对分离碳五馏分的新型反应精馏塔的 持液区研究外文翻译资料

对分离碳五馏分的新型反应精馏塔的

持液区研究

原文作者：Liang Guo, Tiefeng Wang, Dongfeng Li, Jinfu Wan

摘要:反应精馏(RD)技术的最新进展为化学过程的设计提供了各种各样的概念。对于裂解C5馏分的分离，主要挑战之一是提高环戊二烯(CPD)的转化率和异戊二烯(IP)的回收率。在本研究工作中，设计了一种具有几个持液区的新型反应精馏塔，因为它允许长停留时间，并能更灵活的缩小反应和精馏之间效率差距。通过使用Aspen Plus软件建立了相应的数学模型，并验证了模型的准确性。随后，对持液区的分离性能进行了全面的研究，确定了最优参数为100块理论板、第35块板为进料位置，第25、第60、第75、第90块板为4个持液区位置。设计的反应精馏塔能够很好地满足技术要求，并对停留时间、运行压力、回流比等其他重要因素的影响做了进一步研究。

关键词：裂解C5；反应精馏；持液区；环戊二烯；异戊二烯

介绍

裂解所得的C5馏分是乙烯装置裂解石脑油等重烃蒸汽的副产物，其中异戊二烯(IP)、环戊二烯(CPD)和戊二烯为主要成分，占总馏分的40 wt% -60 wt%^[1-6]。二烯类化合物，特别是异戊二烯，由于其化学活性高，是重要的合成材料。而在合成利用方面，异戊二烯的纯度要求通常是较为严格(IPge;99.8%，CPDle;3times;10^minus;6)，因此将异戊二烯与环戊二烯的良好分离是至关重要的^[7-9]。

由于异戊二烯(34.1°C)的沸点与环戊二烯(41.5°C)的沸点接近，普通精馏很难将其分离。为了更好地分离C5馏分，热二聚法在工业上得到了广泛的应用。在热二聚过程中，C5馏分在二聚反应器中加热1-3 小时(在130°C下)将环戊二烯转化为双环戊二烯(DCPD)。在后续的操作中，由于DCPD的沸点较高(166.6℃)，可以很容易地通过常规精馏将DCPD与异戊二烯分离^[10,11]。在二聚反应反应器中，除了环戊二烯的自二聚反应外，还发生了异戊二烯的自二聚反应和环戊二烯与异戊二烯(或1,3-丁二烯(1,3-BD))的二聚反应，分别产生(IP IP)二聚体和(CPD IP)二聚体(或(CPD BD)二聚体)副产物^[12]。环戊二烯的转化率可超过80%，但异戊二烯的回收率仅为88% ~ 92%，远低于98%^[13]的要求。

另一方面，反应精馏是一种同时进行化学反应和精馏分离的混合工艺，在酯化^[14-16]、醚化^[17,18]、酯交换^[19,20]、烷基化^[21]和二聚^[22]过程中得到了广泛的研究。在20世纪90年代，Hu等人发现反应精馏过程可以非常有效地将环戊二烯从裂解C5^[4]中分离出来。反应精馏塔，异戊二烯在顶部聚集，而环戊二烯由于沸点不同而流向底部。同时，环戊二烯具有更高的二聚活性，因此在进料板上很大程度上转化为DCPD。因此，环戊二烯的浓度上下迅速下降。沿柱较低的环戊二烯浓度降低了环戊二烯与异戊二烯的共聚，从而提高了异戊二烯的回收率因此，对C5馏分的反应精馏进行研究，对过程强化具有重要意义。尽管文献^[23-25]报道了一些C5反应精馏(RD)的模拟研究，但实验研究仍然十分稀少。就算是在已有的模拟研究中，也没有考虑如理论板数、进料位置、回流比和停留时间等工艺参数的影响。

众所周知，在反应精馏过程中，精馏温度和反应温度的协调非常重要。 但是，在C5 反应精馏中，由于精馏温度的限制，环戊二烯的自二聚化效率不高，而副反应，尤其是环戊二烯与异戊二烯的二聚化则不能忽略。 因此，在这项工作中，设计了一种具有持液区的新型反应精馏塔，用于分离裂解的C5馏分，并在Aspen Plus中建立了相应的数学模型。使用该模型，对理论塔板数，进料位置和持液区位置进行了详细优化，并研究了一些重要因素的影响。

