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    聚合级异戊二烯精制工艺流程模拟及设计.pdf

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    聚合级异戊二烯精制工艺流程模拟及设计.pdf

    6 CHETⅢCAL ENGINEER G DESIGN 聚合级异戊二烯精制工艺流程模拟及设计 王彦明 陕西延长石油集团北京石油化工工程有限公司 西安710075 摘要 针对异戊二烯原料组成特点,对其提纯精制过程采用工艺流程模拟软件PROII进行分析计算,结果 表明通过脱轻组分塔与脱重组分塔组合可得到高品质聚合级异戊二烯,同时采用塔板流体力学计算软件w Tray Rating设计优化塔内件的详细结构参数,并运用塔盘强度计算软件TWS1.0完成塔盘及支撑结构的机械强度 核算,为高品质聚合级异戊二烯制备提供了完整的工艺、设备解决方案。 关键词 聚合级异戊二烯脱轻塔脱重塔流体力学 异戊二烯IP是一种极其重要的碳五双烯 烃,其结构含典型的共轭双键,化学性质活泼。 异戊二烯主要用于生产可代替天然橡胶的聚异戊 二烯橡胶IR,也是丁基橡胶IIR和SIS热 塑性弹性体的第二单体;另外,异戊二烯还可用 于化学合成香料、农药、药品及其它精细化工产 品。目前,国内不少石化企业纷纷投入研究、筹 建或酝酿建设IR、IIR、SIS等生产装置,以减少 长期对进口的依赖。异戊二烯制备方法有石油热 裂解c5馏分萃取蒸馏法、异戊烷或异戊烯脱氢以 及丁烯增链等方法-】J。从碳五馏分中提取异戊二 烯是最常用且最廉价的途径,除采用三塔全精馏 流程外 J,现多采用二甲基甲酰胺DMF或乙 腈进行两段萃取精馏 ,也可采用反应精馏与萃 取精馏组合来提取异戊二烯 。 异戊二烯产品尚未有国标,根据不同的上游 生产工艺其产品含有的杂质种类及数量不同,现 有企业标准也存在差异,一般根据纯度可分为化 学级≥98%m/m、聚合级≥99.3%m/ m两种。异戊二烯产品中存在的杂质一般包括 萃取剂N,N一二甲基甲酰胺DMF或乙腈、阻 聚剂叔丁基邻苯二酚TBC、炔烃、烷烃、水、 戊二烯同分异构体等,但下游用户常会进一步精 制纯化以保证其最终产品品质。本文针对外购异 戊二烯原料特点对精制过程进行了工艺流程模拟, 结果表明通过脱轻组分塔与脱重组分塔组合可将 异戊二烯纯度提高到99.9%m/m,满足下游不 同用户特定需要,同时采用维维塔板流体力学软 件WTray Rating进行了塔板流体力学计算、并运 用塔盘强度计算软件TWS1.0完成了塔内件的机械 强度设计核算。 1工艺流程模拟方案 表1为某项目外购的异戊二烯进厂原料组成和 产品中控指标要求,其具体组成虽然满足聚合级 IP纯度企业标准,但所含杂质组分过高无法达到 该项目直接使用要求,需进一步纯化。通过PROII 工艺模拟建立了脱轻塔T1和脱重塔T2两 塔流程见图1,原料异戊二烯先进人脱轻塔, 塔顶采出炔烃、氧气、丁烷、硫化氢等轻组分, 塔釜产品进脱重塔,然后经脱重塔从塔釜分离出 沸点较高的重组分,包括水、TBC、自聚物、 DMF等,塔顶得精制异戊二烯。由于几种戊二烯 同分异构体的三聚和多聚反应速率与二聚反应相 比极慢,因此自聚物主要是异戊二烯的二聚物, 模拟时其他忽略不计 J。异戊二烯原料含有大量 表l 异戊二烯IP原料及产品组成要求 王彦明工程师。2007年毕业于陕西师范大学化工工艺专业获硕士学位。主要从事石化工程设计及传质分离工艺研究开发工作。联 系电话13772000952。Emailwangym531163.corn。 