氯乙烯装置的模拟优化研究.pdf

齐鲁石油化工,2 0 2 3,51(2):112-116研究与开发QILUPETROCHEMICALTECHNOLOGY氯乙烯装置的模拟优化研究朱西任（中国石化齐鲁分公司氯碱厂，山东淄博2 5540 0）摘要：利用AspenPlus流程模拟软件对某炼化企业氯乙烯（VCM)装置二氯乙烷（EDC）精馏单元和VCM精馏单元建立数学模型，模拟结果与实际值较为接近，模型准确可靠。运用该模型对EDC塔回流比、EDC塔冷凝器出口温度、真空塔塔顶采出量以及VCM塔回流量等操作参数进行灵敏度分析，并提出了优化建议。经验证，这些优化措施可以显著提高装置节能效果,对于装置的优化操作具有很好的指导意义。关键词：氯乙烯；二氯乙烷；模拟；AspenPlus；优化中图分类号：TQ222.423VCM在常温、常压下是一种无色、有乙醚香味的气体。它是聚氯乙烯生产的基本原料,在引发剂的作用下,可以聚合生成聚氯乙烯；VCM还可以与其他不饱和化合物共聚形成高聚物，这些高聚物在工业和日用品生产中具有广泛的用途。因此,VCM在有机化工生产中占有重要的地位 。在平衡氧氯化法制氯乙烯生产工艺中，制备高纯度EDC是关键环节，EDC产品质量直接影响后续工艺中EDC裂解炉的运行情况。粗EDC经脱水塔、脱轻塔和脱重塔精制后，得到水含量小于15g/g、纯度（质量分数）大于9 9.53%的精制EDC,以供后续工段使用。VCM产品质量是影响聚氯乙烯（PVC）树脂质量的重要因素之一。VCM中的Fe、酸、水含量超标均会影响PVC树脂的热稳定性,而EDC含量超标会使PVC树脂的“鱼眼”数增多、聚合度下降。为了去除这些杂质，通常采用精馏塔对粗VCM气体进行精制。本研究利用 Aspen Plus流程模拟软件,对某炼化企业VCM装置的EDC精馏单元和VCM精馏单元进行模拟。重点针对VCM装置能耗较高、EDC收率较低等问题进行分析，通过优化操作参数,达到节能降耗和提高收率的目的。1模型建立1.1工艺流程简介EDC精馏单元采用四塔流程，包括头塔、EDC文献标识码：B文章编号：10 0 9-9 8 59(2 0 2 3)0 2-0 112-0 5塔、真空回收塔和EDC汽提塔。粗EDC进人头塔后,水和低沸物经塔顶去除，而EDC与高沸物则通过塔底送至EDC塔。在EDC塔内,经过进一步的精制,塔顶的EDC被送到EDC 汽提塔,而塔底物料（富集高沸物的混合物）则被送往真空回收塔以回收其中的EDC。在EDC汽提塔中,塔底的EDC作为裂解炉的进料被送至贮罐。真空回收塔则回收部分EDC并将其送至精制后的EDC贮罐。尾气冷却后焚烧处理。VCM精馏单元采用三塔流程，包括HCI塔、VCM塔和VCM汽提塔。裂解单元产生的裂解产物进入HCI塔后,塔顶的气相HCI被加热后被送到氧氯化单元，而塔底物料则进入VCM塔。在VCM塔中,塔顶的气相组分进入VCM汽提塔以除去残留的HCl,而塔底物料（包括未转化的EDC和裂解副产品）则被送往循环EDC氯化系统。VCM汽提塔除去VCM塔顶产品中残留的HCl,而塔底的VCM则被送至VCM贮罐。1.2模型介绍利用AspenPlus流程模拟软件，建立VCM装置EDC精馏单元和VCM精馏单元模拟模型（见图1、图2）。在热力学模型方面，由于VCM装置收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 1；修回日期：2 0 2 3-0 5-11。作者简介：朱西任（19 7 1一），男，工程师。19 9 4年毕业于北京石油化工学院工业分析专业，现在中国石化齐鲁分公司氯碱厂工作。电话：[phone]；E-mail：139 5338 57 7 0 。2023,51(2)所处理的物料VCM混合液、EDC混合液属于极性非理想体系，均不含电解质，有二元交互作用参数,且分离过程中的压力没有超过1MPa，因此NRTL、Wi l s o n、U n i q u a c 方程都能适用于该分离体系。李玥2 采用NRTL模型对同类装置进行了流程模拟，模拟结果与实际值吻合良好，因此可以采用NRTL物性方法。精馏塔采用RadFrac模型，泵采用Pump模型,压缩机采用Compr模型,换热器采用HeatX和Heater模型3水和低沸物粗EDC头塔图1氯乙烯装置EDC精馏单元模型流程示意HCIHCIVCM汇提塔粗VCMHCI图2 氯乙烯装置VCM精馏单元模型流程示意2模型确认在进行模型验证时，将进料数据、进料组成、模块设定和设备参数输人到所建立的模型中，然朱西任氯乙烯装置的模拟优化研究后运行模拟程序。