丁二烯萃取精餾塔的優(yōu)化

丁二烯萃取精餾塔的優(yōu)化

丁二烯萃取精餾塔（簡(jiǎn)稱一尖塔）是cs泵的最重要的塔徑，也是塔板的最重要安裝。具有投資份額大、運(yùn)營(yíng)成本高、影響因素多等特點(diǎn)。萃取精餾時(shí),極性溶劑的存在使混合C4餾分中各組分的相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生改變,所以能夠?qū)⒍《┡c丁烷、丁烯及炔烴分離,最難與丁二烯分離的是cis–2–丁烯。為降低能耗并提高丁二烯收率,須對(duì)一萃塔工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。本工作以乙腈法C4抽提裝置為例,討論丁二烯萃取精餾塔的優(yōu)化。1優(yōu)化精噸塔的操作條件1.1.1c3烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)m(溶劑)/m(C4)(溶劑比)直接影響裝置投資和操作費(fèi)用,早期的溶劑比一般為10～12,一萃塔回流比為8。為降低能耗,20世紀(jì)80年代以來(lái)經(jīng)多次模擬計(jì)算并不斷優(yōu)化工藝條件,根據(jù)對(duì)塔頂萃余C4中丁二烯含量的不同要求,將溶劑比和回流比分別降至4～6和3～6,保證50%～65%cis–2–丁烯通過一萃塔去除,剩余cis–2–丁烯通過后續(xù)脫重塔脫除,雖可使蒸汽消耗量降低40%,但trans–2–丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須小于0.2%,否則最終成品丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)就難以保證大于99.5%。溶劑比與溶劑性質(zhì)有關(guān),取決于溶劑對(duì)C4烴的選擇性和溶解度。溶劑對(duì)C4烴的選擇性可用乙腈加入后C4烴的相對(duì)揮發(fā)度改變來(lái)表征,變化順序?yàn)?丁烷>丁烯>丁二烯>炔烴,C4烴在乙腈中的溶解度順序?yàn)?丁烷<丁烯<丁二烯<丁炔和乙烯基乙炔,丁烷在乙腈中的溶解度是有限的。萃取精餾操作過程中塔板上C4烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般須維持在25%～30%,過去為15%～20%;塔板上C4烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)小雖對(duì)操作有利,抗干擾能力強(qiáng),但操作費(fèi)用較高,相對(duì)處理能力較小;塔板上C4烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大可降低操作費(fèi)用,提高萃取塔的處理能力,過大不僅會(huì)使分離效率降低,容易造成液泛,甚至在塔板上出現(xiàn)液體分層。實(shí)際生產(chǎn)過程中,溶劑比應(yīng)隨C4烴中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,碳四烴中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí),溶劑比為4～6較好。1.1.2乙腈及其他乙腈萃取劑對(duì)2c餾分液的分離效果加入5%～10%水不但可使乙腈萃取劑對(duì)C4的選擇性提高,而且還能顯著降低萃取劑–C4烴混合液的泡點(diǎn),使塔的操作溫度降低,有效地減少丁二烯和炔烴聚合物的生成,減輕塔器、再沸器和管道的堵塞,使裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期延長(zhǎng)。除水解作用極強(qiáng)的二甲基甲酰胺外,萃取劑均需加入一定量水,乙腈和N–甲基吡咯烷酮的加水量應(yīng)小于10%,糠醛小于4%。乙腈含水量對(duì)C4餾分中各組分相對(duì)揮發(fā)度的影響如表1所示。由表1可以看出,萃取劑對(duì)C4烴的溶解度隨乙腈含水量的增加而降低,需要增加萃取劑的循環(huán)量,操作費(fèi)用隨之增加。含水量增大時(shí)乙腈加劇水解,生成乙酸和氨,對(duì)碳鋼設(shè)備的腐蝕加重,20世紀(jì)70年代曾用水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%的乙腈做萃取劑,雖可操作,但塔板和再沸器腐蝕嚴(yán)重,二三年就需更新或1.5年就需堵漏。80年代以后將乙腈中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到10%以下,經(jīng)?？刂圃?%～8%,使設(shè)備腐蝕顯著減輕。1.1.3進(jìn)料溫度對(duì)分離效果的影響溶劑進(jìn)料溫度對(duì)塔的分離效率和熱負(fù)荷影響很大,因?yàn)樵诿恳粚铀迳先軇┑馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)均在70%以上,在一定范圍內(nèi),丁二烯收率隨溶劑進(jìn)料溫度的降低而升高,50℃分離效果最好。計(jì)算顯示,進(jìn)料溫度由60℃降為50℃,塔頂丁二烯摩爾分?jǐn)?shù)由0.496%降為0.14%,輕組分脫除率大幅度提高。降低溫度雖會(huì)使塔釜熱負(fù)荷有所增加,但與改善分離效果相比,控制較低溶劑進(jìn)塔溫度比較有利。溶劑進(jìn)塔溫度控制在50～55℃較為適宜。1.2取劑選擇性的確定回流比為塔頂回流質(zhì)量與采出質(zhì)量之比。在一定范圍內(nèi),分離效率隨回流比的增加而提高,塔頂丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,丁二烯收率提高,到一定程度,分離效率隨回流比的增加而顯著減小,因?yàn)樗迳弦译孑腿┑倪x擇性隨C4烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。能耗也隨回流比的增加而增加,所以在滿足工藝指標(biāo)的情況下應(yīng)盡量降低回流比。在分離效率不變的實(shí)際生產(chǎn)過程中,降低回流比可使裝置的處理能力提高20%～30%。應(yīng)根據(jù)進(jìn)料組成和進(jìn)料量變化改變回流比。