利用Aspen Plus軟件模擬優(yōu)化1，4-丁二醇廢液回收工藝

李青鵬，姚元宏，張 旭

(新疆中泰創(chuàng)新技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1,4-丁二醇(BDO)是一種重要的化工原料，主要用于生產(chǎn)四氫呋喃/聚四乙二醇醚(THF/PTMEG)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及聚氨酯(PU)等，在醫(yī)藥、紡織、造紙、汽車和日用化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。采用Reppe法生產(chǎn)BDO的過程中會產(chǎn)生大量含有BDO和鈉鹽的廢液[3-4]，目前一般將其進(jìn)行焚燒處理，造成利用率和經(jīng)濟(jì)效益低?；厥绽脧U液中的BDO不僅能降低廢液處理的環(huán)保壓力，而且為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作者采用刮板式薄膜蒸發(fā)器與精餾塔組合工藝處理BDO廢液，應(yīng)用Aspen Plus軟件對工藝參數(shù)進(jìn)行模擬與優(yōu)化，并通過間歇減壓精餾實(shí)驗(yàn)對模擬的工藝條件的可行性進(jìn)行驗(yàn)證[5-6]。

1 BDO廢液回收工藝流程的模擬

1.1 BDO廢液組成

新疆某化工企業(yè)BDO廢液的組成及各成分在常壓下的沸點(diǎn)見表1。

表1 BDO廢液組成及各成分在常壓下的沸點(diǎn)

1.2 工藝流程

BDO廢液回收工藝流程如圖1所示。

S1.BDO廢液 S2.富含BDO的輕組分 S3.重組分 S4.精餾塔分離出的重組分 S5.精制BDO S6.混合重組分 B1.換熱器 B2.刮板式薄膜蒸發(fā)器 B3.精餾塔 B4.混合器

廢液經(jīng)泵輸送至刮板式薄膜蒸發(fā)器，在負(fù)壓狀態(tài)下與蒸汽換熱；廢液中富含BDO的輕組分從刮板式薄膜蒸發(fā)器頂部餾出進(jìn)入精餾塔中進(jìn)行減壓精餾，得到精制的BDO；廢液中重組分從刮板式薄膜蒸發(fā)器底部分離出來與精餾塔塔釜分離出來的重組分混合后輸送至焚燒裝置焚燒供熱。

工業(yè)上如果直接采用精餾塔對廢液進(jìn)行減壓精餾，容易出現(xiàn)塔釜再沸器結(jié)垢、塔板堵塞和管道堵塞等問題。因此，在廢液進(jìn)入精餾塔前設(shè)計(jì)刮板式薄膜蒸發(fā)器(壓力20 kPa、溫度227 ℃)，廢液經(jīng)過脫鹽和脫重初步提純后，富含BDO的輕組分從刮板式薄膜蒸發(fā)器頂部餾出進(jìn)入精餾塔中進(jìn)行減壓精餾，可有效避免廢液因黏度大、含鹽量高而無法直接采用精餾塔精餾的問題。

1.3 模擬條件

為了提高分離效果并降低能耗，以精餾塔塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷為評價(jià)指標(biāo)，利用Aspen Plus軟件中的RadFrac模塊模擬精餾塔的操作單元，用NRTL模型對精餾塔進(jìn)行模擬。用DSTWU簡捷法對精餾塔進(jìn)行初始模擬設(shè)計(jì)[7]，初始模擬條件為：最小回流比2.20、模擬回流比2.60、模擬塔板數(shù)29、進(jìn)料位置為第20塊塔板、塔釜再沸器熱負(fù)荷525.46 kW、餾出比0.68。理論塔板數(shù)與回流比的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 理論塔板數(shù)與回流比的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of number of theoretical plates and reflux ratio

2 BDO廢液回收工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1 進(jìn)料位置的優(yōu)化

進(jìn)料位置對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響如圖3所示。

圖3 進(jìn)料位置對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器 熱負(fù)荷的影響Fig.3 Effects of feeding position on mass fraction of BDO at top of tower and heat duty of reboiler

從圖 3可以看出，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨廢液進(jìn)料位置的下移先增加后減少。這是由于，隨著進(jìn)料位置的下移，提餾段塔板數(shù)增加，從而增大了氣液傳質(zhì)接觸面積，氣液兩相得到充分接觸，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加；當(dāng)進(jìn)料位置下移至第23塊塔板時(shí)，精餾段塔板數(shù)減少，氣液傳質(zhì)接觸面積減小，使得塔頂重組分增多、輕組分相對減少，導(dǎo)致塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)料位置下移至第23塊塔板時(shí)，塔釜再沸器熱負(fù)荷增加。綜合考慮精餾效果和塔釜熱負(fù)荷，確定第22塊塔板為廢液進(jìn)料位置。

