苯乙烯精馏工艺应用优化及控制研究

苯乙烯精馏工艺应用优化及控制研究

李洪财

大庆亿鑫化工股份有限公司 黑龙江省大庆市 163000

摘要：苯乙烯是应用于工业材料、药品等生产环节的重要材料，生产工艺较为复杂。近些年来，随着苯乙烯市场规模的不断扩大，工艺技术迭代更新速度加快，在生产过程中优化工艺应用方式，提升节能降耗生产水平，成为相关企业关注的重点问题。本文基于稳态流程模拟，说明苯乙烯精馏工艺应用中的控制要求，以此为相关研究提供参考。

关键词：苯乙烯；精馏工艺；控制

当前国内苯乙烯技术路线主要是以乙苯脱氢工艺为主，市场规模占据90%以上。同时，环氧丙烷/苯乙烯共氧化工艺应用也更加广泛。受不同工艺生产方式和产品性能影响，产品市场竞争力存在较大差异，因此如何优化改进生产技术，推动生产环节节能减排，降低生产成本，成为企业关注的重点问题。

1、苯乙烯精馏工艺类型及稳态流程模拟

1.1 苯乙烯精馏工艺类型

相关统计数据显示，石油化工行业能耗在全国工业总能耗中占比达到15%左右，精馏操作单元是产品组分分离的基本环节，运行能耗占到整个分离过程的95%以上。因此采用更加节能的精馏技术，对企业生产方式优化，具有重要的促进作用。当前较为常用的苯乙烯精馏工艺，主要有如下几种：（1）多效精馏，其原理是利用高热品位的塔顶蒸汽，对低热品位的塔釜再沸器加热，同时实现自身冷凝。在运行中，随着效数增加，效率也不断下降，因此多是采用双效或三效模式，但是在操作过程中，需要做好温度控制，对生产管理具有较高要求。（2）萃取精馏与共沸精馏，其原理是在精馏过程中添加新的组分，改变原有物系的相对挥发度，有效降低精馏能耗。（3）热泵精馏，其原理是基于冷凝器与再沸器的热耦合作用，提升工艺流程中的热力学效率，具体包括直接蒸汽压缩、塔釜闪蒸、外部蒸汽再压缩等三种工艺方式。（4）内部热耦合精馏，其原理是在精馏塔内部实现热量集成，在高压作用下，将精馏段作为热源，提馏段作为冷源，以实现节能控制的工艺[1]。从理论计算视角，该工艺节能降耗可以达到70%以上，但是在实际运行中，由于传热面积限制，实际效果与理论效果依然存在较大差距。

1.2 苯乙烯精馏工艺优化要求

在苯乙烯精馏工艺研究不断深入情形下，国外企业根据某学者提出的完全热耦合精馏塔理论模型，尝试提出间壁式精馏塔结构，成为精馏工艺应用优化关注的重点方向。从技术理论层面而言，间壁式精馏塔与内部完全热耦合精馏塔在热力学上是等价的，但是在实际应用中，需要考虑工艺的适配性、可操作性等问题，必须要通过合理的工艺方案，实现运行稳定性与最优经济效益的统一。稳态模型是衡量经济效益的基本方法，动态模型则是衡量可操作性的基本方法，将两种方法结合，选择出最为适配的间壁式精馏塔工艺优化方案，对生产管理改进具有重要的促进作用。

2、苯乙烯精馏工艺优化模型

以PO/SM工艺中苯乙烯精馏工段为例，生产设备包括MBA脱水反应器、水洗塔、碱洗罐、水洗罐、轻组分塔、苯乙烯塔等过程，最终实现苯乙烯与重油的分离。相对乙苯脱氢工艺，反应器出口中只有少量乙苯，更多的是甲基苯甲醇残留。工艺应用经济效益水平，更多的受塔板分布和进料采出位置等因素影响。为更好的分析不同工艺方案影响，根据布置方式不同，搭建如下几种形式模型进行对比：（1）CDiC模型，将两个传统精馏塔按顺序连接，作为基准比较的原始方案。（2）FTC间壁式精馏塔模型，是在塔内插入一座分隔壁，再结合进料与采出位置，将全塔分为六个部分，物质交流和能量传递效率，主要受区域之间的塔板数、回流比、气相分配和液相分配流量等因素影响。（3）ASS间壁式精馏塔模型，在结构上将分隔壁位置延伸至塔釜，增加一个再沸器，通过调整两侧再沸器负荷，能够根据运行情况调整分隔壁两侧气相流量，从而达到良好的控制效果。（4）MR间壁式精馏塔模型，其方案是将ASS间壁式精馏塔模型中左侧再沸器中的产物，利用液体传输管道，转移至分隔壁右侧，在有效控制左侧分离重组分任务的同时，提升产品纯度。（5）ALT间壁式精馏塔模型，其方案是将MR中分隔壁左侧液体传输的原料，从再沸器提升至中间塔板，形成新的热耦合。这种模型的热耦合效率介于MR塔和FTC塔之间，但控制效果有明显提升。