原料C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且丁烷、丁烯等輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低或進(jìn)料量增大時(shí),可將回流比控制得略大一些,以保證塔板上乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定。模擬計(jì)算和實(shí)際操作證實(shí),C4原料中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí),根據(jù)塔頂萃余C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求,將溶劑比控制在4～6,回流比可降低到3.2～3.6。回流比不宜過小,小于2時(shí)分離效率降低。1.3塔封采出量之差壓力、溫度給定且C4進(jìn)料量固定不變時(shí),塔頂、塔釜采出量只能固定1個(gè);如果進(jìn)料量和塔釜采出量固定,塔頂采出量應(yīng)為進(jìn)料量與塔釜采出量之差。塔頂丁烯、丁烷等輕組分采出量過小,塔釜丁二烯產(chǎn)品會(huì)因丁烯、丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而不合格;反之,塔頂丁烯、丁烷采出量過大,塔頂產(chǎn)品會(huì)因丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而不合格,在生產(chǎn)要求塔頂萃余C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10-6級(jí)苛刻條件時(shí),更要嚴(yán)格控制好塔頂采出量。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)C4原料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況,及時(shí)調(diào)節(jié)塔頂采出量,以保持塔內(nèi)物料平衡。2塔板間再沸器設(shè)置計(jì)算結(jié)果顯示,回流比、溶劑比及C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.5、6和48.3%時(shí),第一至第三層理論板溫度分別為119、91.7和80℃,第四層板為76.7℃,第五層以上板溫度變化很小,系恒溫區(qū)。在第二與第三層理論板之間設(shè)置2臺(tái)中間再沸器,利用從塔釜采出的高溫溶劑加熱塔板物料,充分利用溶劑的顯熱,可使裝置的熱負(fù)荷節(jié)省40%～50%,20世紀(jì)80年代后已被各丁二烯裝置采用,有的裝置還進(jìn)行3次換熱。由于增加中間再沸器后塔板效率會(huì)降低,所以實(shí)際塔板數(shù)需增加5～8層。采用立式熱虹吸一次通過型再沸器,可使丁二烯自聚物累積量減少,使用周期延長(zhǎng)。3萃塔裝置設(shè)計(jì)要改進(jìn)丁二烯萃取精餾塔的特點(diǎn):溶劑加入后液相負(fù)荷大;丁二烯、炔烴等在高溫條件下容易生成橡膠狀聚合物,黏結(jié)在塔板和浮閥上,使塔板的效率降低。曾用4臺(tái)板數(shù)分別為100層、120層、150層和217層且板形不同的浮閥塔分離C4,塔釜丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)(扣除溶劑)為94%時(shí),塔頂萃余C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%、0.8%、0.3%和10-5。模擬計(jì)算顯示,50層理論板時(shí),塔頂丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.84%,丁二烯收率為96.8%;70層時(shí)塔頂丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低到4×10-6,塔板效率較低。蘭州化學(xué)工業(yè)公司工程公司使用過F1型浮閥、導(dǎo)向浮閥和ADV浮閥,北京燕山石化公司使用過南京凱寧精餾公司微型浮閥,生產(chǎn)實(shí)踐證明,一萃塔的實(shí)際塔板數(shù)僅為100層是不夠的,丁二烯收率低,塔頂萃余C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)常超過1.2%標(biāo)準(zhǔn),不但難以操作,還需使用較大溶劑比。改造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加塔板數(shù),尤其是要求塔頂萃余C4中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10-6級(jí)苛刻條件時(shí),需要將實(shí)際塔板數(shù)確定為200層。除設(shè)計(jì)足夠多的塔板數(shù)外,還要盡量減小死角。γ射線掃描發(fā)現(xiàn),塔板上和降液管內(nèi)有發(fā)泡現(xiàn)象且液層增高,出口堰上液流強(qiáng)度升高到85～90m3/(m·h)。設(shè)計(jì)塔板、降液管、塔板間距、出口堰高度和堰長(zhǎng)時(shí),選用對(duì)液體流動(dòng)推動(dòng)能力較強(qiáng)的浮閥,如天津大學(xué)研制的梯形導(dǎo)向浮閥和固閥比較適宜。宜在中間降液管內(nèi)設(shè)計(jì)防沖擋板(防跨越擋板),其作用是將液體檔入降液管,起導(dǎo)向作用。由于生產(chǎn)過程中有丁二烯和炔烴熱聚合物在一萃塔中生成,所以應(yīng)在塔板上增設(shè)一定數(shù)量固定閥,在降液板上設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置,以提高處理能力和分離效率,延長(zhǎng)運(yùn)行周期。在優(yōu)化工藝和塔徑不變條件下,較大幅度地增加塔板數(shù),采用高效浮閥、新型結(jié)構(gòu)降液管和出口堰,可使一萃塔的生產(chǎn)能力提高1～2倍,甚至更多。4溶劑比和回流比影響以乙