乙腈精制过程优化研究.pdf

化工自动化及仪表 第3 8 卷 乙腈精制过程优化研究 魏奇业1杨树林2魏毓良1 1 吉林化工学院 吉林吉林1 3 2 0 2 2 2 中国石油天然气股份有限公司规划总院 北京1 0 0 0 8 3 摘要 运用A s p e nP lu s 模拟平台的优化功能 以能耗最小为目标 产品质量为约束 建立了乙腈精制 工艺的全漉程优化模型 模拟优化结果同时得到了所有调节变量的最优操作点 为装王的整体设计和 操作优化提供了依据 关键词乙腈精制过程模拟参教优化 中图分类号T P l5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 0 3 9 3 2 2 0 1 1 0 9 1 1 0 4 0 4 乙腈主要用作医药和石油化工行业的溶剂 也是一些化工产品的生产原料 主要来源于丙烯 氨氧化法生产丙烯腈的副产物 每吨丙烯腈可副 产约3 0 k g 乙腈 副产的粗乙腈中含有水 氢氰 酸 丙烯腈 嗯唑 丙酮及丙腈等杂质 需要精制后 才能使用 目前国内乙腈精制技术存在产品纯度 低 乙腈回收率低 物耗和能耗高以及装置经济效 益差等问题 虽然有研究者运用模拟技术对乙腈 精制工艺进行分析 也有研究者对该工艺进行 了改进 o 但目前尚无对乙腈精制过程进行系统 整体优化研究的报道 也鲜有对产品质量及收率 等相关问题的定量化研究报道 某公司拟进行4 2 0 k t a 丙烯腈装置扩建 乙 腈精制装置第一生产线也要随之扩建 需要对该 过程进行优化设计 模拟和优化技术是研究复杂 化工过程的有效手段 1 笔者旨在运用模拟技术 对某工程公司的乙腈精制工艺流程进行优化研 究 在特定的乙腈产品收率下 以乙腈产品中嘌唑 及丙腈等杂质含量为约束 优化各精馏塔的操作 条件和循环物流量 为装置的整体最优设计和操 作优化提供依据 1 乙腈精制流程简介 某工程公司粗乙腈精制工艺的流程如图l所 示 装置由脱氢氰酸塔 化学处理单元 干燥塔和 成品塔4 个部分组成 来自丙烯腈装置的粗乙腈料 乙腈质量分数 约为5 0 直接送入脱氢氰酸塔 从塔顶蒸出的 大部分氢氰酸和其它轻组分杂质送焚烧处理工 序 含少量乙睛的釜液直接送污水处理工序 脱 氢氰酸塔提馏段侧线气相抽出接近乙腈和水共沸 组成 含嚅唑 丙腈和少量丙烯腈 微量氢氰酸的 图l乙腈精制工艺流程简图 乙腈物料 送往化学处理单元 脱氢氰酸塔侧线 气相抽出料在化学处理单元中与一定量的氢氧化 钠溶液混合 料液中的丙烯腈和氢氰酸反应 生成 稳定的高沸点物质 由于过量氢氧化钠的存在 剩余的游离氢氰酸以氢氰酸钠的形式存在 化学 处理后的乙腈料液进入干燥塔进行减压共沸蒸 馏 塔釜分离出丙腈 部分水和重组分杂质 釜液 排至污水处理工序 在干燥塔中 唔唑随乙腈和 水的共沸物从塔顶蒸出 馏出物进入成品塔 在成 品塔中进行加压共沸蒸馏 成品塔提馏段侧线气 相抽出脱除水的高纯度成品乙腈 釜液返回干燥 塔回收乙腈 成品塔塔顶馏分中主要含有乙腈和 嗯唑 为了回收乙腈 该股物流需要在系统中循 环 即返回到干燥塔重新进行蒸馏 为防止嗯唑 在系统中循环累积而影响产品质量 采取将成品 塔顶少量物料返回到脱氢氰酸塔的措施 进一步 除去杂质 在该流程中 利用减压 加压共沸蒸馏 原理 由干燥塔和成品塔共同完成乙腈脱水任务 在现有的乙腈精制流程中 绝大部分的嚼唑 只能随轻组分杂质在脱氢氰酸塔顶作为不凝气体 收稿日期 2 0 1 l 0 4 2 2 第9 期魏奇业等 乙腈精制过程优化研究 排放 嚼唑的沸点与丙烯腈和乙腈的接近 如果 把嗯唑作为轻组分一次性在脱氢氰酸塔全部随氢 氰酸一起脱除 则会夹带较大量的乙腈 严重影响 乙腈的收率 同时对分离设备的要求也极其苛刻 因此 可在循环中由脱氢氰酸塔和成品塔共同完 成脱除嚼唑的任务 以提高产品质量HJ 2 流程模拟 图2 是根据图l所示的工艺流程在A s p e n P lu s 中建立的模拟模型 热力学方法选用液相活 度系数法N R T L 方程 