基于計算機模擬的丙酮加氫生產異丙醇工藝節能改造方案研究

殷娟娟,夏 偉,黎小輝,程國建,彭進業

(1.西北大學 信息科學與技術學院,陜西 西安 710127; 2.西安培華學院 智能科學與信息工程學院,陜西 西安 710125; 3.西安石油大學 化學化工學院,陜西 西安 710065;4.西安石油大學 計算機學院,陜西 西安 710065)

引 言

異丙醇(IPA)是一種應用廣泛的石油化工產品,是重要的有機溶劑與化工原料。工業上生產異丙醇的工藝主要有丙烯間接水合法、丙烯直接水合法、丙酮加氫法、乙酸異丙酯氫化法以及乙酸異丙酯-甲醇酯交換法[1]。丙酮加氫法工藝具有流程簡單,污染程度低等優勢,因而受到廣泛關注。

目前,國內外對丙酮加氫法制備異丙醇生產過程的優化性研究主要集中在以下幾個方面:新型高效催化劑研發、反應器設計與優化、流程優化控制與節能。對反應體系的優化主要依賴催化劑的研究與進步,目前丙酮加氫均相催化劑主要為銥、釕絡合物等,非均相催化劑主要集中在雷尼鎳、Ni/Al2O3、Ni/SiO2、Ni/MgO以及NiMg-Al層狀雙氫氧化物等[2]。此外,在反應器層面對丙酮加氫過程進行優化,如Zhou等[3]通過CFD計算模擬了丙酮在裝填球形催化劑顆粒的固定床反應器中的加氫反應,研究了入口氣體速度及顆粒直徑等對加氫反應的影響。Peng等[4]通過CFD計算模擬了顆粒內和流化床區域的傳熱及傳質特性,考察了結構參數對丙酮轉化率和異丙醇選擇性的影響,為從反應器設計角度強化丙酮加氫反應提供了思路。除催化劑與反應器優化之外,一些學者還從流程角度優化丙酮加氫生產異丙醇過程,如何芳等[5]通過 Aspen Plus 軟件建立反應、精餾工段流程,模擬優化了工藝流程和參數。呂燕根等[6]采用Aspen Plus軟件對丙酮加氫生產異丙醇全流程進行模擬,對進料位置、回流比、理論板數等操作參數進行優化,并采用AspenEDR進行換熱網絡設計,經調優后使總能耗降低12.7%。由此可見,僅在原有流程內進行換熱網絡設計的節能效果是有限的。在石油化工生產中,精餾是使用范圍最廣的高能耗分離技術,其能耗大約占整個工藝過程總能耗的65%[7-8]。為了獲得更為顯著的節能效果, Li等[9]使用Aspen Plus對現有丙酮加氫制異丙醇全流程進行模擬,在此基礎上通過采用雙效精餾和熱泵精餾對工藝流程進行改進和優化后,能耗、碳排放分別降低36.73%、40%,滿足“中國制造2025”的要求。因此,在對催化劑、反應器進行優化的基礎上保證了產品收率及純度之后,工藝流程的整體性節能優化就顯得非常重要。

本文在模擬計算基礎上對該工藝的異丙醇分離精制部分提出5種節能改造方案,即雙效精餾、塔間熱泵精餾、雙塔聯合熱泵方案、雙塔+脫輕塔熱耦合方案和隔壁塔精餾方案,根據模擬結果對比5種流程的優缺點,提出生產不同純度的主產品異丙醇與副產品甲基異丁基酮的流程改造方案,在保證產品純度的同時,降低能耗,節約投資,為后續工藝改造提供方向性指導。

1 原丙酮加氫工藝分析

某化工廠丙酮加氫生產異丙醇工藝流程如圖1所示。原料丙酮經汽化后與氫氣混合,進入加氫反應器后反應生成主產物異丙醇(IPA)及副產物甲基異丁基酮(MIBK),反應產物被冷卻后進入氣液分離器回收未反應氫氣,液相產物進入精餾工段,依次經脫輕塔、產品塔,從產品塔塔頂分離出丙酮、IPA(ω=99.5%),塔底分離出MIBK(ω=85%)。利用Aspen Plus軟件對現有操作條件下的工藝進行模擬,結果見表1和表2。