将模拟结果与实际值进行对比,以确保模型计算误差在5%范围之内。具体模拟结果见表1、表2。由表1、表2 可以看出：模拟结果和实际生产过程基本吻合，生产过程的关键质量指标均能满足,说明建立的模型准确可靠,能够用于指导实际生产并进行优化计算。表1EDC精馏单元模型模拟结果项目实际值模型值误差低沸物，头塔塔顶温度/塔釜温度/EDC汇碧塔水含量/(gg-l)进料量/(kg h=l)采出量/(kg h-1)EDCEDC塔纯EDC塔顶温度/纯EDC塔釜温度/EDC质量分数/%高沸物质量分数（uggl）真空回收塔水含量(ugg-l)进料量/(kg h-1)采出量/(kgh-l)蒸汽量/(kgh-l)高沸物真空回收塔塔顶温度/塔釜温度/EDC质量分数/%水含量/(gg-l)进料量/(kg h-1)采出量/(kg h=1)EDC汽提塔塔顶温度/VCM塔釜温度/纯VCMEDC质量分数/%水含量/(ugg-l)进料量/(kg h-1)采出量/(kg h-1)未转化的EDC裂解副产品113.90.792.6115.5110.310103978639.4563941239237-0.4%86.688.595.896.899.699.612.512.5101072.00071593-0.6%69 18568 794-0.6%18:00017590-2.3%48.047.793.091.417.017.1101027 19227 62624000239900.0%87.683.293.795.899.599.91010136 196130 568-4.1%132.696131 794-0.7%3模拟优化利用Aspen Plus流程模拟软件可以节约试验探索最佳操作条件的成本，为各工艺参数提供参考，明确单元设备的操作参数，进行装置优化、流程分析和全过程综合管理，提高生产效率，节约能耗物耗,达到环境友好的目的,具有良好的经济效2.1%4.5%-0.8%2.2%1.0%0-0.6%-1.7%0.6%1.6%-5.0%2.2%0.4%19齐鲁石油化工114.QILU PETROCHEMICALTECHNOLOGY益41。目前,该VCM装置存在能耗较高的问题,利用AspenPlus流程模拟软件灵敏度分析功能,调整操作参数，在保证产品质量和操作便利性的条件下,降低能耗,降低碳排放。表2 VCM精馏单元模型模拟结果项目实际值模型值误差HCI塔塔顶温度/塔釜温度/HCl 含量/(g:g-l)进料量/(kg h-1)塔底出量/(kgh-1)VCM塔塔顶温度/塔釜温度/塔顶VCM质量分数/%进料量/(kg h-1)采出量/(kgh-l)蒸汽量/(kg h-1)VCM汽提塔塔顶温度/塔釜温度/HCl 含量/(g:g-l)水含量/(gg-l)VCM质量分数/%进料量/(kg h-1)采出量/(kgh-1)3.11EDC精馏单元模拟优化3.1.1EDC塔回流量优化EDC塔原回流比为0.40 7、EDC塔再沸器负荷为10 2 2 6.6 kW、冷凝器负荷为9 8 6 4.1kW、塔顶EDC质量分数为9 9.6 8%、高沸物质量分数为12.5g/g。ED C 塔分离要求塔顶EDC质量分数不小于9 9.6 0%，重组分质量分数不大于15g/g,在控制分离要求不变的情况下,可以通过模拟计算改变回流比的方式，找到EDC塔操作边界，从而降低EDC塔能耗,模拟结果见图3、图4。由图3、图4可以看出：随EDC塔回流比的增加,塔顶EDC纯度逐渐增加，高沸物含量逐渐降低,而再沸器和冷凝器的负荷也随之增加。在塔顶EDC质量分数满足不小于9 9.6 0%、高沸物质量分数满足不大于15g/g的要求时，应尽量降2023,51(2)低回流比，节约能耗。当回流比大于0.39 6,EDC纯度已满足分离要求，继续提高再沸器和冷凝器负荷对降低高沸物含量已无较好的作用。因此，在目前装置进料情况下，较优的回流比为0.38 60.396,为了便于操作和节约能耗，优选回流比为0.39 0。此时，EDC塔再沸器负荷为6 46 0.8kW、冷凝器负荷为58 9 1.1kW、塔顶EDC质量分数为9 9.6 6%、高沸物质量分数为13.8 g/g。