为了计算准确 热力学方 程选用二元交互作用参数 为简化计算 流程中 的化学处理单元在模型中用组分分离模块替代 图2乙腈分离工艺的模拟模型 作为基础工况 模拟模型的初始参数按照工 程公司提供的工艺包设定 乙腈收率为8 5 模拟中脱氢氰酸塔T 7 1 0 1 采用常压操作 干燥塔 T 7 1 0 2 的操作压力为2 2 3 k P a 成品塔T 7 1 0 3 的操 作压力为5 4 4 3 k P a 在模型中 针对各塔选定了 适宜的计算方法和迭代次数 全流程模拟采用直 接迭代法 在工程公司提供的工艺包中 嗯唑在 干燥塔底全部得到脱除 这一结果不符合热力学 原理 笔者对此进行了修正 表l是各塔的计算 结果 相关物流的流量值在后面以对比的形式给 出 对各塔进行水力学计算是为了观察参数优化 后设备尺寸的变化情况 以便比较优化前 后的设 备投资 同时也为设备设计提供依据 由于只需 对设备投资进行较为粗略的估算 因此笔者计算 出的塔径数值没有进行圆整 表1基础工况各塔计算结果 通过计算可以发现 影响产品乙腈质量的杂 质主要有嗯唑和丙腈 在计算结果中嚼唑和丙腈 的质量分率分别为1 5 7 1 0 4 和6 8 0X1 0 一 优化研究时模型中的调节变量需要在一定范围内 变化 因此对模型的收敛稳定性要求较高 粗乙 腈物系的非理想性较强 初始建立的模型在变量 发生变化时不易收敛 因此在完成模拟计算后 结 合物系特点 重新设定了独立变量 使模型的鲁棒 性更强 以便于进行优化研究 3 参数优化 乙腈精制工艺流程有多个循环物流 影响产 品质量和过程能耗的因素较多 采用工况研究或 灵敏度分析方法对该过程进行研究 需要对多个 变量逐一进行分析 非常繁琐且系统性不强 A s p eP lu s 模拟平台具有很强的优化功能 能够对 复杂化工过程进行整体优化研究 1 笔者在模拟 模型开发的基础上建立了以能耗最小化为目标的 优化模型 通过工艺分析确定了调节变量和约束 变量 为了比较优化效果 在采用A s p eP lu s 对乙 腈精制工艺进行优化研究时 将乙腈收率固定在 8 5 优化目标为各塔再沸器热负荷 Q Q Q 之和 约束为产品中的嗯唑分率 菇 和丙腈分率 互 优化中共有T 7 1 0 1 塔底流量 物流4 T 7 1 0 1 侧线采出量 物流3 T 7 1 0 1 回流比 I 7 1 0 2 塔底流量 物流7 T 7 1 0 2 回流比 T 7 1 0 3 塔底流 量 物流1 2 T 7 1 0 3 回流比和T 7 1 0 3 塔顶馏出物 返回到T 7 1 0 1 的物流量 物流1 1 共8 个调节变 量 优化目标函数和约束的数学表达式为 目标 m in J 口l Q 2 Q 约束善 l X1 0 化工自动化及仪表第3 8 卷 算 1 2 5x1 0 4 优化后各塔的计算结果见表2 调节变量的 数值在高收率优化中给出 嗯唑在产品中的含量 有较严格的要求 丙腈的含量可以放宽 因此优化 后的产品质量总体要好于基础工况的产品质量 而且约束也可以根据具体要求进行调整 表2 各塔的优化计算结果 对比表1 2 后可以看出 优化后T 7 1 0 1 的回 流比增加 而I 7 1 0 2 和T 7 1 0 3 的回流比减小 1 7 1 0 1 回流比的增加是由于嗯唑只能在1 7 1 0 1 塔 顶排放 因此对该塔操作的要求比较苛刻 1 7 1 0 2 回流比减小是由于当1 7 1 0 2 塔顶物流组成到达共 沸组成时 回流比的增加对分离效果的改善不明 显 而能耗却会显著增加 T 7 1 0 3 回流比减小是产 品中丙腈含量要求放宽所致 在基础工况下 各 塔再沸器的热负荷之和为6 5 6 1 M W 优化之后为 6 0 1 8 M W 节能率近8 3 优化后的节能效果比 较显著 优化前各塔塔径之和为4 3 6 0 m 优化后为 4 1 2 5 m 综合考虑塔高因素 优化基础工况下的 设备投资基本没有增加 以优化后的塔径计算结 果作为依据进行设备设计 