Aspen Plus模拟软件在淤浆法聚乙烯装置异丁烷溶剂回收系统中的应用

AD精VAN细CEANCES石IN篇NE P化E TR工O C H进E M IC展A L5第14卷第5期A兀L5一’…A s pen Pl us模拟软件在淤浆法聚乙烯装置异丁烷溶剂回收系统中的应用单薇(中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京100013)[摘要]应用A spen Pl us模拟软件对淤浆法聚乙烯装置的溶剂回收系统进行了精馏分离的工艺设计和模拟计算，得到了回流比、理论塔板数、最佳进料板位置等操作参数。

采用RadFr ac严格法精馏设计模块对精馏塔进行了模拟计算，并针对相关工艺参数进行了灵敏度分析和优化设计。

结果表明，经过2个精馏塔分离后，精制后溶剂异丁烷的质量纯度达99．97％，回收率达95％，满足分离要求。

[关键词]异丁烷精馏模拟软件A s pen Pl us淤浆法聚乙烯技术主要用于高密度聚乙烯(H D PE)的生产，其产品适用于高档管材、高强度膜料、中空制品等的加工和应用。

淤浆聚合工艺是将乙烯与脂肪烃溶剂混合，聚合物悬浮于溶剂中，生产过程中压力较低，操作条件易控制、产品性能好，已成为H D PE最主要的生产技术¨J。

淤浆法聚乙烯技术主要包括Phi l l i ps，CX，Bom t ar，Innovene S 工艺等，按反应器的不同分为环管式反应器和搅拌釜式反应器，通常采用钛系或铬系催化剂，通过单峰或双峰技术生产系列H D PE产品旧J。

淤浆聚合工艺工业化时间早，工艺技术成熟，反应器生产强度大，单程转化率高，反应易控制，产品牌号多，特别是能生产相对分子质量分布宽的产品，且产品质量好，但工艺流程长，具有复杂的浆液后处理工序，溶剂消耗量较大口。

目前，工业上应用的淤浆聚合工艺以高纯乙烯作为单体，丙烯、丁烯一1或己烯一1作为共聚单体，以丙烷、异丁烷或己烷等为溶剂，采用高效催化剂体系进行淤浆聚合，生产多种牌号的H D PE产品。

工业生产中通常采用溶剂回收系统，将溶剂分离提纯后循环使用，减少装置排放，达到节能减排的目的。

本文采用环管反应器，以异丁烷作为溶剂、己烯～1为共聚单体的淤浆聚合工艺为例，应用A s pen Pl us模拟软件对淤浆法聚乙烯装置的溶剂回收系统进行工艺设计，通过模拟计算，考察操作条件对溶剂异丁烷回收率及产品纯度的影响，确定最佳工艺操作条件，为工业设计和技术改造提供理论依。

1溶剂回收系统的工艺流程自上游压缩机送入溶剂回收系统的气体中主要含氢气(H：)、甲烷(C H。

)、乙烯(C：H。

)、乙烷(C：H。

)、异丁烷(C。

H。

)、己烯一1(C。

H。

：)和己烷(C。

H，。

)等，溶剂异丁烷含量(质量分数，下同)为93．0％～97．0％。

1．1分离要求溶剂回收系统的目标产品为异丁烷，分离要求为：异丁烷纯度≥99．0％，回收率≥95．0％，异丁烷中乙烯和己烯的含量均控制在100×10。

6以内。

1．2分离流程设计根据各组分相对挥发度的不同及排定塔序的基本原则，溶剂回收系统的分离流程采用2个精馏塔完成异丁烷的回收过程，工艺流程见图1。

图1溶剂回收系统流程示意图收稿日期：2013—05—17。

作者简介：单薇，工程师，现从事工程设计工作。

2013年9月单薇．A s pen P l us模拟软件在淤浆法聚乙烯装置异丁烷溶剂回收系统中的应用55T1塔为脱轻组分塔，脱除异丁烷中氢气、乙烯等轻组分，眩塔为脱重组分塔，脱除异丁烷中己烷、己烯一l等重组分，在他塔塔顶得到精制后的异丁烷产品。