实验

• 1. 试剂种类

该实验中使用的裂解C5馏分是某石化公司中石脑油裂解乙烯单元的副产物。其组成

于表1。异戊二烯，环戊二烯和DCPD的质量分数分别为18.03％，16.97％和2.17％。

表1 裂解所得C5蒸汽组分

仪器

如图1所示，从填料床1向下流动的液相与从立管2上升的气相接触，然后从溢流口5向下流动至下方的填料床。下填充床的底部在液体滞留区域流入液相，以防止死区的形成。 RD柱的直径为50毫米，并装有Phi;4毫米times;4毫米的洁净的不锈钢环。色谱柱中有五个与法兰连接的填料段，从顶部到底部的长度分别为1、1.5、0.5、1和1.5 m。在色谱柱上安装了六个热电偶点，表示为T1-T6。为便于分析，在进料罐上，从上到下的每个滞留区域和回流罐上分别安装了七个采样口。进料预热器，再沸器和塔的保温均被电加热，而冷却器和冷凝器则用冷却水冷却。实验装置的示意图显示在图2该设备可以分为四个部分。第一部分是包含进料罐1，进料泵2和进料预热器3的原料部分。裂解C5馏分在通过预热器3加热到60°C之后从罐1泵送到反应精馏塔。部分是反应精馏4，其中发生C5的传质和化学反应。第三部分由冷凝器5，回流罐6，回流泵7和塔顶产物罐8组成。回流速率由计量泵控制。最后一个是底部排放部分，在塔底包括产品冷却器9和产品罐10。

图1反应精馏塔中持液区与填料床的链接原理图。1-上部填料床2-气体提升管

3-滞留区域；4-热电偶点；5-溢流堰；6-采样点；7-下部填料床。

图2 实验装置的示意图。1-进料罐；2-供给泵;

3-材料预热器；4-反应精馏塔；5-冷却器；6-回流积聚；7-回流泵；8-塔顶产品罐；9-底部的产品冷却器；10-产品罐在塔底；T1-T7：热电偶点。

反应动力学

尽管裂解所得的C5馏分的组成复杂，但仅发生三种检测到的反应，即自我二聚化，聚合中存在二聚和多聚C5馏分的过程。 在工作温度下，环戊二烯的二聚化产生DCPD是主要反应，而其他反应包括异戊二烯的自我二聚化，环戊二烯的二聚化异戊二烯和1，3-BD是显着的副反应^[23]。虽然产生聚合物的多聚合反应可能会导致严重的含义，实验研究和工业生产表明这可以忽略不计。因此，只有这两种反应是在这项工作中考虑过。

1. CPD的自二聚化及其逆反应（主反应）

(1)

1. IP的自二聚化反应

(2)

1. CPD与IP的二聚化

(3)

1. CPD与1,3-BD的二聚化

(4)

（2）–（4）的逆向反应在此过程中微弱且被忽略。

上述反应（1）-（4）的反应速率常数k可以为表示如下：

(5)

已经进行了一些工作来研究动力学反应（1）–（4），但涉及的温度范围为80到130°C不符合反应精馏的工作条件^[25,26]。根据我们先前进行的工作^[27]，动力学参数反应列于表2。

表2 反应动力学参数

数学模型

反应蒸馏是复杂的，因为反应和蒸馏同时发生。为简化此工作中的问题，反应精馏塔中的质量平衡，相平衡和热平衡均在Aspen Plus中使用RADFRAC模型进行了研究，并有一些合理的假设：

（1）仅考虑了二聚反应；

（2）在每个塔板上都达到了气相-液相平衡，而没有考虑二聚化的干扰；

（3）二聚化主要由反应动力学决定；

（4）热损失可忽略不计。

反应精馏图如图3所示，其中塔板从上到下分别编号为1、2，...，N。第一块塔板代表冷凝器，第N块塔板是再沸器。每个塔板都有一个进料口。 根据以上假设，第j阶段的平衡方程列出如下：

1. 质量守恒

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