刘绍波
(新疆国泰新华矿业股份有限公司，新疆 昌吉 831700)
BDO，全称为1,4-丁二醇，又名1,4-二羟基丁烷，英文名是1,4-butanediol，分子式C4H10O2，相对分子质量90.12，其为无色黏稠油状液体，可燃，凝固点为20.1 ℃，熔点为20.2 ℃，沸点为228 ℃[1]，相对密度为1.017 1，能与水混溶，溶于甲醇，微溶于乙醚，它是一种重要的有机和精细化工原料，被广泛应用于医药、PBT、GBL和PU Resin、涂料和增塑剂等，还可以作为溶剂和电镀行业的增亮剂。
1 BDO生产工艺BDO生产工艺有很多种[2-3]，但是只有4种工艺实现了工业化生产，这4种生产工艺分别为Reppe法、丁二烯法、丙烯醇法和顺酐法。由于我国多煤、贫油、少气的特点，因此我国目前建设的BDO生产工艺大部分采用炔醛法[4]。本研究主要是针对该工艺进行的。
本文以正在运行的生产装置精馏单元中重组分脱除塔为研究对象，以炔醛法生产为工艺路线。
本公司工艺可分为1，4-丁炔二醇低压加氢、高压加氢和精馏单元，其简要流程图如图1所示。
图1 工艺流程方块图
来自上游炔化车间含水60%(质量分数)的1,4-丁炔二醇溶液与海绵镍催化剂按照一定比例混合后，送至淤浆床反应器，同时，氢气自界区外送至此反应器，在压力2.0 MPa、温度55 ℃条件下反应生成BDO和少量副产物，然后，经过过滤系统将催化剂与BDO水溶液分离，催化剂回收送至低压加氢反应器再利用。BDO溶液作为高压加氢的原料，其主要反应如式(1)。
(1)
低压加氢能使1,4-丁炔二醇原料转化为BDO的转化率达到90%左右，残存在低压BDO粗产品中少量不饱和化合物在高压反应中进一步加氢生成BDO产品。其主化学反应方程式如式(2)。
(2)
高压加氢产物经过精馏单元脱除其中的水、残渣、轻组分和重组分后，得到高纯度的BDO产品。
2 脱除重组分塔流程2.1 ASPEN流程搭建来自上游轻组分塔的物料进入重组分塔，脱除其中的重组分。根据物料的特性，本次设计选用负压塔模型来进行流程模拟，流程图如图2。
图2 重组分脱除塔流程图
流股101为来自上游的粗BDO溶液，其中BDO质量分数为95%，加入重组分脱除塔(T-101)，塔釜流股103的主要组分为重组分和BDO，塔顶流股102是质量分数为99.6%的BDO产品。
2.2 重组分的选择由于重组分是由多种不明成分组成的混合物，在ASPEN模拟中只能选择用类似性质的纯组分物质来替代，为了确保选取替代物的物性与重组分更接近，利用试验的方法分别测出了重组分的沸点、密度和黏度，详见表1。
表1 重组分物理性质
2) 根据沸点试验得到重组分的沸点为307 ℃，利用ASPEN输入组分的查找功能，根据沸点条件进行查找，输入沸点区域为300 ℃至310 ℃，结合实际生产经验，从中选择3种纯物质来替代重组分，在此选择的是正庚基苯(C17H36)、四丁醛(C14H28O)和正十二基环戊烷(C17H34)。详见图3。
图3 重组分替代物选择
利用ASPEN PLUS中物性分析功能，获得以上3种物质在一个大气压下、温度为20 ℃时的黏度与密度，详见表2。
表2 重组分备选替代物性质
通过将表2数据与实验结果对比可以看出，重组分的性质与正庚基苯比较接近，因此选择性质最为接近的正庚基苯作为重组分的替代物。
2.3 进料条件重组分脱除塔的进料物流流量为13 750 kg/h，温度为150 ℃，压力为500 kPa(g)，其组成如表3所示。
表3 重组分脱除塔进料组分表
3 精馏过程模拟与优化3.1 简洁计算用简洁精馏法初步将物流以重组分和丁二醇分成两大部分，确定最小回流比、最小理论板数、实际回流比、实际理论板数和进料位置等参数。
由于本文中的物料属于极性较强的体系，在热力学性质计算方法的选择中，对于极性较强的体系，常采用活度系数法计算相平衡常数，其中，WILS-RK是活度系数法中较常用的一种，并且结合经验，选用WILS-RK状态方程物性方法。
输入进料条件(详见2.3)，设置模块参数中的最小回流比为0.3，塔顶轻关键组分(BDO)的摩尔回收率为0.999，重组分在塔顶的摩尔回收率为0.001，塔顶压力为40 kPa，塔底压力为50 kPa。
运行模拟，塔顶流股得到质量分数为99.56%的BDO溶液，基本满足分离要求。同时确定了初步的塔板数为29，进料位置为17，最小回流比为0.18，馏出与进料比为0.994。
3.2 严格计算利用精馏塔严格计算模块Radfrac对重组分脱除塔进行严格计算。设置进料条件与简洁计算进料条件相同，详见2.3。
根据简洁计算结果，进行严格计算塔模块的设置，其中，塔板数为29，冷凝器类型为全凝器，回流比为0.3，蒸馏物与进料比为0.993 7，进料位置为17，进料方式为On-stage，塔顶压力为40 kPa，塔的压降为10 kPa。
设定完成后运行，模拟文件收敛，查看模拟结果，塔顶BDO产品的质量分数为99.65%，符合产品质量要求。
3.3 流程优化为了考察灵敏度分析进料板位置、理论板数和回流比对产品质量的影响，选用模型分析工具中的灵敏度分析。以下分别对重组分脱除塔作灵敏度分析，以确定最佳进料位置、理论塔板数和回流比。
1) 理论板数
经过对理论板数与丁二醇纯度进行灵敏度分析，得到理论板数与丁二醇的关系曲线图如第56页图4。
从理论上来讲，理论板数增加，产品纯度增加[5]，但是当理论板数增加时，塔高增大，从而增加了塔的制造成本。从图4可以看出，当理论塔板数大于27块时，产品纯度基本不变，因此确定塔板数为27块。
图4 理论板数与BDO纯度关系
2) 回流比
经过对回流比与丁二醇纯度进行灵敏度分析，得到回流比与丁二醇的关系曲线图如图5。
图5 摩尔回流比与BDO纯度关系
从图5可知，当回流比大于0.24时，产品纯度随回流比增加放缓，因此确定回流比为0.24。
3) 进料位置
经过对进料位置与丁二醇纯度进行灵敏度分析，得到进料位置与丁二醇的关系曲线图如图6。
图6 进料位置与BDO纯度关系
从图6可知，当进料位置在第14块塔板时，产品纯度最优，因此确定进料位置为第14块塔板，经过对该塔的灵敏度分析确定最优理论板数为27块，最佳进料位置为14块，最优回流比为0.24。
3.4 模拟结果与生产数据对比实际生产数据与模拟结果的对比如表4所示。
表4 模拟结果与实际生产数据对比表
4 结论本文利用ASPEN PLUS软件对重组分脱除塔的化工过程进行模拟，通过多次调整数据，如，温度、压力、塔的回流等条件，获得所需要的数据。在以上的操作中，没有涉及到实际生产装置的任何参数或者设备等的改变，与传统直接在生产装置进行工艺指标调整相比，大幅提高了工艺调整的速度，节约了工艺调整时间，给现场工艺调整带来了极大的方便。
