聚氯乙烯精馏系统的模拟计算与节能减排优化研究

chen_bz

2015/09/27

私聊

常用设备综合讨论

前言
采用Aspen Plus化工流程模拟软件对氯乙烯精馏过程低、高沸塔，进行了设计计算，将模拟计算结果进行了初步分析处理，与工业运行结果对比，有良好的吻合。
氯乙烯精馏工艺流程
氯乙烯精馏系统由低沸塔和高沸塔组成，工艺流程如图1所示。由压缩机来的粗氯乙烯原料气经冷凝液化及除水后进入低沸塔(T1)，将大部分低沸点杂质去除，塔底馏出液经中间槽(B)进入高沸塔(T2)，将高沸点杂质去除，精氯乙烯产品由T2塔顶采出。

原料组成及设计要求
粗氯乙烯进料总量为549.025kmol/h，其组成质量分数为氯乙烯(VC)98.76%；重关键组分以1,1-二氯乙烷(EDC)计为0.53%（其中包括反式1,2-二氯乙烯、顺式1,2-二氯乙烯、1,2-二氯乙烷和乙醛等物质）；轻关键组分以乙炔(C₂H₂)计为0.11%（包括氯甲烷、甲烷、乙烷和氢气等物质）；其余为水。
要求达到的分离指标：塔顶产品VCM纯度大于99.99%（干基），EDC等高沸物含量小于5ppm，C₂H₂等低沸物含量小于1ppm。
操作压力分析
氯乙烯精馏过程的操作压力，与氯乙烯以及被分离杂质的性质相关。1个标准大气压下，纯氯乙烯的沸点为-13.9℃，随着压力的升高沸点也相应增高，如表1.1所示。

表1.1 氯乙烯沸点

压力（MPag）	0	0.2	0.3	0.4	0.5
VC沸点（℃）	-13.9	16.2	25.7	33.5	39.7

低沸塔所处理的乙炔-氯乙烯混合物的沸点，因乙炔和其他低沸物的存在使混合物沸点相应降低。随乙炔量的增加，混合液的沸点下降很快。
因此，低沸塔若在较低压力或常压下操作，则全凝器温度可能降低到-1~-20℃，尾气冷凝器温度甚至需要降低到-55℃以下，这样就必须用液氨直接蒸发来获取低温。温度越低对于相同的耗电量，其动力电消耗量将显著增加，也就增加了氯乙烯的生产成本。此外，常压下操作将使塔底温度必须控制在0~-5℃左右，用于塔釜加热的热载体就需要选用特殊的化合物，而粗氯乙烯进入精馏操作之前，也必须严格的脱水干燥，否则，即使存在微量的水分都会引起精馏系统因结冰而被堵塞，影响正常的操作。因此，氯乙烯的精馏操作应加压进行。
至于操作压力的合理确定一般也还需要考虑氯乙烯压缩机的需用压缩比、压力增高后所需理论板数的增加，以及设备机械强度的提高带来的建设投资费用增加等因素。一般选择操作压力在0.5~0.6MPa（表压）左右。
高沸塔所处理的氯乙烯-高沸点物混合液的沸点，因高沸点物的存在，使得混合物沸点相应地比低沸塔混合物来得高（主要高沸点物的沸点范围在21~113.5℃），适当降低压力可以减少高沸塔所需的理论塔板数。工业上一般选择高沸塔操作压力在0.25~0.35MPa（表压）左右。
物性方法的选择
流程模拟所用的物性方法和物性数据的选择直接影响到模拟结果的准备性。粗氯乙烯体系中存在氯乙烯、二氯乙烷、水等，属于极性非理想物系，不含电解质，有二元相互作用参数。本文选用NRTL活度系数模型用于该体系的模拟计算。活度系数模型能准确的模拟极性非理想体系的气-液平衡、气-液-液平衡及液-液平衡，其中NRTL模型在表示二元和多元体系的气液平衡和液液平衡方面尤为显著，且对水溶液体系的描述优于其他方程。
NRTL模型应用于液相非理想及无不冷凝组分物系，可用于液-液部分互溶体系；可用于处理高度非理想的极性或非极性混合物。NRTL模型具有与WILSON模型基本一致的拟合和预测精度，不同的是，NRTL模型可用于部分互溶体系，能使汽液平衡和液液平衡同一关联；只要有二元数据的拟合参数，NRTL模型便可预测多元体系的活度系数，克服了WILSON模型的缺陷。
NRTL模型是以局部摩尔分数和局部组成为基础，方程式为：

AspenPlus的物质数据库中包含了很多物质的物性数据，会根据模型需要自动调取数据进行计算。验证NRTL模型能否对精馏过程进行准确的模拟计算，要看该模型能否准确的预测混合物中相关组分的汽液平衡数据。

由图可知，在氯乙烯装置的操作范围内，即0℃~50℃及0.32MPag~0.55MPag之间，采用NRTL活度系数模型计算出的汽液平衡数据与《化学化工物性数据手册》中查得的数据基本一致，初步认定采用NRTL物性方法是可行的。
灵敏度分析
依据严格法计算，满足低沸塔分离要求的塔板数为36块（冷凝器和再沸器各为一块板），进一步分析最优的进料位置、回流比及馏出比。在满足一定分离效果的情况下，最佳进料位置对应的才是最优回流比，所以先对进料位置进行优化分析。
低沸塔灵敏度分析
（1）低沸塔进料位置分析
对于低沸塔，塔釜的出料即高沸塔的进料，因此出料中VC的含量可以作为衡量塔分离效果的指标。同时C₂H₂等低沸物大部分由低沸塔的塔顶排除，因此需控制塔底出料中C₂H₂的含量小于1ppm。
选取进料板位置为2~35块范围，对塔底C₂H₂质量分数（T1B-XC₂H₂）、塔底VC质量分数（T1B-Xvc）、塔顶VC质量分数（T1D-Xvc）、冷凝器热负荷（C-DUTY）及再沸器热负荷（R-DUTY）做灵敏度分析。冷凝器和再沸器的热负荷以MMkcal/hr记。

表1.3-1 进料位置灵敏度分析

进料板位置	T1B-Xvc	T1D-Xvc	T1B-XC₂H₂	C-DUTY	R-DUTY
2	7.16E-09	0.988352	0.96327	-0.11255	0.52813
4	1.35E-08	0.988351	0.96331	-0.11234	0.52791
6	2.69E-08	0.988351	0.96332	-0.11232	0.52789
8	5.38E-08	0.988351	0.96333	-0.11232	0.52789
10	1.07E-07	0.988350	0.96333	-0.11231	0.52788
12	2.14E-07	0.988350	0.96334	-0.11231	0.52788
14	4.28E-07	0.988350	0.96335	-0.11231	0.52788
16	8.55E-07	0.988350	0.96336	-0.11231	0.52787
18	1.71E-06	0.988349	0.96339	-0.11231	0.52787
20	3.40E-06	0.988347	0.96344	-0.11231	0.52786
22	6.78E-06	0.988344	0.96355	-0.11231	0.52783
24	1.35E-05	0.988337	0.96377	-0.11229	0.52770
26	2.67E-05	0.988324	0.96420	-0.11227	0.52752
28	5.23E-05	0.988298	0.96502	-0.11224	0.52716
30	0.000101	0.988249	0.96660	-0.11217	0.52649
32	0.000192	0.988159	0.96954	-0.11204	0.52526
34	0.000353	0.987997	0.97476	-0.11180	0.52306
35	0.000472	0.987879	0.97859	-0.11163	0.52145