醋酐精馏工艺的数学建模和工艺改进

张纯 焦金华 山东华鲁恒升化工股份有限公司

一、醋酐精馏工艺流程模拟

（一）工艺流程及参数

图1 为醋酐精馏装置的工艺流程图，醋酐含量（质量分数，下同）为88%～92%的醋酐溶液进入闪蒸槽（E204）蒸馏气化脱除多聚体后，粗醋酐气体从分馏塔（T203）中部进入；分馏塔的主要作用是脱除醋酸等轻组分，T203 塔顶采出物料含醋酐40%～60%，控制塔顶温度在116～120℃之间，回流比为3.5。釜底物料经取样检测醋酐含量合格后，连续出料进入精制塔（T204）底部。蒸馏塔为填料塔，主要起脱色和脱除部分低沸物的作用；塔内气相在分凝器中大部分冷凝，一部分作为产品侧线采出，一部分作为塔的内回流；塔顶部分醋酐、低沸物和不凝性气体继续上升，经过塔顶冷凝器（E209）冷凝后回收[1]。

图1 醋酐精馏工艺流程

裂解装置稳定运行期间，进行精馏工艺查定，得到流程模拟所需要的工艺参数。常温常压下，进料物流流速为260L/h 时，各组成及其质量分数为：醋酸（HOAc）9.8%，醋酐（Ac2O）90%，低沸还原物质（X2）0.05%，双乙烯酮（DK）0.1%，高沸物（X3）0.05%。

（二）物性方法的选取

工艺涉及物料主要为醋酐和醋酸，该体系为一高度非理想性体系，确定适用于这一非理想体系的物性方法既是数学建模的重点（直接关系到模拟结果的正确与否），也是模拟工作的主要难点[2]。在模拟计算中选取NRTL-HOC 物性方法，所有物性参数均选用AspenPlus 内置数据库中的相关参数。对于气相，考虑到醋酸分子的缔合效应，则采用Hayden-O'Connel（HOC）方程。

（三）流程模拟结果

按照上述模拟流程，选用NRTL-HOC物性方法，关键操作参数和产品质量的流程模拟计算值和工艺设计值比较，计算结果与设计值的偏差不大。

二、工艺流程分析

（一）分馏塔T203 的回流比和塔顶采出量的影响

T203 塔釜醋酐的纯度，在塔板数一定的条件下，受回流比大小和采出量大小的影响。利用AspenPlus 内置的敏感度分析工具，得到操作参数对醋酐产品纯度和再沸器热负荷的交互影响。由计算结果可知，T203 回流比和采出量对产品纯度的影响比较显著。当采出量一定时，产品质量分数随回流比增加显著增加，当回流比较大时增幅较小；回流比一定时，增加塔顶采出量，可以提高产品的纯度。再沸器的热负荷随回流比和采出量的增加而显著增加，近似成正比例函数关系。

（二）精制塔T204 塔顶分凝器气相分率

在工艺流程中，要求分馏塔塔釜物料醋酐的质量分数合格后才进入精制塔中，因此精制主要起脱色和脱除部分不凝性气体、保证产品质量和色度要求的作用，对分离要求不高[3]。在实际装置中，通过再沸器蒸汽的用量来控制一定的蒸发速率，保证塔正常操作即可。但T204 塔顶分凝器在实际生产中不容易控制，如果在分凝器中通入循环冷却水，则T204 塔气相全部在分凝器中冷凝下来，致使分凝器塔顶无气相出料，影响产品的质量。分凝器气相分率不同对冷凝器的温度影响不大，但随着气相分率增加，产品的质量分数逐渐增加。这是由于随着气相分率增加，气相所带走的轻组分增多，使产品质量分数增加。分凝器和塔顶冷凝器热负荷变化较大，由此可知，要确保分凝器正常工作，需要保证分凝器的换热量在一个合适的范围内。

三、精馏工艺优化

由上述操作参数对精馏工序的影响分析可知，T203 回流比、塔顶采出量对产品的质量分数和产量以及精馏工艺的能耗影响显著，因此有必要对工艺参数进行优化，以确保产品的质量分数（＞99.0%）和产品能量单耗最低。由工程经验可知，精馏工序能耗主要是动力消耗、再沸器热消耗和冷凝器的冷凝热负荷，比较发现，再沸器的能耗占精馏工序的比值最大，且热源的相对成本最高[4]。因此，产品的单耗可以转化为产品的再沸器热单耗，其他操作参数不变，利用AspenPlus 内置的优化工具：建立约束，规定产品中醋酐含量不小于99.0%；建立优化模拟，设定相应参数，利用内置Fortran语言计算出产品热单耗的倒数，规定其值最大；设定T203 回流比和塔顶采出率为变量，并规定其取值范围。通过模拟计算，得到产品热单耗最低时的操作参数：T203 回流比R=4.07；T203 的采出率D=58.16kg/h。在最优操作参数条件下：产品质量分数为99.0%，产品质量流率Fp=158.20kg/h，产品的热单耗为110.30kJ/kg。

四、结论

选用NRTL-HOC 物性模型，建立了醋酐精馏工艺流程的模拟模型，通过对模型的分析和优化得到如下结论：T203 回流比和采出量增大使产品的质量分数和再沸器的热负荷增大，且影响显著；T204 塔顶分凝器气相分率影响产品的质量分数，但是塔顶分凝器的热负荷变化较大，在整改过程中需要减小分凝器的传热面积来保证分凝器正常工作。