楊家軍　張平　馬廣超

摘 要：該文首先對(duì)年產(chǎn)11萬噸丙烯腈精制過程中精餾塔的操作壓力進(jìn)行分析并確定影響因素；然后通過PROII模擬計(jì)算得到不同壓力下兩塔頂和塔釜的溫度值，從中分析確定合理的操作壓力值；最后對(duì)相應(yīng)壓力下兩塔的熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算。

關(guān)鍵詞：丙烯腈 操作壓力 模擬 PROII

中圖分類號(hào)：TQ113.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（a）-0080-03

目前，丙烯腈生產(chǎn)裝置中的絕大多數(shù)仍是采用丙烯氨氧化生產(chǎn)工藝[1]。此工藝中精制單元起著重要作用：將粗丙烯腈中的氫氰酸回收并除去水和少量的丙烷、二氧化碳、丙烯醛和重組分等。關(guān)于這方面的模擬研究已有一些報(bào)導(dǎo)[2-4]，這些研究中有對(duì)過程建立模擬系統(tǒng)的，也有對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化的，但從設(shè)計(jì)角度對(duì)工藝參數(shù)的模擬研究很少，因此關(guān)于這方面研究對(duì)于設(shè)計(jì)和操作來說都是具有意義的。該文中研究對(duì)象是年產(chǎn)11萬噸丙烯腈裝置中的精制過程。文中模擬系統(tǒng)的建立利用PROII軟件，主要考慮的工藝參數(shù)是精餾塔的操作壓力。

1 精制工藝分析

丙烯腈精制單元一般由脫氫氰酸塔和產(chǎn)品塔組成，前者主要用于得到純度較高的氫氰酸并除去水和粗丙烯腈中的一些輕組分，后者主要得到純度較高的丙烯腈并將產(chǎn)品外的其他液相采出循環(huán)至前一工段。兩塔的流程與普通精餾塔相比顯著的區(qū)別是存在側(cè)線采出：脫氫氰酸塔需側(cè)線采出塔中的液相，液相分層后將水層采出，實(shí)現(xiàn)脫水目的；成品塔中需側(cè)線采出成品丙烯腈，因塔頂部采出中會(huì)含有少量水和其它雜質(zhì)，塔釜采出中會(huì)含有一些重組分。對(duì)于此精制工藝的設(shè)計(jì)來說，首先需關(guān)注的是工藝操作壓力，因?yàn)槠溆绊懼鋮s介質(zhì)與加熱介質(zhì)的選擇和冷凝器、再沸器的形式。該文并不對(duì)兩塔的具體尺寸數(shù)據(jù)作過多討論，重點(diǎn)通過模擬計(jì)算分析確定壓力參數(shù)。

2 工藝模擬

對(duì)于年產(chǎn)量為11萬噸的丙烯腈生產(chǎn)裝置（年生產(chǎn)時(shí)間為7 200小時(shí)），設(shè)定丙烯腈產(chǎn)品純度為大于等于99.5%（wt），精制過程丙烯腈損失率按照1.7%計(jì)算（循環(huán)部分按做損失算），進(jìn)料粗丙烯腈的組成參考工業(yè)上多數(shù)情況定義。丙烯腈精制單元進(jìn)料見表1所示。以下僅對(duì)模擬中一般性的設(shè)置作簡(jiǎn)單介紹。在PROII中定義各組分和進(jìn)料流股，脫氫氰酸塔熱力學(xué)模型選擇基于液相活度的汽液相NRTL方程，成品塔選用選擇修正的狀態(tài)方程SRKM。兩塔均選用不帶冷凝器的Ddistillation模塊模擬，根據(jù)Shortcut模塊計(jì)算結(jié)果設(shè)置Ddistillation模塊中相應(yīng)數(shù)據(jù)，求解方法分別選用Chemist法和I/O算法。

