第40卷第9期2012年9月化学工程CHEMICAL ENGINEERING （CHINA ）Vol．40No．9Sep．2012收稿日期：2011-11-01作者简介：曹媛维（1979—），女，硕士，工程师，主要从事乙烯装置的工艺设计工作，电话：（010）58676692，E-mail ：caoyuanwei@hqcec．com 。
乙烯装置丙烯精馏塔优化设计曹媛维（中国寰球工程公司，北京100029）摘要：针对近年来大型乙烯装置中的丙烯精馏塔操作不稳定、能耗大的问题，利用PRO /Ⅱ软件模拟分析该塔流程，总结出随着装置规模大型化该塔采用多溢流塔板形式，计算中应考虑塔板形式对板效率取值的影响。
当进料组成与设计工况不符或装置负荷增大时导致产品不达标的情况，可增设进料口在非设计工况下不同位置进料以满足分离的要求，并且塔顶冷凝器和塔底再沸器需要考虑充分的设计余量。
并创造性提出了，在传统工艺流程基础上在塔顶冷凝器后增设排放冷凝器进一步回收丙烯的节能优化方案，为实际生产提供建议性指导。
关键词：丙烯精馏塔；操作波动；PRO /Ⅱ模拟中图分类号：TQ 051．81文献标识码：B文章编号：1005-9954（2012）09-0074-05DOI ：10．3969/j．issn．1005-9954．2012．09．0017Optimization design of propylene rectifying column in ethylene plantCAO Yuan-wei（China HuanQiu Contracting ＆Engineering Corporation ，Beijing 100029，China ）Abstract ：According to high energy consumption and instable operation problems of propylene rectifying column in large-scale ethylene plants ，the propylene rectifying column system was simulated with PRO/Ⅱsoftware．The conclusion is that the influence of the tray type on the tray efficiency should be considered in calculation ，and it is better to use multi-overflow tray type for large-scale ethylene plant．If the propylene product is substandard in the inconsistent feed composition case or the increased duty case ，the added feed nozzles are prefered to switch the diffierent feed location for different case．Enough design margin should be considered for the top condenser and the bottom reboiler．The energy saving optimization scheme that adding a new vent condenser after the top condenser to recover more propylene product is creatively put forward ，which provides the constructive guidance for the actual production．Key words ：propylene rectifying column ；operation fluctuation ；PRO /Ⅱsimulation 丙烯主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷以及异丙醇等，是仅次于乙烯的重要石油化工原料［1］。
丙烯衍生物的快速发展带动了丙烯需求的快速增长，据估计从2006年到2015年全球范围内丙烯需求仍以4．9%的速度持续增长，中国的丙烯需求预计年均增长达到6．3%［2］。
目前从市场份额看，来自乙烯装置的丙烯占到59%，从炼厂轻烃分离装置回收的丙烯占到35%。
本文针对乙烯装置实际运行中丙烯精馏塔进料组成和负荷波动大导致产品不合格、能耗高的问题，利用流程模拟软件PRO /Ⅱ优化该塔操作参数，并探索性地提出在冷凝器出口增设排放冷凝器进一步回收丙烯产品的工艺，为丙烯精馏塔在实际操作中低能耗、平稳运行提供理论指导和建议。
1原始工况的模拟计算1．1模拟计算条件本模拟计算以80万t /a 乙烯装置丙烯精馏塔为例，该塔进料组成条件如表1所示。
采出丙烯产品的规格按照GB/T 7716—2002中聚合级丙烯优等品（摩尔分数99．6%），塔釜丙烯控制指标为摩尔分数≤2%。
1．2模拟过程1．2．1模拟图与模拟参数选择工业生产中由于受到运输和加工制造的限制，将丙烯精馏塔分成双塔串联或并联操作，但在模拟软件中双塔和单塔模拟没有本质区别。
为方便模拟和收敛的需要，在模拟软件中采用单塔模拟的原则［3］，模型如图1所示。
表1进料组成与工况Table1Feed composition and case condition图1原始工况模拟流程图Fig．1Process simulation diagram of design case该模型采用DISTILLATION模块可进行精确的多级气液分离的精馏计算，并可进行多股进料、侧线采出、中间再沸器及不同板效率的计算。