圖1 現有丙酮加氫工藝流程

表2 原流程的操作條件模擬計算結果

以主產品IPA、副產品MIBK的純度及能耗為優化目標,對由脫輕塔、產品塔構成的精餾系統進行優化的方式主要有兩種:參數優化與結構優化。首先,考慮在不改動原流程結構的基礎上進行參數優化。由于在目前操作條件下,副產物MIBK中含有大量IPA,未達到工業用MIBK的化學純要求(ω=99.0%)[10]。由于MIBK的附加值較高,因此考慮通過優化精餾塔的參數,將產品塔塔底MIBK的質量分數提升至99.0%以上,以增加產品收益。

分別對脫輕塔和產品塔進行單獨優化以及綜合優化,結果見表3,從中分析可得如下結論:

表3 3種參數優化方案模擬計算結果

(1)IPA產品純度同時受脫輕塔和產品塔的操作參數影響,但主要受制于脫輕塔的分離效果。MIBK在該分離體系中屬于重組分,單獨優化脫輕塔操作參數對其純度影響不大, 而產品塔回流比對其純度影響較大。

(2)根據產品塔單獨優化結果可知,若僅控制IPA純度,對MIBK沒有純度要求,產品塔的回流比可低至0.09,此時兩塔總負荷最低,冷凝器、再沸器總負荷比未優化的原流程低,但缺點是MIBK純度降低;反之,若使IPA純度滿足要求的同時,還要保證MIBK的純度,則需要調整產品塔的回流比,但能耗將大幅增加。若要求ω(MIBK)≥99.0%,則此時相對于能耗最低的方案,總能耗將增加131.8%;若要求ω(MIBK)≥99.5%,則此時相對于能耗最低的方案,總能耗將增加372.4%。

(3)由綜合優化可得結論,在同時保證ω(IPA)≥99.5%且ω(MIBK)≥99.0%的條件下,增大產品塔回流比可減小脫輕塔回流比,但產品塔負荷增加,這是由于脫輕塔塔頂采出量遠小于產品塔,在回流比變化幅度相同時,產品塔負荷變化更大。

(4)增加能耗可提升MIBK產品質量,但是該裝置主要生產IPA,追求MIBK的高純度反而減少經濟效益,故綜合考慮,推薦ω(IPA)≥99.5%,ω(MIBK)≥99.0%的生產方案。

(5)在原裝置基礎上,通過調整操作參數,能耗最低可降至2 987 kW。除調整操作參數外,還可考慮對結構參數進行優化,即進行流程改造。本文提出雙效精餾、塔間熱泵精餾、雙塔聯合熱泵方案、雙塔+脫輕塔熱耦合方案和隔壁塔精餾5種方案,繼續對裝置可能存在的能耗最低方案進行探究。

2 改造方案研究

2.1 “雙效精餾”方案與“塔間熱泵”方案

近年來,多效精餾作為一種有效的節能措施,越來越受到重視。多效精餾采用多塔代替單塔的方式,有效利用各個塔之間的能位級別差,使能位較低的塔能夠回收能位較高塔的能量[11]。然而,并不是效數越多越好,隨著效數增多,設備投資也在增加,故常使用雙效或三效精餾。雙效精餾將高壓塔塔頂蒸汽作為低壓塔再沸器的熱源,從而降低精餾過程的能耗[12-13]。本文將產品塔設為高壓塔,提高塔頂蒸汽的品位,為脫輕塔再沸器提供熱量。其余流程結構不變,改造后流程如圖2所示。

