4-以T0406醋酸精馏塔为例

中石化镇海炼化分公司年产20万t醋酸乙烯酯项目 分离过程设计与优化2019 “东华科技-恒逸石化”杯 第十三届全国大学生化工设计竞赛 中石化镇海炼化分公司年产20万t醋酸乙烯酯项目分离过程设计与优化VAc想要变得可爱队队员：严琦斌、吴徐冰、王要辉、黄蓓、卢润芝指导老师：胡晓萍、蒋斌波、阳永荣目录1.总塔板数优化32.加料板、回流比和馏出比的优化43.综合优化结果5分离过程设计与优化（以T0406醋酸精馏塔为例）从粗分塔T0401塔底得到的醋酸中含有副反应生成乙二醇二醋酸酯（EGDA）等重组分，醋酸循环回反应器前需要精馏除去EGDA。常压情况下醋酸和乙二醇二醋酸酯的沸点如表1所示，可以看出两者的沸点相差较多，因此可以采用普通精馏技术对其进行分离，实现醋酸的精制。表1 沸点对比表（1 atm）物质醋酸乙二醇二醋酸酯沸点/117.9196198利用RadFrac对该精馏过程进行模拟和优化。体系液相的非理想性，包括醋酸缔合效应引起的偏差，可归结到液相活度系数中予以校正，故选择NRTL-HOC模型表达物系的非理想性，Radfrac模块的收敛方法（convergence）选择strongly non-ideal liquid。1. 总塔板数优化首先确定叔醋酸精馏塔的分离要求。醋酸中重组分EGDA的存在易导致醋酸蒸发器、反应器内结焦，引起传热恶化等诸多不利影响。为避免这一现象，塔顶产物醋酸中EGDA的含量需控制在5mg/kg以下（0.0005%），由于流程中醋酸循环量大，为减小物耗，塔顶醋酸回收率须达到99.99%。在DSTWU中进行简捷计算，分析塔顶醋酸回收率为99.99%，且醋酸中EGDA含量满足要求（不超过5mg/kg）情况下塔板数和回流比的关系。该塔为常压塔，在DSTWU中输入分离目标，得到塔板数与回流比的关系见图1。图1 醋酸精馏塔T0406总塔板数与回流比关系在实际工业生产过程中，塔板数的增多意味着投资费用增加，而回流比的增加意味着操作费用增加。根据图1，最终选择理论塔板数为12块（包括冷凝器与再沸器），在该点理论塔板数对回流比影响已进入平缓区，再继续增加塔板数并不能继续减小精馏塔的操作费用，因此确定其为最终理论板数。以上优化过程源文件为“1-DSTWU-NSTAGE.bkp”。2. 加料板、回流比和馏出比的优化在Radfrac模块中，利用设计规定（Design Specifications）对回流比和馏出比进行优化，使塔顶醋酸回收率和产物中EGDA浓度满足分离要求。T0406精馏塔的塔顶流股为醋酸，根据DSTWU中模拟结果，得到满足塔顶产物醋酸中EGDA浓度要求的理论板数及初始回流比，将其输入RadFrac模块进行严格计算。设定理论塔板数为12（包括冷凝器与再沸器），在设计规定中设置顶产品流股中EGDA浓度为5mg/kg（质量分数为5E-6），通过调节回流比参数使其实现。由于反应时醋酸单程转化率低，体系中循环的醋酸量大，为了减少醋酸的流失，要求塔顶产物中醋酸的回收率达到99.99%以上，为此在该塔中设置了第二个设计规定，同时设置了塔顶流股中醋酸回收率为0.9999，通过调节塔顶产品馏出量来实现。进料板位置对塔的分离效率有较大的影响，进而影响精馏塔操作时的回流比和能耗。在满足上述两个设计规定的前提下，用灵敏度分析（Sensitivity）考察进料板与回流比、再沸器热负荷的关系，其结果示于图2（图中RR表示回流比，reflux ratio；DREB表示再沸器热负荷，reboiler heat duty）。从图中可见，在满足醋酸和EGDA回收率要求的前提下，第7块板进料时，回流比最小，再沸器能耗最低，说明此时精馏塔分离效率最高。所以最终选择第7块板进料。优化结果得到，当理论板数为12（包括冷凝器和再沸器），第7块理论版进料（包括冷凝器）时，满足分离要求的优化回流比为0.080221，馏出比为0.999712。此部分优化过程源文件为“2-FEEDSTG-RR-DR.bkp”。图2 灵敏度分析结果3. 综合优化结果精馏塔T0304主要用以分离循环醋酸中的重组分EGDA，塔顶醋酸回收率99.99%，产物中EGDA含量不超过5mg/kg（质量分数5E-6）。在权衡设备投资费用和操作费用后，在满足分离要求的前提下优化得到塔的理论板数为12块（包括冷凝器和再沸器）。通过两个设计规定优化得到塔的回流比为0.080221、塔顶馏出比为0.999712，优化后的加料板为第7块板（包括冷凝器）。在此优化条件下，塔顶醋酸流股信息如表2所示，塔顶醋酸产物中EGDA含量和醋酸在塔顶的回收率和均符合要求。最终优化结果源文件为“3-Optimization-Results.bkp”。表2 塔顶醋酸流股信息组分单位流量质量分数C2H4kg/hr00O2kg/hr00CH3COOHkg/hr15377.50.980373H2Okg/hr302.1170.0192611CO2kg/hr00VINYL-01(醋酸乙烯)kg/hr5.550290.000353852ME-AC(醋酸甲酯)kg/hr0.000112527.17359E-09ET-AC(醋酸乙酯)kg/hr0.1050336.69623E