丙烯精馏体系中不含CO，CO2，H2等极性物质，且水可做近似处理，用简单的SRK烃热力学方法的缺省水倾析项可满足要求。
热力学性质均采用软件默认SRK方程本身的热力学性质，不再另做修正。
该模型是典型的气液二相模拟计算，故选用气液二相精馏首选、收敛性能好的IO算法［4］。
1．2．2模拟结果通过工况分析模块（CASE STUDY）分析各参数是否在最佳工作位置，对模拟初始结果中的进料板位置、冷凝器和再沸器的负荷、塔顶塔釜丙烯含量分布以及回流比进行优化计算，全塔完成分离任务需要塔板数170块，在进料板位置高于第80块进料时产品丙烯和塔釜丙烯这2个指标不能同时达标，随着进料板位置下移，直至第85块塔板进料时操作趋于稳定，丙烯产品由第7块板采出。
冷凝器为239．7GJ/h，再沸器为241．8GJ/h，总能耗为481．4GJ/h，回流比控制在15．1。
各流股模拟结果如表2所示。
表2原始工况模拟计算结果Table2Simulation output of design case流股名称进料塔底重组分丙烯产品塔顶轻组分相态液液液气温度/ħ40．6066．0749．4938．00压力/MPa2．132．242．062．04流量/（mol·h－1）131553．651219．342．05流量/（kg·h－1）553492484．3513161549．3x（氢气）/%0．20000．0012．842x（甲烷）/%0．32400．0045．067x（乙烯）/%0．002000．036x（乙烷）/%0．04100．0160．570x（丙炔）/%0．0310．76200x（丙二炔）/%0．0210．51600x（丙烯）/%95．072．00099．6291．26x（丙烷）/%4．00989．40．3530．220x（1，3丁二烯）/%0．0020．05400x（1-丁烯）/%0．0311．26300x（异丁烯）/%0．0510．75400x（丁烷）/%0．0521．27400x（1-己烯）/%0．1403．40500x（C9）/%0．0240．57200实际工程应用中此规模的丙烯精馏塔塔径达5—6m，液相负荷达800—1000m3/h，选用多·57·曹媛维乙烯装置丙烯精馏塔优化设计溢流的塔板形式以有效防止液泛的产生［5］，因此模拟计算中考虑塔板形式对板效率的影响，单板效率按98%选取。
根据实际工程应用和塔板制造厂的经验，充分考虑丙烯和丙烷相对挥发度小分离困难的因素，最终的实际板数应按照全塔效率不超过80%计算［5］，本模拟实际塔板数为212块。
2实际工况的优化与分析2．1模拟顺序的确定精馏塔的设计参数涉及诸多因素，如果将所有的操作值任意匹配进行模拟计算，工作量非常巨大，难以找到合适的匹配参数。
选取某一参数，该参数不易调节，或不经常调整且其他操作条件的变化对其影响较小，以此参数为给定值作为起点，即减少一个变量数，对其他变量逐一进行优化设计，这样能大幅减少模拟工作量，提高优化的速度和效率［6］。
因此模拟顺序的确定显得尤为重要。
大量文献中试算表明不同回流比下的最佳进料位置一致，也就是回流比的不同不影响最佳进料位置的选择，因此将首先确定最佳进料位置。
在此基础上讨论塔负荷最低情况下的最佳回流比，并得出回流比的取值范围，最后讨论合理回流比下的合适的产出量范围。
当这些参数都确定之后，塔顶冷却器负荷及塔釜再沸器负荷等就相应确定。
2．2输入工况的确定实际生产中因为前系统波动的影响，丙烯塔的进料组成和流量会与原始模拟数据有较大的波动，势必会造成丙烯精馏塔能耗高、产品不合格等问题的出现。
为了简化计算，调整组分摩尔分数只关注关键轻重组分丙烯和丙烷，将上述模拟进料组成中丙烯摩尔分数由95%降至90%，丙烷摩尔分数相应地由4%升至9%，其他杂质组分摩尔分数不变。
塔设计负荷达到120%，即1578kmol/h，按照上文的模拟顺序，讨论各参数的取值规律。
2．3模拟结果由图2—3，表3可知，此非正常工况下170块理论板数仍可完成分离任务，第100块进料板为最佳进料位置，此时回流比和负荷都为最小值，回流比由15．1增大到17．8，塔顶冷凝器负荷为321．8GJ/h，塔底再沸器负荷为324．3GJ/h，总负荷为646．1GJ/h。
此工况较之前的初始工况能耗增加了34．2%。
因此该2台换热器的设计余量应为135%，放大余量解决了实际生产的操作波动带来的影响。
表3实际工况模拟计算结果Table3Simulation output of actual operating case流股名称进料塔底重组分丙烯产品塔顶轻组分相态液相液相液相气相温度/ħ40．6063．749．538．00压力/MPa2．132．242．062．04流量/（mol·h－1）1578145．191382．350．54流量/（kg·h－1）665786541．5581751861．9 x（氢气）/%0．20000．0026．373 x（甲烷）/%0．32400．0055．066 x（乙烯）/%0．002001．334 x（乙烷）/%0．04100．0361．337 x（丙炔）/%0．0310．14300x（丙二炔）/%0．0210．02900x（丙烯）/%90．002．01099．685．670 x（丙烷）/%9．00093．200．3570．220 x（1，3-丁二烯）/%0．0020．03200x（1-丁烯）/%0．0311．00400x（异丁烯）/%0．0510．45400x（丁烷）/%0．0521．20200x（1-己烯）/%0．141．3500x（C9）/%0．0240．57200·67·化学工程2012年第40卷第9期2．4工程化应用由以上讨论结果可知，当出现非正常工况进料时，原有的进料口不能成为最佳进料点，调整进料口由原来的第85块板至第100块板，因此在实际的工程应用中增设进料口（非多股进料），一次性投资相对运行成本很低，可忽略不计。