新建装置的能量利用 效率和产品质量都得到提升 针对现有乙腈精制 装置模拟 在优化模型中添加设备约束进行计算 可以指导生产的优化操作 降低能耗 4提高收率后的优化及结果分析 为了提高产品收率 笔者针对乙腈收率设定 为9 0 的情况进行优化研究 表3 是各塔的计算 结果 由表3 可以看出1 7 1 0 1 的回流比发生了较 大变化 进一步说明该塔的操作对产品质量和收 率影响较大 9 0 收率优化工况下各塔再沸器热 负荷之和为6 7 6 3 M W 较基础工况有所增加 各 塔塔径之和为4 3 6 0 m 与基础工况相同 综合考 虑塔高因素 设备投资会有所增加 表39 0 收率下各塔的优化计算结果 表4 是基础工况 8 5 收率优化工况和9 0 收率优化工况下作为调节变量的各物流流量的计 算结果 对比同收率情况下的基础工况和优化工 况 1 7 1 0 3 塔顶馏出物返回到T 7 1 0 l塔的物流量 和T 7 1 0 3 塔塔釜物流量变化较大 变化率分别为 1 7 和1 9 7 其它3 股物流量的变化率也都在 2 7 以上 说明优化的效果非常显著 对比两种 不同收率情况下的优化工况 物流3 1 1 1 2 的流 量变化率较大 都在4 左右 这是由于产品采 出量的增加导致相关物流需要建立新的物料平衡 所致 表4 物流流率计算结果k g h 5 结束语 运用A s p eP lu s 模拟平台的优化功能建立乙 腈精制工艺全流程优化模型 相对于工况研究或 灵敏度分析方法 具有系统性更强的优势 可方便 地进行多种收率要求下的最优设计和操作优化 并且能够同时得到所有调节变量的最优操作点 运用模拟技术进行优化研究 对模拟模型的收敛 性要求较为严格 对非理想性较强的物系特点进 行分析 能够建立鲁棒性较好的优化模型 参考文献 I 赵国忠 肖珍平 乙腈精制工艺流程方案模拟研究 J 化工设计 2 0 0 2 1 2 5 1 4 一1 6 2 李忠杰 高纯乙腈精制工艺技术开发与应用 J 石 油化T 2 0 0 1 3 0 1 0 7 8 5 7 8 8 3 L a n g s t o nP H ila lN S h in g f ie ldSe ta 1 S im u la t io na n d O p t im iz a t io no fE x t r a ct iv e D is t illa t io nw it I IW a t e r 蚰 S o lv e n t J C h e mE n gP r o ce s s 2 0 0 5 4 4 3 3 4 5 3 5 1 4 熊瑾 高纯乙腈回收精制工艺中曙唑的脱除 J 现 代化工 2 0 0 5 2 5 4 4 6 4 8 5 G e r a r d oJR S o o nBK J e o n g h w aM o o ne ta 1 D e s ig n a n dO p t im iz a t io no fE n e r g yE f f icie n tC o m p le xS o p a r a t io nN e t w o r k s J C o m pC h e mE n g 2 0 1 0 3 4 9 1 5 5 6 1 5 6 3 下转第1 1 4 2 页 1 1 4 2化工自动化及仪表第3 8 卷 量过程中精密度高 可靠性好 有实用价值 3结束语 通过应用K 0 5 型自动蒸馏装置测定丁腈橡 胶中结合丙烯腈含量的分析方法 简化了操作步 骤 提高了工作中的安全性 相对缩短了分析时 间 本试验经过反复验证确定了一次性地加入吸 收液 碱液的量和合理的蒸馏时间 在一年多的 使用过程中 该仪器性能稳定 设计合理 提高了 试验过程中的安全性 减轻了劳动强度 采用该 仪器进行蒸馏测定结果准确 通过多次试验可以 验证平行测定的两个结果之差不大于0 5 可 靠性好 精密度较高 同时提高了分析效率 目前 该仪器已成功应用于丁腈橡胶结合丙烯腈含量的 测定 2 3 4 参考文献 S