12000-24.0-22.8102.0103.75010146 808146 808125554125 46845.145.5162.9164.199.9799.97110 00011159363 00063 794160001659075.976.676.777.40.50.430099.9999.99261922689224 00022.990-5.0%1.7%0-0.1%0.9%0.7%01.4%1.3%3.7%0.9%0.9%2.7%4.2%11000F10000MX/I900080007000600050000.3480.3560.3640.3720.3800.3880.3960.4040.412图3再沸器负荷、冷凝器负荷与EDC塔回流比的关系99.7023一EDC质量分数21499.69高沸物质量分数99.6899.6799.6699.640.3480.3560.3640.3720.3800.3880.3960.4040.412图4EDC纯度、高沸物含量与EDC塔回流比的关系3.1.2EDC塔冷凝器出口温度优化在实际生产中，操作人员常常将回流液温度降至稍高于冷却水出口温度的水平，以使回流温度相对比较稳定,这样有利于精馏塔的平稳操作。然而,回流液温度（即冷凝器出口温度)降低过多会增加装置能耗。因此,在满足EDC塔分离要求的前提下,应尽量提高冷凝器出口温度，以有利于降低EDC塔能耗。在本优化过程中,设定回流比为0.39 0,并通过Aspen Plus流程模拟分析EDC塔塔顶冷凝温度对塔顶EDC纯度和塔顶冷凝负荷的影响,结果见图5。由图5可以看出：随着冷凝器出口温度上升，+再沸器负荷一冷凝器负荷回流比回流比171513112023,51(2)冷凝器负荷先降低，并在冷凝器出口温度为83.5时达到最低值，然后随着冷凝器出口温度上升而增加；再沸器负荷在冷凝器出口温度大于83.5后也迅速增加。因此,在保证EDC纯度合格的前提下，冷凝器出口温度应控制在8 1 8 3，此时再沸器负荷会略微增加，但冷凝器负荷会大幅减少。综合考虑能耗和操作条件,建议冷凝器出口温度为8 2.5。此时,EDC塔再沸器负荷为6 4 9 4.8 kW、冷凝器负荷为5 2 8 5.2 kW，塔顶EDC质量分数为9 9.6 3%。1200010000一一再沸器负荷8000一冷凝器负荷EDC质量分数6000400074.576.077.579.080.582.083.585.086.5图5 EDC塔顶EDC纯度、再沸器负荷、冷凝负荷与冷凝器出口温度的关系3.1.3真真空塔回收塔顶采出量优化真空回收塔原塔顶采出量为2 4 t/h，质量收率仅为8 8.3%。为了减少塔釜高沸物中EDC的损失，同时考察塔顶采出量对再沸器负荷的影响，通过AspenPlus流程模拟分析真空回收塔底高沸物中EDC含量与塔顶采出量、再沸器负荷的关系，结果见图6。49004.80047004600450044004300F420023.524.0224.525.025.526.026.527.027.5塔顶采出量（th）图6 真空回收塔底高沸物中EDC含量与塔顶采出量、再沸器负荷的关系由图6 可以看出：随着塔项采出量增大,真空朱西任氯乙烯装置的模拟优化研究回收塔塔底高沸物中EDC含量逐渐下降。当真空回收塔塔顶采出量超过2 6.8/h后，塔底高沸物中EDC含量下降明显，高沸物中EDC质量分数降至0.2 5%以下，每小时能多回收2.8 t的EDC,质量收率可增加至9 7.0%，而能耗仅增加12.7%。3.2VCM精馏单元模拟优化VCM塔原回流比为0.8 9、再沸器负荷为9060.9kW、塔釜VCM质量分数为4 5 8 g/g。V C M塔分离要求塔釜VCM含量不大于5 0 0 g/g，在控99.68制分离要求不变的情况下，可以通过改变回流比的方式，找到VCM塔操作边界,从而降低VCM塔99.65能耗。通过AspenPlus流程模拟分析该塔回流比99.62对塔底VCM含量及再沸器热负荷的影响，结果见99.59图7。99.561100099.531000099.509000冷凝器出口温度/80007000600050000图7VCM塔回流比与塔底VCM含量、再沸器热负荷关系由图7 可以看出：再沸器热负荷随VCM塔回流比的增加而逐步上升。而塔底VCM含量随1.0VCM塔回流比的增加逐渐降低，当回流比大于0.80.26,塔底VCM含量无显著变化。因此,在目前装置进料情况下，较优的VCM塔回流比为0.300.60.40,为了便于操作和节约能耗优选回流比为0.40.35。此时,VCM塔再沸器负荷为6 8 7 4.1 kW，塔釜VCM质量分数为4 5 8 g/g。一再沸器负荷0.2+EDC质量分数0115.50000400003000020000再沸器负荷VCM质量分数1000000.20.4回流比4优化前后技术指标对比通过上述优化，优化后VCM装置技术指标见表3。