圖2 雙效精餾方案流程

此外,熱泵精餾也是化工生產中常用的節能技術之一,傳統熱泵精餾是利用同一個塔的塔頂蒸汽與塔底釜液的冷熱交換而實現能量的回收利用[14]。前面提及的雙效精餾方案,通過增加產品塔操作壓力,使得塔頂蒸汽可作為脫輕塔的再沸器熱源,從而達到節能降耗的目的,但產品塔的操作壓力升高,其再沸器的耗能也隨之增加,可能使總能耗增加。針對這一問題,本文結合傳統熱泵精餾的思想,提出塔間熱泵方案,即采用壓縮機單獨將產品塔的塔頂蒸汽增壓升溫后在脫輕塔再沸器中冷凝放熱,然后部分返回塔頂作為回流。改造后的流程如圖3所示。

圖3 塔間熱泵方案流程

本文分別采用雙效精餾和塔間熱泵精餾方案,基于兩種目標對該精餾流程進行優化改造,模擬結果見表4,分析比較后可得以下結論:

表4 雙效精餾方案和塔間熱泵精餾方案模擬結果

(1)當優化目標函數為僅要求ω(IPA)%≥99.5%且使能耗最低時:相比于原流程,雙效精餾和塔間熱泵精餾方案均表現出較好的節能潛力,雙效精餾方案可節能15.7%,塔間熱泵精餾可節能22.7%,故塔間熱泵精餾能耗更低。

(2)當優化目標函數為同時要求ω(IPA)%≥99.5%與ω(MIBK)%≥99.0%,并使能耗最小時:通過參數優化,提升MIBK純度后,兩種方案能耗均有所增加,雙效精餾增加69.1%,塔間熱泵精餾增加178.1%,顯而易見,當提升MIBK純度時,雙效精餾在節能方面更具有優勢。

上述結果可以解釋為:因該體系為壓力敏感體系,壓力升高,IPA-MIBK體系的相對揮發度增大。雙效精餾中,提高產品塔操作壓力,分離更容易,所需回流比更小,可以抵消一部分由于壓力升高而增加的能耗。而塔間熱泵方案的節能潛力受到脫輕塔再沸器負荷的限制,無法抵消因產品要求提高而增加的能耗。兩種方案在產品要求不同時,表現出不同的節能潛力,上述結果可為實際生產提供參考。

2.2 “雙塔聯合熱泵”方案與“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案

前已述及,在提高MIBK純度之后,塔間熱泵方案節能潛力不如雙效精餾方案,但本文作者認為塔間熱泵方案尚有改進空間,故進而在塔間熱泵方案基礎上提出雙塔聯合熱泵方案:將產品塔設計為熱泵精餾塔,通過壓縮機提高塔頂蒸汽溫位,為再沸器提供熱源。此處與常規熱泵精餾不同的是,該方案塔頂蒸汽與釜液換熱后,繼續為脫輕塔再沸器提供熱源,通過調節壓縮比,使其在滿足傳熱溫差的同時,使壓縮機功率最小,其工藝流程如圖4所示。

圖4 雙塔聯合熱泵方案

此外,Luyben等在文獻[15]中提及一種雙塔熱耦合精餾技術:將進料分為兩股,一股進入高壓塔,一股進入低壓塔,通過調節兩股進料流量比,使高壓塔冷凝器負荷等于低壓塔再沸器負荷,從而達到雙塔體系“凈”操作。受其啟發,本文結合雙效精餾方案,提出“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案,即采用高、低壓塔代替產品塔,將原本進入產品塔的物流分為兩股,通過調節流量比,使高壓塔冷凝器負荷等于低壓塔與脫輕塔再沸器負荷之和,同時,在保證合理的傳熱溫差條件下,以精餾系統總負荷最小為目標,優化高、低壓塔操作壓力,其工藝流程如圖5所示。由于高低壓塔同時采出產品,該方案還具有產品方案的靈活性,在保證IPA純度的同時,可按不同比例生產質量分數為99.0%、99.5%的MIBK。