H T1 1 5 7 1 9 9 7 丁腈橡胶中结合丙烯腈含量的测 定 S 北京 中国石油工业出版社 1 9 9 7 廖俊杰 陈福林 岑兰等 丁腈橡胶的应用研究进展 J 特种橡胶制品 2 0 0 7 2 8 5 4 2 一 侯英涛 李权斌 应用自动分析仪测定天然橡胶标 准胶N R 中的氮含量 J 现代科学仪器 2 0 0 6 5 1 0 4 1 0 6 黄训斌 姚锦余 朱云新 凯氏定氮法在测试氯乙烯 一丙烯腈共聚树脂中丙烯腈含量的应用 J 聚氯 乙烯 2 0 0 6 8 3 6 3 8 上接第1 1 0 6 页 S t u d yo nA ce t o n it r ileP u r if ica t io nO p t im iz a t io n W E IQ i y e l Y A N GS h u lin 2 W E I Y u lia n 9 1 1 J ilinI n s t it u t eo fC h e m ica lT e ch n o lo g y J ilin1 3 2 0 2 2 C h in a 2 P e t r o C h in aP la n n in g E n g in e e r in gln s t u u t e B e ij in g1 0 0 0 8 3 C h in a A b s t r a ct B a s in go nt h eA s p e nP lu ss im u la t io np la t f o r m t h eo p t im iz a t io nm o d e lb o a s t in go fe ig h tm a n ip u la t e d v a r ia b le st om in im iz ee n e r g yco n s u m p t io na n dt oim p r o v ep r o d u ct sq u a lit yw a se s t a b lis h e df o ra ce t o n it r ilep u r i f ica t io np r o ce s s T h ea p p lica t io nr e s u lt sp r o v eit se n e r g y s a v in ge f f e ct sa n dt h eo p t im a lo p e r a t in gp o in t so fa ll m a n ip u la t e dv a r ia b le sca nb eo b t a in e ds im u lt a n e o u s ly t h isca nb e n e f itt h eu n itd e s ig na n do p t im iz a t io n K e yw o r d sa ce t o n it r ilep u r if ica t io n s im u la t io n p a r a m e t e ro p t im iz a t io n 4 5 6 上接第ll1 6 页 程明霄 吴雁鸣 胡铟等 工业色谱仪的嵌入式系统 应用研究 J 化工自动化及仪表 2 0 0 5 3 2 4 6 7 7 1 张昆 邱扬 刘浩 基于C P L D 的系统中1 2 C 总线的 设计 J 电子技术应用 2 0 0 3 2 9 1 1 4 0 4 2 李正民 姬晓阳 陈京育 基于1 2 C 总线的多处理器测 控系统的研究 J 测控技术 2 0 1 0 2 9 S 7 9 8 1 7 8 9 何立民 1 2 C 总线应用系统设计 M 北京 北京航 空航天大学出版杜 1 9 9 5 窦振中 P I C 系列单片机原理和程序设计 M 北 京 北京航空航天大学出版社 1 9 9 9 郭建民 傅国林 如何保证在线气相色谱仪的分析 准确性 J 化工自动化及仪表 2 0 0 5 3 2 5 5 9 6 1 G CC o n