由表3可以看出：优化后，通过降低EDC塔回流比和EDC塔塔顶冷凝器出口温度，可以有效降低EDC塔能耗，塔釜热负荷降低了36.4 9%，塔0.60.81.01.2齐鲁石油化工116.QILUPETROCHEMICALTECHNOLOGY顶冷负荷降低了4 6.4 2%；通过增加真空回收塔塔顶采出量，产品收率提高了8.7 个百分点；通过降低VCM塔回流比，VCM塔塔釜热负荷降低了24.13%。表3优化前后VCM装置操作参数及能耗对比项目EDC塔回流比EDC塔冷凝器出口温度/EDC塔再沸器负荷/kWEDC塔冷凝器负荷/kW真空回收塔塔顶采出量/（kgh-l）真空回收塔塔顶质量收率/%VCM塔回流比VCM塔再沸器负荷/kW5结论（1）利用AspenPlus流程模拟软件，选用NRTL热力学模型，建立VCM装置EDC精馏单元、VCM精馏单元模型，模拟结果准确可靠，能够SIMULATION AND OPTIMIZATION RESEARCHON VINYL CHLORIDE PLANTZhu Xiren(Chlorine Alkali Plant of Qilu Branch Co.,SINOPEC,Zibo Shandong 255400)Abstract:Mathematical models of dichloroethane(EDC)distillation unit and VCM distil-lation unit in a vinyl chloride(VCM)device were established by using Aspen Plus process sim-ulation software.The simulation results were close to the actual values and the models were reli-able.Sensitivity analysis was conducted on the following parameters,including reflux ratio ofthe EDC tower,outlet temperature of the EDC tower condenser,top extraction volume of thevacuum tower,reflux flow of the VCM tower.Optimization suggestions were put forth,signifi-cant energy-saving effect was obtained,which provided good guidance for optimized operationof the vinyl chloride device.Key words:vinyl chloride;dichloroethane;simulation;Aspen Plus;optimization2023,51(2)用于指导实际生产并进行优化计算。(2)通过模拟计算，对EDC塔回流量、EDC塔冷凝器出口温度、真空回收塔塔顶采出量以及VCM塔回流量等操作参数进行优化调整。优化后,EDC塔再沸器负荷降低了36.4 9%,EDC塔冷凝器负荷降低了4 6.4 2%，真空回收塔塔顶EDC优化前优化后0.4070.39680.682.510 226.66 494.89 864.15 285.2240002680088.397.00.890.359.060.96 874.1质量收率增加了8.7 个百分点，VCM塔再沸器负荷降低了2 4.1 3%。优化措施节能效果显著，对VCM装置操作优化具有较好的指导意义。参考文献1李叔坡乙炔法氯乙烯装置模拟与优化研究 D北京：北京化工大学,2 0 0 7.2李玥,李群生，李春江氯乙烯精馏过程模拟优化与节能降耗的研究J北京化工大学学报,2 0 1 5,4 2(5):249-253.3周文军基于Aspen Plus的氯乙烯精馏过程模拟D.杭州：浙江大学,2 0 0 5.4李群生，于颖.VCM精馏工段的计算机模拟优化计算J.聚氯乙烯,2 0 1 2,4 0(2):1 2-1 8.投稿特别声明近期,有人冒用齐鲁石油化工名义在互联网上进行约稿、组稿,从中谋取经济利益，造成恶劣影响。对此，我刊郑重声明：未与任何网站或个人签署收稿合作协议。齐鲁石油化工期刊投稿方式：电话：[phone],7 5 8 2 6 1 5,7 5 8 2 5 30网址:http:/E-mail:qlsyhghjb.qlsh