根据各组分相对挥发度的不同，确定两个塔的轻、重关键组分，T1塔选择乙烷和异丁烷为轻、重关键组分，T1塔的塔釜出料B O T l是以异丁烷为主的重组分进入呓塔进一步分离，他塔选择异丁烷、己烯一1为轻、重关键组分。

2A s pen Pl us软件模拟计算及结果2．1计算模型选择A s pen Pl us软件中提供了多种热力学性质计算模型，包括状态方程和活度系数计算模型，对各种物性体系均有相应的计算模型。

计算模型的选择将直接影响计算结果的精确度，是工艺流程模拟成功的关键。

在A s pen Pl us软件中PE N G—R O B计算模型较适用于模拟非极性或弱极性烃类混合物的分离，特别适用于模拟含二氧化碳、硫化氢和氢气的系统。

本文将采用PE N G—R O B计算模型进行模拟计算。

2．2模拟计算中进料条件溶剂回收单元的进料量为200kg／h，进料温度为65．5℃，压力1．02M Pa，T1塔采用部分冷凝器，塔顶操作压力为1．0M Pa；T2塔采用全凝器，塔顶操作压力为0．8M P a。

2．3精馏塔简捷设计A s pen Pl us软件中简捷计算法精馏设计模块(D ST W U)采用W i nn—U nde r w ood—G i l l i l and方法进行简捷法精馏设计计算，模型中假设恒定的物质的量溢流量和相对挥发度，根据分离流程中各目标产品纯度的要求，设定精馏塔的轻、重关键组分回收率，并设定初始回流比为最小回流比的1．5倍，对精馏塔进行简捷设计，确定T1，，12塔最小回流比、最小理论塔板数或实际回流比、实际理论塔板数H j。

T1，r12塔的轻、重关键组分的回收率见表1。

D ST W U计算模型简捷计算结果见表2。

表l r I’1和眩塔分离要求的设定值表2由D S TW U模型得到的r I、1和亿塔的计算结果3精确计算法核算及灵敏度分析3．1灵敏度分析和操作参数选择A s pen Pl us软件中采用D ST W U计算模型计算塔的操作参数，仅为估算，特别是对于非理想多组分混合物，D STW U的计算结果仅作为参考，可据此结果采用R a dFr ac计算模型对精馏塔进行精细模拟计算。

两者的计算结果存在一定偏差，需调整回流比、理论塔板数或塔顶、塔釜的采出量，使精馏塔的操作参数达到设计要求。

应用A spen Pl us软件中的灵敏度分析考察一个或多个物理量对其他物理量的影响，在满足分离要求的前提下确定最佳操作条件，本研究以T1塔为例进行灵敏度分析和操作参数的选择。

3．1．1理论塔板数对异丁烷回收率的影响在一定的操作压力下，实现混合物达到规定分离目标所需的理论塔板数，与设计选择的迸料塔板数及操作回流比均密切相关。

因此，根据D唧u 的计算结果，初步设定T1塔的进料塔板数为第5块，物质的量回流比为5．5：1，采用A s pen Pl us中灵敏度分析，考察在此操作条件下T1塔的理论塔板数对异丁烷回收率的影响，结果见图2。

零料擎回娱k做理论塔板数图2T1塔理论塔板数对C4H l o回收率的影响56精细石油化工进展第14卷第5期A D V A N C ES I N F I N E P E TR O C H EM I C A L S由图2可知，随着理论塔板数增加，异丁烷的回收率呈现出先迅速提高后趋于平缓的趋势，当理论塔板数超过14块后，继续增加塔板数，异丁烷回收率没有明显增加，且在30块理论塔板数下，也无法达到异丁烷95％回收率的要求，说明精馏塔的分离能力不够，即使理论塔板数再多也无法改变，有效的办法是提高物质的量回流比，增大每块塔板的分离能力，以提高全塔的分离能力。