2.2 回流比的優(yōu)化

回流比是精餾過程中的一個重要參數(shù)，不僅影響能耗，還會影響操作，對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大[7-8]?；亓鞅葘λ擝DO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響如圖4所示。

圖4 回流比對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響Fig.4 Effects of reflux ratio on mass fraction of BDO at top of tower and heat duty of reboiler

從圖 4 可以看出，隨著回流比的增大，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先快速增加后趨于穩(wěn)定。回流比的增大有助于提高分離效率，但是也會造成操作成本增加、塔釜再沸器熱負(fù)荷增加。綜合考慮分離效果和操作成本，確定回流比為3。

2.3 塔板數(shù)的優(yōu)化

塔板數(shù)對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響如圖5所示。

圖5 塔板數(shù)對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響Fig.5 Effects of plate number on mass fraction of BDO at top of tower and heat duty of reboiler

從圖5可以看出，隨著塔板數(shù)的增加，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先快速增加后趨于穩(wěn)定，而塔釜再沸器熱負(fù)荷不斷降低，但精餾塔的設(shè)備費(fèi)用卻不斷增加。綜合考慮，確定塔板數(shù)為29。

2.4 餾出比的優(yōu)化

餾出比對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響如圖6所示。

圖6 餾出比對塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響Fig.6 Effects of distillation ratio on mass fraction of BDO at top of tower and heat duty of reboiler

從圖6可以看出，隨著餾出比的增大，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先緩慢增加后快速減少，在餾出比為0.68時(shí)，達(dá)到最大。這是因?yàn)?，?dāng)餾出比小于0.68時(shí)，在其它參數(shù)一定的情況下，精餾塔冷凝再沸比較充分，塔內(nèi)氣液兩相得到充分接觸，達(dá)到了較好的傳質(zhì)效果，保證了較高的BDO純度；而當(dāng)餾出比大于0.68后，在回流比一定的情況下，氣相的上升速率逐漸加快，使得氣液兩相的傳質(zhì)過程受阻，廢液中的重組分進(jìn)入塔頂，導(dǎo)致BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，純度下降。同時(shí)，隨著餾出比的增大，塔頂采出量逐漸增大，導(dǎo)致塔釜再沸器熱負(fù)荷增加。綜合考慮，確定餾出比為0.68。

3 BDO廢液回收優(yōu)化工藝的驗(yàn)證

采用間歇減壓精餾實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化的BDO廢液回收工藝進(jìn)行驗(yàn)證。由于在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，分離過程在刮板式薄膜蒸發(fā)器和精餾塔中進(jìn)行，而實(shí)驗(yàn)室不具備此條件，因此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在玻璃精餾塔中進(jìn)行，塔釜為玻璃四口燒瓶，采用電加熱套加熱。驗(yàn)證工藝流程為：將BDO廢液加入到四口燒瓶中，采用電加熱套加熱燒瓶，無油隔膜真空泵控制塔內(nèi)壓力，塔頂冷凝管采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，收集塔頂餾出組分，采用氣相色譜法測定各物料組成。玻璃精餾塔參數(shù)為：塔徑40 mm、填料高度1. 0 m、填料規(guī)格4 mm×4 mm、不銹鋼絲網(wǎng)填料、理論塔板數(shù)29。減壓精餾條件為：塔頂壓力6 kPa、回流比3、塔底溫度200 ℃。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比見表2。

從表2可以看出，Aspen Plus軟件的模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較接近，模擬優(yōu)化的BDO廢液回收工藝具有可行性。存在差異是由于采用間歇減壓精餾廢液，在恒定回流比和塔板數(shù)下，隨著精餾時(shí)間的延長，塔底組分不斷減少，導(dǎo)致塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于模擬值。因此，使用NRTL模型對精餾過程進(jìn)行模擬是合理的，模擬數(shù)據(jù)能為工藝流程的工業(yè)化提供指導(dǎo)。

表2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

采用刮板式薄膜蒸發(fā)器與精餾塔組合工藝處理BDO廢液，應(yīng)用Aspen Plus軟件對工藝參數(shù)進(jìn)行模擬與優(yōu)化，最優(yōu)工藝條件如下：進(jìn)料位置為第22塊塔板、回流比為3、塔板數(shù)為29、餾出比為0.68，在此條件下，塔頂BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)95.87%。通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了該工藝的可行性和模擬結(jié)果的可靠性。利用Aspen Plus軟件對精餾塔參數(shù)進(jìn)行模擬，能夠大大提高工作效率，選擇最優(yōu)的精餾塔設(shè)計(jì)條件及操作條件，達(dá)到減少能源消耗、創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益的目的。