圖5 “雙塔+脫輕塔熱耦合”方案流程

上述兩種方案的優化模擬結果列于表5,與表4對比可知,“雙塔聯合熱泵”方案和“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案的節能效果均較為顯著。當同時要求ω(IPA)≥99.5%和ω(MIBK)≥99.0%時,表4中的方案能耗最低值為4 620 kW,而“雙塔聯合熱泵”方案為1 470 kW,相比之下降低了68.2%;“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案為2 936 kW,相比之下降低了36.5%。

表5 “雙塔聯合熱泵”方案和“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案模擬結果

若僅從能耗和設備投資考慮,“雙塔聯合熱泵”方案為最佳選擇。該方案68.2%節能的幅度的要求條件僅為增加一個壓縮機和一個輔助冷凝器。而“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案需增加一個塔和一個換熱器,但節能效果卻減半。然而,“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案并非完全無優勢,產品分別從高、低壓塔采出的特點,使其可以通過分別調節兩塔參數,構建不同的產品方案。

2.3 隔壁塔方案

隔壁塔作為節能技術研究的熱點之一,在化工領域得到極大關注。對于傳統的三元混合物分離,若采用簡單塔分離序列,至少需要2個精餾塔才能使其得到有效分離,若采用隔壁塔,單塔就能完成分離任務。隔壁塔是在精餾塔中增設一個垂直的隔板,將塔內部分成預分餾塔和主塔,從而可以減少中間組分的返混而大幅提高過程的熱力學效率,減少設備數目及投資,并同時得到高純度產品[16]。

本研究關注的丙酮加氫裝置中進入精餾工段的物流組成雖不止3個,但主要任務是實現丙酮、IPA、MIBK的分離,且除中間組分IPA作為產品外,對其余兩組分的純度要求不高,故該體系符合隔壁塔應用要求。本文對隔壁塔應用于該分離流程的可行性及節能效果進行了研究,改造后的流程如圖6所示。

圖6 隔壁塔方案流程

隔壁塔的理論塔板數為48塊,隔板位于第10～21塊塔板,IPA產品從第20塊塔板采出,其余參數及模擬結果見表6。由模擬結果可知,隔壁塔方案在產品要求與原流程相同時,能耗降低了11.8%,同時,由于該方案是用一個隔壁塔代替兩個普通精餾塔,從而可省卻一個精餾塔與一個換熱器,將大大減少設備投資。在對隔壁塔優化的過程中發現,產品質量對汽相分配比(進入副塔的蒸汽質量與進入主塔蒸汽質量之比[17])非常靈敏,僅需微調汽相分配比,高附加值副產物MIBK的純度便可顯著提升,達到工業用甲基異丁基酮[4]合格品的要求,且能耗幾乎不會增加。

表6 隔壁塔方案模擬結果

3 結束語

(1)對丙酮加氫生產異丙醇裝置中由脫輕塔、產品塔構成的精餾系統,通過塔參數優化可在保持原產品純度的條件下降低其能耗,但效果不明顯。當僅通過優化參數提升產品純度時,能耗至少會增加兩倍。因此單純的參數優化無法解決產品純度提升時的節能降耗問題,需對原流程進行結構優化。

(2)提出了雙效精餾和塔間熱泵精餾兩種不同的回收塔頂蒸汽熱量的方案,經模擬分析,相比于原流程,兩種方案均表現出較好的節能潛力。

(3)在雙效精餾和塔間熱泵精餾基礎上,本文繼續分析并提出了“雙塔聯合熱泵”方案和“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案,節能效果顯著。其中,“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案還可同時聯產甲基異丁基酮,且產品方案靈活,裝置生產彈性好。

(4)提出了由一個隔壁塔代替兩個常規精餾塔的方案,從而在一個精餾塔內同時完成3個組分的分離任務,模擬結果顯示,該方案具有一定的節能效果,且設備投資較低。

(5)提出的不同方案各有特點,其中,雙塔聯合熱泵方案能耗最低,但設備數量較多;“雙塔+脫輕塔熱耦合”方案對產品結構的調整最靈活;隔壁塔方案主要優勢體現在設備投資的顯著降低。