3 操作壓力

操作壓力的選取一般需考慮能否使用冷卻水冷凝、操作壓力對(duì)相對(duì)揮發(fā)度和傳質(zhì)效率的影響、以及塔造價(jià)和操作費(fèi)用等。對(duì)于脫氫氰酸塔，按照清晰分割估算塔頂組成，其中氫氰酸的質(zhì)量百分含量為99.5%，由PROII中Streams模塊計(jì)算49 ℃此流股的泡點(diǎn)壓力為1.13 MPa，若采用加壓操作，是可以使用冷卻水冷凝的。而對(duì)于此工藝，選用操作壓力時(shí)不得不考慮塔內(nèi)物料的危險(xiǎn)性。由于氫氰酸和丙烯腈的毒性很大，所以從安全上考慮兩塔最好都在負(fù)壓下操作，同時(shí)負(fù)壓操作也會(huì)降低塔內(nèi)溫度，減少聚合損失，并且降低塔釜熱源所需溫度。但負(fù)壓操作下冷卻劑便不能采用冷卻水了，同上的塔頂組成Streams模塊計(jì)算壓力為1個(gè)大氣壓時(shí)流股的露點(diǎn)溫度為20.86 ℃，負(fù)壓下用一般的冷卻水將塔頂物料冷卻到露點(diǎn)是不可能的。模擬計(jì)算得1個(gè)大氣壓時(shí)流股被全部冷凝下來的溫度約為-51.85 ℃，這需要高的冷卻費(fèi)用?？紤]造成此結(jié)果的原因是塔頂需排出一些不易被冷凝的氣體，如丙烯、丙烷等，所以可以考慮塔頂氣體先部分冷凝，二次冷凝后的不凝氣體直接去火炬。一次冷凝后的液相分率按氫氰酸的摩爾分?jǐn)?shù)估算為0.94，此液相分率下不同操作壓力對(duì)應(yīng)塔頂物料溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2中數(shù)據(jù)顯示了不同壓力下將脫氫氰酸塔頂物料冷凝成94%（摩爾）的液相所需將物料冷卻到的溫度。壓力越低所需的冷卻費(fèi)用和真空泵的操作費(fèi)用越高，同時(shí)塔釜溫度也越低，即所需熱源溫度也越低，不同壓力下塔釜泡點(diǎn)溫度見表3數(shù)據(jù)。由于丙烯腈生產(chǎn)工藝回收單元中會(huì)產(chǎn)生溫度為110 ℃左右的貧水，可作為脫氫氰酸塔和成品塔的塔釜熱源利用。一般性的初步設(shè)計(jì)中考慮全塔壓降為30 KPa，所以為了使脫氫氰酸塔基本均在負(fù)壓狀態(tài)下，至少取塔頂壓力為70 KPa。但此值應(yīng)該是相對(duì)合理的值，因?yàn)闅淝杷嶂饕谔狃s段以上的區(qū)域分布。此條件下，塔釜溫度為76.39 ℃，與熱源有三十多度的溫差，能夠?qū)崿F(xiàn)換熱。

對(duì)于成品塔，其分析過程與脫氫氰酸塔類似。成品塔塔頂采出中含有的主要組分為丙烯腈，由于其沸點(diǎn)不低量又較大，所以可應(yīng)用冷卻水將塔頂中絕大部分的氣相物料冷凝，之后再用冷卻劑二次冷凝。因此取經(jīng)水冷器后物料的液相摩爾分率為0.99，模擬計(jì)算得到表4的數(shù)據(jù)。冷卻水的溫度取為25 ℃，若要保持20 ℃的溫差則塔頂壓力由內(nèi)插法得為38.59 kPa。仍按全塔壓降為30 kPa時(shí)計(jì)算不同壓力下塔釜液的泡點(diǎn)溫度，得表5數(shù)據(jù)，塔釜采出中丙烯腈的含量也很高，但其中會(huì)含有少量的重組分，所以取丙烯腈摩爾含量為0.999計(jì)算泡點(diǎn)溫度。對(duì)于熱源為110 ℃的貧水來說，從溫度差來看真空操作下均能實(shí)現(xiàn)換熱。在確定后的兩塔壓力分別為70 KPa和38.59 KPa，全塔壓降均為30 KPa時(shí)對(duì)兩塔進(jìn)行模擬，得到的冷凝器和換熱器熱負(fù)荷如表6所示。

4 結(jié)語

該文對(duì)11萬噸每年的丙烯腈裝置中精餾工段兩精餾塔進(jìn)行了模擬研究，主要分析兩塔操作壓力的確定過程，并確定了相應(yīng)的壓力值和兩塔的熱負(fù)荷。對(duì)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作均有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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