稀醋酸萃取塔的優(yōu)化模擬及塔板核算

唐建興，王金堂，王余偉，殷孝謙，孫玉潔，石雪龍

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征 211900)

PTA生產(chǎn)裝置中的醋酸塔采用萃取的方式將醋酸從水相中分離，該塔自投入運(yùn)行以來，未能達(dá)到設(shè)計(jì)塔頂水分含量目標(biāo)，水含量經(jīng)常超過10%。筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，以塔頂水含量9%為目標(biāo)，利用Aspen Plus計(jì)算軟件7.2版本對(duì)該萃取塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，優(yōu)化工藝參數(shù)并進(jìn)行塔板核算。

1 工藝流程

稀醋酸萃取塔工藝流程見圖1。原料中的主要成分為水和醋酸，從萃取塔塔頂進(jìn)入，與從萃取塔底部加入的萃取劑醋酸正丙酯進(jìn)行液液萃取，塔頂萃取相送至共沸精餾塔分離醋酸和萃取劑，萃取劑回流萃取塔，塔底水份予以排放。

圖1 稀醋酸萃取塔的萃取工藝

2 萃取塔結(jié)構(gòu)及工況

萃取塔為板式塔，實(shí)際塔板數(shù)為70塊，采用降液管，水相為連續(xù)相，油相為分散相。塔直徑1 600 mm，孔直徑6 mm，塔高約32 m，萃取塔各股物料組成見表1。生產(chǎn)過程中，塔頂溫度在35～40 ℃，塔頂壓力0.4 MPa，溶劑比1∶1.6，萃取劑流量25 t/h。

表1 稀醋酸萃取塔的物料組成 單位：%

3 工況模型的建立

對(duì)萃取塔進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，以確定合適的計(jì)算模型。計(jì)算中采用UNIQAC[1]方程，塔模塊采用Extract模塊，模擬計(jì)算的工藝參數(shù)為萃取塔的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)。當(dāng)塔的理論板數(shù)取7塊時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)際物流組成數(shù)據(jù)相一致。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算塔板效率[2]：

(1)

式中：E0為塔板效率；Ht為塔板間距；σ為界面張力，N/m；Vd為分散相空塔速度，m/s；Vc為連續(xù)相空塔速度，m/s。

將原塔的模擬計(jì)算結(jié)果代入式(1)，計(jì)算出塔板效率約為0.1。7塊理論板相當(dāng)于70塊實(shí)際塔板，這與原塔的實(shí)際塔板數(shù)相符，說明選用的模擬計(jì)算模型基本可信，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行塔的優(yōu)化。

4 塔的優(yōu)化

4.1 理論板數(shù)對(duì)塔頂水份的影響

理論板是指在塔板上氣液兩相皆充分混合、無傳遞阻力、組成達(dá)到平衡、溫度相等的理想塔板，是對(duì)塔板上傳質(zhì)過程的簡(jiǎn)化，是衡量實(shí)際塔板分離效率的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，代表實(shí)際塔板數(shù)的理論板的增減對(duì)萃取塔各股物流中各物質(zhì)的組成的影響，其變化如圖2所示。

圖2 理論板數(shù)與萃取塔中各個(gè)物流的組成變化的關(guān)系

圖2可見，隨著理論塔板數(shù)的增加，塔頂水分和醋酸含量增加，塔底水分含量亦增加，表明增加萃取塔的塔板，塔頂水分含量并未隨之降低。

4.2 塔頂各組份之間的關(guān)系

此醋酸萃取塔采取的是多級(jí)錯(cuò)流萃取技術(shù)，是利用混合中各組份在萃取劑中分配系數(shù)的不同而分離的技術(shù)。工藝塔進(jìn)料中稀醋酸的含量是動(dòng)態(tài)的，不同含量的物料在相對(duì)固定的操作參數(shù)條件下其塔頂物流的組成存在差異。在塔頂溫度差異±2 ℃，溶劑比為1.6，不同含量的醋酸進(jìn)料下，塔頂水分和醋酸含量如表2所示。

表2 萃取塔進(jìn)料和塔頂組份含量

表2可見，含量不同的醋酸進(jìn)料下，其塔頂萃取相中水分和醋酸含量各不相同，且水分與醋酸的比值接近于某一常數(shù)，表明在此萃取塔操作條件下，塔頂水分和醋酸的比值接近恒定，即在一定范圍內(nèi)，塔頂水分含量隨醋酸含量的增加而增加，醋酸含量是影響塔頂水分含量的影響因素之一。

4.3 溫度對(duì)萃取塔的影響

溫度影響萃取塔中萃取劑的萃取效率。萃取塔塔底溫度80 ℃，塔頂溫度在40 ℃左右，降低進(jìn)萃取塔萃取劑的溫度，即降低萃取塔整體的平均溫度，溫度降低對(duì)萃取塔組份的變化如圖3所示。

圖3 溫度變化對(duì)萃取塔組份含量的影響

圖3可見，隨萃取劑溫度從80 ℃降低到40 ℃，塔頂水分含量降低，而醋酸含量升高，其值的變化分別為1%和0.3%，表明溫度降低有利于降低塔頂?shù)乃莺?。但溫度降低，整個(gè)體系的黏度增加，影響萃取塔的傳質(zhì)效果，勢(shì)必影響萃取塔的處理量，且萃取劑溫度的降低必然要增加換熱工序，額外增加能量的消耗，因此調(diào)整溫度并不具備經(jīng)濟(jì)性。

