流程中，要求分餾塔塔釜物料醋酐的質量分數合格后才進入精制塔中，因此精制主要起脫色和脫除部分不凝性氣體、保證產品質量和色度要求的作用，對分離要求不高。在實際裝置中，通過再沸器蒸汽的用量來控制一定的蒸發(fā)速率，保證塔正常操作即可。但T204塔頂分凝器在實際生產中不容易控制，如果在分凝器中通入循環(huán)冷卻水，則T204塔氣相全部在分凝器中冷凝下來，致使分凝器塔頂無氣相出料，影響產品的質量。

利用敏感度分析工具考察塔頂分凝器對塔頂產品質量分數、氣相溫度和分凝器熱負荷的影響，模擬時除塔頂分凝器氣相分率不同外，其他條件同前。模擬結果見表4。

表4 冷凝分率對工藝參數的影響

由表4模擬計算結果可知，分凝器氣相分率不同對冷凝器的溫度影響不大，但隨著氣相分率增加，產品的質量分數逐漸增加。這是由于隨著氣相分率增加，氣相所帶走的輕組分增多，使產品質量分數增加。分凝器和塔頂冷凝器熱負荷變化較大，由此可知，要確保分凝器正常工作，需要保證分凝器的換熱量在一個合適的范圍內。

換熱器傳熱量的計算見式（1）。

式中：Q—分凝器的換熱量，kW；

K—傳熱系數，kJ/(m2·℃·s)；

A—傳熱面積，m2；

ΔTm—傳熱對數平均溫差，℃。

在實際裝置中，在分凝器中開啟循環(huán)水，導致塔頂無氣相采出，說明分凝器的熱交換能力大于正常工作時所需要的熱交換量，在工藝改進過程中有以下2種解決辦法：（1）減小傳熱面積；（2）減小傳熱對數平均溫差，即降低循環(huán)水的流速，提高循環(huán)水出口溫度，但工藝對出口溫度有一定的要求——出口溫度過高，可使循環(huán)水產生相變、易結垢，影響設備使用壽命和安全。通過比較，采取減小傳熱面積的方法解決該問題。

3 精餾工藝優(yōu)化

由上述操作參數對精餾工序的影響分析可知，T203回流比、塔頂采出量對產品的質量分數和產量以及精餾工藝的能耗影響顯著，因此有必要對工藝參數進行優(yōu)化，以確保產品的質量分數（＞99.0%）和產品能量單耗最低。

由工程經驗可知，精餾工序能耗主要是動力消耗、再沸器熱消耗和冷凝器的冷凝熱負荷，比較發(fā)現，再沸器的能耗占精餾工序的比值最大，且熱源的相對成本最高。因此，產品的單耗可以轉化為產品的再沸器熱單耗，可按式（2）計算：

式中：qp—產品的熱單耗，kJ/h；

Q203—T203再沸器的熱負荷，kJ/h；

Q204—T204再沸器的熱負荷，kJ/h；

Fp—產品質量流率，kg/h。

其他操作參數不變，利用Aspen Plus內置的優(yōu)化工具：（1）建立約束，規(guī)定產品中醋酐含量不小于99.0%；（2）建立優(yōu)化模擬，根據式（2）設定相應參數，利用內置Fortran語言計算出產品熱單耗的倒數，規(guī)定其值最大；（3）設定T203回流比和塔頂采出率為變量，并規(guī)定其取值范圍。

通過模擬計算，得到產品熱單耗最低時的操作參數：T203回流比R=4.07；T203的采出率D=58.16 kg/h；其他操作參數和表相同。

在最優(yōu)操作參數條件下：產品質量分數為99.0%，產品質量流率Fp=158.20 kg/h，產品的熱單耗=(679340 kJ/h+1065 631 kJ/h)/158.20 kg/h=110.30 kJ/kg。

4 結論

選用NRTL-HOC物性模型，建立了醋酐精餾工藝流程的模擬模型，通過對模型的分析和優(yōu)化得到如下結論：

（1）T203回流比和采出量增大使產品的質量分數和再沸器的熱負荷增大，且影響顯著。

（2）T204塔頂分凝器氣相分率影響產品的質量分數，但是塔頂分凝器的熱負荷變化較大，在整改過程中需要減小分凝器的傳熱面積來保證分凝器正常工作。

（3）確保產品質量達標且單耗最小的操作參數為：T203塔回流比R=4.07，采出率為58.16 kg/h，T204塔頂分凝器氣相質量分率為0.1。該操作條件下熱單耗最小，為110.30 kJ/kg。