王彦明 聚合级异戊二烯精制工艺流程模拟及设计 7 混合C5组分及微量的关键轻、重组分,根据大量 试验验证及理论研究,上述两塔工艺流程模拟的 热力学方法采用Wilson法 引。 图1 异戊二烯精制工艺模拟流程图 2工艺流程模拟计算结果及讨论 2.1脱轻塔 流程模拟分析可知与重组分相比轻组分不易 分离,从脱重塔顶产出的精制异戊二烯纯度受所 含的轻组分影响最大,因此脱轻塔的分离效果决 定最终产品纯度。计算结果表明脱轻塔的回流比 对产品IP纯度影响最关键,采用大回流比小采出 量能保证分离精度要求,该塔几乎接近全回流操 作。脱轻塔实际塔板数为16层理论板数为8 层,最佳进料板位置在第8层塔盘。当脱重塔回 流比R2为1.5时,脱轻塔操作回流比Rl在1 100范围内变化时,异戊二烯产品质量变化见图2。 图2脱轻塔回流比与异戊二烯产品质量曲线 当用户要求IP纯度为99.90%m/m时, 脱轻塔对应操作回流比为R150,产品中其他杂 质组分均可满足中控指标要求。由于在脱轻塔塔 顶炔烃、氧、丁烷、硫化氢等轻组分会富集,必 须控制塔顶部分凝冷后的气相组分排出,气相采 出量约5kg/h。为尽量减少该塔塔顶采出量,提高 IP产品收率,冷却介质采用乙二醇水溶液,可满 足较低塔顶冷凝温度25C的要求。当采用回流比 R1为2O时,产品IP纯度为99.74%m/m,T1 塔顶操作温度约为36℃,冷却介质可改用循环冷 却水。 由于异戊二烯原料可能会含有2一丁炔、异丙 烯基乙炔等沸点与异戊二烯很近的炔烃,如果总 炔烃含量过高则脱轻塔的理论塔板数必须适当增 加,计算结果表明当原料中2一丁炔为50ppm 时,脱轻塔的理论塔板数将增加到38块,才能保 证脱重塔顶产出合格产品,IP杂质含量达标。如 果以化学级异戊二烯为原料,该工艺流程也适用, 但须重新计算。 2.2脱重塔 脱重塔实际塔板数为10层理论板数为3 层,最佳进料板位置设在第5层塔盘,当回流比 R2在0.50~3.0范围内调整时,该塔可在相应气 液相操作负荷范围内正常操作,产品质量均可满 足分离要求。塔底采出重组分量约20kg/h,冷凝 器冷却介质可用循环冷却水。 2.3热负荷及物料平衡 脱轻塔和脱重塔在不同回流比下冷凝器及再 沸器的热负荷值见表2和表3。 表2脱轻塔热负荷值HEAT RATES 注脱轻塔顶操作压力为0.08MPaG。 表3 脱重塔热负荷值HEAT RATES MkJ/h 回流比 1/2 换热器热负荷 冷凝器 再沸器 注脱重塔顶操作压力为0.02MPaG。 8 CHEMICAL ENGINEEIUNG DESIGN 表2和表3计算数据表明,脱轻塔、脱重塔的 冷凝器与再沸器热负荷值随回流比增大而增大。 当脱轻塔设置为大回流比时R1大于30时,脱 重塔他的回流比R2从3.0降低到0.5对产品质量 影响不大,但脱重塔能耗将明显降低,而脱轻塔 能耗增加并不大。全流程能耗主要集中在脱重塔 的冷凝器与再沸器热负荷。所以,在保证产品质 量前提下,R1可大些,R2可小些,从而全流程能 耗达到最优。优选脱轻塔回流比Rl为50,脱重塔 回流比R2为1.5,该项目工艺流程模拟的物料平 衡数据和总质量组成分率见表4和表5,物流S4 为高品质聚合级异戊二烯产品。 表4物料平衡数据表 3塔板流体力学及塔内件强度核算 3.1塔板流体力学计算 采用维维塔板流体力学软件对脱轻塔和脱重 塔各段均进行塔板流体力学计算,完成塔内件的 详细结构参数设计与优化,关键数据计算结果汇 总见表5。 两塔气液相操作负荷性能见图3、图4。 图3和图4表明操作点均在理想的范围内,能 够保证两塔在设计操作弹性范围60%~120% 内正常操作,无漏液、无液泛及无雾沫夹带等异 常现象。