3、苯乙烯精馏动态流程模拟与控制

3.1 搭建动态模型

无论采用何种苯乙烯精馏工艺，运行过程都是动态化的，需要考虑多种因素对动态过程的影响。因此依照设备之间的运行关系和模型搭建原理，实现对动态流程的模拟，需要搭建塔板模型、冷凝器模型、再沸器模型、控制器模型。

3.2 控制自由度分析

控制自由度分析，是指在模型运行中，至少需要选择多少个直接控制点，才能够使模型达到稳态运行状态。本课题研究中，以经济效益最好的FTC塔和ALT模型为例，说明控制自由度选择的基本方法。在两种模型中，精馏工艺运行约束条件和总物流数，主要体现在物流/能量流、节流阀、泵、压缩机、冷凝器、釜式再沸器、热虹吸式再沸器、闪蒸罐/精馏塔筒体等方面。对FTC塔而言，参考工艺应用中约束条件和冗余变量控制要求，可以将控制自由度设置为7个。对ALT塔而言，则需要考虑由于新增加设备带来的影响，因此将控制自由度设置为9个。

3.3 FTC模型的动态模拟

FTC塔所设定的7个控制自由度，主要包括冷凝器热负荷、塔顶采出流量、侧线采出流量、塔釜产品流量、回流流量、液相分配流量及再沸器热负荷等。模拟优化效果，是要求通过不同的变量控制组合，分别模拟精馏工艺流程，以最终产品纯度能够达到合格为止。模拟过程中，通过调整进料组成、进料流量，分析塔顶乙苯、侧线苯乙烯、侧线α-甲基苯乙烯的浓度变化状态[2]。模拟结果显示，在苯乙烯进料浓度增加10%情形下，系统运行稳定性明显不足，即便是在增加响应时间情形下，也无法保持定常态模式，说明该模型在可操作性上存在一定局限。如果再增加温度变量，则可控性更差，对生产操作精度具有更高要求。

3.4 ALT模型的动态模拟

ALT模型提出时间较晚，在控制方案和动态特性方面的研究依然较为滞后，尤其是在增加两个操作自由度情形下，要求蒸馏塔内部浓度分布限制更加精细化。本课题研究中，在FTC模型基础上，对控制方式进行优化，分别观察进料施加10%流量扰动和10%苯乙烯浓度扰动情形下，塔顶乙苯、侧线苯乙烯和侧线AMS的浓度变化特征。模拟结果显示，在各种控制方案下，ALT模型的产品质量较之FTC模型均有明显提升，具有良好的应用效果。因此在生产作业中，通过技术公关和优化改进，能够在有效提升产品质量基础上，降低整体运行成本，有效提升苯乙烯精馏工艺应用水平。

4、结束语

将苯乙烯精馏工艺过程转变成为数学模型问题，以年度总费用最小为优化目标，分析不同生产工艺所具有的运行特征，分析FTC模型和ALT模型在可操作性、运行稳定性等方面差异，能够准确评估工艺应用成效和具体控制要求[3]。相对而言，FTC工艺在经济效益方面具有一定优势，ALT工艺在可操作性上具有明显优势。因在生产管理中，应当根据实际情况选择合适的工艺类型，以此确保企业整体效益不断提升。

参考文献

[1]徐彬.苯乙烯生产工艺对比与分析[J].化工设计通讯,2020,46(04):110-111.

[2]阚昊,于宸,金熙俊.6万t/a苯乙烯装置精馏工艺设计与优化[J].当代化工,2014,43(09):1755-1757.

[3]王长文.节能型苯乙烯精馏装置与常规装置的对比与分析[J].山东化工,2014,43(08):103-105.