4.4 萃取劑水份的影響

萃取塔塔頂主要組成為水、醋酸和醋酸正丙酯。萃取相后續(xù)進(jìn)入共沸精餾塔進(jìn)行醋酸和萃取劑的分離，萃取劑回流入萃取塔繼續(xù)進(jìn)行醋酸萃取。出共沸精餾塔的循環(huán)萃取劑的水分含量約在7%左右，降低萃取劑水分的含量對(duì)萃取塔塔頂水分的影響如圖4所示：

圖4 萃取劑水份對(duì)塔頂水份的影響

圖4可見，萃取劑水分含量降低到0，塔頂水分含量降低1%，表明降低萃取劑的水含量可以降低塔頂萃取相的水含量，但此方案需要調(diào)整共沸精餾塔的操作參數(shù)。

4.5 溶劑比的影響

溶劑比為萃取劑與原料的流量比，以表1中的數(shù)據(jù)為例，增加溶劑比對(duì)塔頂水分含量的變化如圖5所示：

圖5 溶劑比對(duì)塔頂水分含量的影響

圖5可見，工作塔中溶劑比越大，塔頂?shù)乃趾吭降?。根?jù)Aspen的模擬計(jì)算，當(dāng)溶劑比由1.6達(dá)到2.0時(shí)，塔頂?shù)乃吭谠A(chǔ)上降低1%，而溶劑比增加到2.7，塔頂水分含量?jī)H9.2%左右，表現(xiàn)為隨著溶劑比的升高，其對(duì)塔頂水分含量的影響程度在逐漸降低，而提高溶劑比則意味著更高的能耗。

綜上所述，由于現(xiàn)存醋酸塔塔徑尺寸的限制，萃取劑的流量亦受到限制，根據(jù)先前模型的啟示，采用降低進(jìn)料酸濃度，提高溶劑比以降低塔頂水分的方案，計(jì)算出滿足要求的工藝操作邊界參數(shù)，并進(jìn)行塔板水力學(xué)核算。

5 塔板水力學(xué)核算

按照表1的數(shù)據(jù)，將醋酸進(jìn)料的濃度降低，提高萃取塔的溶劑比，經(jīng)計(jì)算可以獲得當(dāng)醋酸含量43%，處理量11.5 t/h，萃取流量25 t/h時(shí)，水含量可降低至9%。將該條件下的水力學(xué)參數(shù)依照公式進(jìn)行塔板核算，計(jì)算萃取塔篩板的開孔區(qū)、降液區(qū)和無孔區(qū)。

5.1 開孔區(qū)面積

篩孔直徑的選擇，關(guān)系到兩相在板間的分層、相際接觸面積及設(shè)備的生產(chǎn)能力。一般而言，較小的篩孔產(chǎn)生較小的液滴，具有較大的相際接觸面積，對(duì)傳質(zhì)有利。此萃取塔的兩相界面張力較低，選擇的孔徑為6 mm。

分散相通過孔的流速由下式(2)估算[3]：

(2)

式中：v0為篩孔速度，cm/s；d0為篩孔直徑，cm；σ為分散相與連續(xù)相之間的表面張力，mN/m；ρD為分散相密度，g/cm3；Δρ為分散相與連續(xù)相的密度差，g/cm3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

將Aspen計(jì)算結(jié)果代入上式：得出v0為8.2 cm/s。

根據(jù)分散相的處理量、孔徑及孔流速，篩板上所需的孔數(shù)可由下式計(jì)算：

(3)

式中：n為篩板塔孔數(shù)；QD為分散相流量，cm3/s，經(jīng)計(jì)算孔數(shù)為2 964。

篩孔呈正三角形排列，孔間距17 mm，篩板的開孔區(qū)面積F1由下式(4)計(jì)算：

F1=0.866nt2

(4)

式中：t為孔間距，cm，代入數(shù)據(jù)F1為7 418 cm2。

5.2 降液區(qū)面積

降液區(qū)的面積由連續(xù)相在降液管中的流速?zèng)Q定。連續(xù)相在降液管的流速，可以通過所容許帶走的最大液滴直徑而求得。通常，先假定連續(xù)相所帶走的最大液滴直徑為dpm(一般取dpm為0.8 mm)，直徑為dpm的分散相液滴在連續(xù)相中的沉降速度，可用Stokes公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：v為分散相液滴在連續(xù)相中的沉降速度，cm/s；μC為連續(xù)相黏度，值為0.001 1 Pa·s。得出v為5.73 cm/s。降液管中連續(xù)相的流速Vdc要小于V，取4.5 cm/s。降液區(qū)面積F2：

式中:QC為連續(xù)相流量，cm3/s，得出F2為529.7 cm2。

綜合以上計(jì)算，對(duì)比醋酸萃取塔現(xiàn)篩板的參數(shù)為開孔區(qū)2 958孔，降液區(qū)面積620 cm2，計(jì)算開孔區(qū)孔數(shù)為2 964孔，降液區(qū)面積529.7 cm2，孔數(shù)相差不大，而降液區(qū)完全可以滿足工藝優(yōu)化調(diào)節(jié)的要求，即該塔萃取劑的最大流量為25 t/h，因此按照萃取塔降低水分1%的要求，可行的參數(shù)調(diào)節(jié)選項(xiàng)為降低進(jìn)料流量或者降低進(jìn)料醋酸的濃度。

6 結(jié)束語

利用Aspen軟件對(duì)萃取塔建立了滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的模型，探討了萃取塔中溶劑比、溫度、進(jìn)料和萃取劑組份變化對(duì)塔頂水份含量的影響。研究表明當(dāng)降低萃取塔進(jìn)料的酸濃度至43%，溶劑比提高至1∶2.17，醋酸塔塔頂?shù)乃趾靠梢詮?0%降低至9%，將上述模擬的數(shù)據(jù)采用萃取塔計(jì)算式進(jìn)行塔板核算，顯示該萃取塔的萃取劑的流量最大為25 t/h。