为消除塔盘上传质死区以避免重组分积 聚聚合,可采用塔盘组合布孔技术,在弓形区与 液相进口区设置适量导向筛孔。 3.2塔内件强度核算 塔内件强度核算对于大型塔器塔内件结构参 表5塔板流体力学计算结果汇总表 数确定至关重要,用塔盘强度计算软件TWS1.0对 脱重塔的塔盘及支撑结构强度进行了设计核算, 其结果见表6。 正常操作时主要考虑塔板上承受的液层及塔 板自重分别对塔盘板、支撑梁所产生的均布载荷; 王彦明 聚合级异戊二烯精制工艺流程模拟及设计 9 Lsma/h 图3脱轻塔操作负荷性能图12 l O0 000 簿攫一负荷性毙瞳 Lsm0/h 图4脱重塔操作负荷性能图8 表6塔盘及支撑强度核算结果表 注脱重塔的塔盘板材质为31608,支撑角钢材质为Q235一 B,材料设计温度为12oc。 安装、检修等工作状态时主要考虑塔板及梁自重 对支撑梁所产生的均布载荷,同时须考虑人员检 修及堆积物产生的集中载荷,综合考量后确保该 塔所选塔内件结构尺寸能满足机械强度安全要求。 塔盘强度核算结果表明,在表5及表6中脱重 塔塔内件结构及各部件材质条件下,当塔盘板厚 度选3mm,通道板等塔盘板在正常操作状态下的 应力小于许用应力,挠度小于最大允许挠度值,通 道板几何尺寸合理,塔盘板强度合格;当支撑角 钢选L56 X6时,正常操作和安装、检修等工作状 态下所选支撑角钢型号均能满足机械强度要求, 支撑角钢安装位置合适。 4结语 1通过脱轻塔与脱重塔两塔流程可精制得 到高品质聚合级异戊二烯,优选脱轻塔回流比Rl 为50,脱重塔回流比R2为1.5,能耗较低,IP纯 度可达到99.9%m/m,杂质含量达标;通过调 节回流比等操作参数可对产品纯度进行控制以满 足用户的不同要求。该两塔流程分离原理也适用 于以化学级异戊二烯为原料的精制提纯,根据原 料及产品特点可订制设计。 2采用塔板流体力学计算软件WTray Rating可确定两塔的塔径、板间距、降液管、进出 口溢流堰等塔内件的详细结构尺寸以及塔盘布孔 参数,经优化设计塔内件工艺性能保证在60%一 120%操作弹性负荷范围内正常操作。通过塔盘强 度计算软件TWS1.0可分析计算影响塔盘及支撑结 构机械强度的因素,完成设备部件选型及尺寸参 数优化。 参考文献 1岳鹏.异戊二烯的生产技术及市场分析[J].炼油与化 工.2006,17237. 2陈林邦.精馏法提取碳五馏份中聚合级异戊二烯流程的模 拟计算[J].计算机与应用化学.1991,812732. 3胡竞明,徐宏芬,杜春鹏等.液相进料萃取精馏法分离石 油裂解碳五馏份的方法[P].中国,CN 1055281C,2002. 4冯海强,朱跃辉,高继东等.从裂解C一5中分离聚合级 异戊二烯工艺的改进[J].石油化工.2011,4O6664 649. 5雷树宽.混合碳五工艺分离过程的研究[D].硕士学位论 文.华东理工大学,2010. 收稿日期20130624 上接第26页 以上降至20ppmwt以下,并增强其切水操作的 安全性。但实际的改造效果仍需在改造完成后用 现场数据予以佐证。 参考文献 1俞行道.利用脱乙烷塔降低精丙烯含水量[J].石油炼制 与化工,1991。26667. 2王昕.气体分馏装置丙烯含水高的原因及对策[J].天 津化工,2003,1434-4. 3马红艳.降低气体分馏装置加工损失及粗丙烯微水的措施 [J].石油化工应用,2009,2877980. 修改回稿20130408

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