根据灵敏度的分析结果，确定T1塔的理论塔板数为14块。

采用同样方法，确定佗塔的理论塔板数为16块。

3．1．2回流比对异丁烷回收率的影响回流比是精馏塔设计的重要参数，直接关系投资和操作费用的大小，影响生产成本。

在理论塔板数一定的情况下，当回流比增大时，每块板的分离能力提高，增加了产品纯度，但同时塔内的气、液流量增加，引起塔径变大，且也使再沸器输入和冷凝器移出的热量随之增加，投资和操作费用均增加。

对本溶剂回收系统来说，由于存在两个精馏塔，如何确定各塔适宜的操作回流比，是满足分离要求，同时控制生产成本的重要环节，也是进行溶剂回收系统优化设计的关键。

首先，初步确定各塔适宜的回流比。

采用A s pen Pl us的灵敏度分析考察T1塔物质的量回流比对异丁烷回收率的影响，结果见图3。

随着物质的量回流比增加，异丁烷回收率呈先迅速增加后趋于平缓的趋势，当物质的量回流比增加至6．60：1时，已满足异丁烷回收率1>95％的要求，回流比继续增加，异丁烷的回收率也无明显变化。

因此，T1塔的物质的量回流比初定为6．60：1。

采用同样的方法，初定他塔的物质的量回流比为0．26：1。

术褂擎凰媸L’做图3T1塔物质的量比与C。

H，。

回收率的关系其次，对各塔回流比进行优化。

采用A spen Pl us的优化分析功能，在满足产品中异丁烷纯度I>99．0％，乙烯和己烯的含量均低于100×10’6的限定条件下，进行优化分析计算，设定T1和12塔的冷凝器移出热量和再沸器输入热量之和最小，结果表明，当T1塔的物质的量回流比为6．20：1，眩塔的物质的量回流比为0．25：1时，两塔的热负荷之和最小，结果见表3。

表3优化分析前后T1和他塔冷凝器和再沸器的热负荷3．1．3进料塔板数对冷凝器和再沸器热负荷的影响在精馏塔的设计中，在回流比一定的条件下，若在最佳进料塔板数进料，则达到相同分离要求所需的理论塔板数最少，即在最佳塔板数进料，维持相同的分离程度，可使回流比减少，从而降低了精馏塔能耗。

以T1塔为例，考察进料塔板数对分离程度和精馏塔能耗的影响，对进料塔板数和精馏塔的总热负荷进行灵敏度分析，精馏塔的总热负荷为再沸器输入的热量和冷凝器移出的热量之和，结果见图4。

参芒挺妪雅珀辫妊婆图4T1塔进料板位置与总热负荷的关系从图4可知，随着进料位置下移，T l塔的总热负荷呈现降低的趋势，即进料塔板数越低，精馏塔的总热负荷越低，这与当前精馏塔进料的热状态相关，但当进料塔板数下移至一定程度时，也会对精馏塔的分离效果造成影响。

因此，对T1塔的进料塔板和产品物流中乙烯含量进行灵敏度分2013年9月单薇．A s pen P l us模拟软件在淤浆法聚乙烯装置异丁烷溶剂回收系统中的应用57析，结果见图5。

、宁2删托蟹门哥霉钆蜚h做图5T1塔进料塔板数对异丁烷产物中乙烯含量的影响由图5可知，随着进料塔板数下移，异丁烷产物中乙烯的含量呈明显增加的趋势，当进料塔板数低于第6块后，乙烯含量大于100×10～。

因此，结合图4结果，将T1塔的进料塔板数定为第6块，采用相同方法确定他塔的进料塔板数为第12块。

进料塔板数调整前后的结果见表4。

由表4可知，将进料塔板数调整后，虽精馏塔的总热负荷没有明显变化，但精馏塔的分离精度提高，特别是异丁烷产物中己烯一1含量明显降低，满足了设计要求。

表4进料塔板数调整前后1'1和佗塔总热负荷及分离程度比较3．2溶剂回收系统工艺流程的A spen Pl us模拟计算结果通过简捷计算法估算、精确计算法核算和灵敏度分析后，得到各塔优化的理论塔板数、回流比和进料塔板数等操作参数，结果见表5，计算出的T1，他塔产物模拟计算结果见表6。