丁二烯装置中NMP法萃取蒸馏技术的传质性能研究

引言

丁二烯是石油化工中一种至关重要的单体，是合成橡胶（如顺丁橡胶、丁苯橡胶）、合成树脂及其他化工产品的基础原料。其生产主要来自于乙烯裂解装置的 C4 馏分，该馏分组成复杂，包含丁烷、丁烯、丁二烯以及炔烃等沸点相近的组分，采用普通精馏方法难以实现有效分离。萃取蒸馏技术因其能够通过改变组分间的相对挥发度，从而实现高效分离，成为丁二烯抽提的主流技术。在多种萃取蒸馏溶剂中，N-甲基吡咯烷酮（NMP）以其选择性高、溶解能力强、毒性低、沸点高且热化学稳定性好等优点，被广泛应用于现代丁二烯装置中。NMP 法工艺的核心在于萃取蒸馏塔，该塔内进行的传质过程是整个分离流程的成败关键。塔内气液两相的接触效率、组分的传质推动力和传质速率，直接决定了产品丁二烯的收率与纯度，并深刻影响着装置的能耗水平。然而，在实际工业操作中，萃取蒸馏塔的传质性能受到多重操作参数的耦合影响。气液比（V/L）影响着塔内气液负荷和流体力学状态，溶剂比（S/F）直接决定了溶剂对非理想组分的选择性分离能力，而回流比（R）则关系到产品的纯度和系统的能耗。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

实验所用原料为某石化企业提供的碳四混合烃，主要成分包括丁二烯、丁烷、丁烯等，其中丁二烯的质量分数为 40% 左右。NMP 溶剂为工业级，纯度 gtreqqless99% 。

1.2 主要仪器与设备

实验所用主要仪器与设备包括：萃取蒸馏塔（内径 50mm ，塔高 2000mm ，填料为 θ 环填料，填料尺寸 3mm×3mm ）、恒温水浴锅、转子流量计、气相色谱仪（Agilent 7890B）等。

1.3 实验方法

实验在常压下进行，将碳四混合烃和 NMP 溶剂分别从萃取蒸馏塔的下部和上部进料，在塔内进行传质和传热过程。塔顶采出丁二烯产品，塔底采出含有重组分的 NMP 溶剂。通过改变气液比、溶剂比、回流比等操作参数，测定塔顶和塔底物料中各组分的含量，计算传质效率。

2 操作参数对传质性能的影响机理与研究方案

2.1 气液比（V/L）

气液比是塔内上升气相与下降液相的流量之比，直接影响塔内流体的流动状态和相界面面积。

影响机理：V/L 过低，可能导致液相负荷过大，造成液泛，传质面积减小；V/L 过高，则气相负荷过大，可能导致雾沫夹带，同样恶化传质效果。存在一个最佳 V/L 范围，使塔内处于最佳操作状态，传质效率最高。

研究方案：在固定溶剂比和回流比的条件下，改变塔釜再沸量以调节V/L，通过分析塔顶馏出物中丁二烯的损失量和塔釜采出物中轻组分的含量来评价传质效果。

2.2 溶剂比（S/F）

溶剂比是溶剂 NMP 的进料量与原料 C4 馏分的进料量之比，是调节溶剂选择性分离能力的核心参数。

影响机理：S/F 增大，意味着溶剂用量增加，对丁二烯的溶解能力和选择性增强，有利于提高产品纯度，减少丁二烯的塔顶损失。但过高的 S/F会导致溶剂循环量增大，再沸器能耗急剧上升，且可能使塔内液相负荷过高。S/F 过低，则溶剂选择性不足，分离效果变差。

研究方案：在固定 V/L 和回流比的条件下，改变 NMP 溶剂的进料量，通过检测产品丁二烯的纯度和关键杂质（如乙烯基乙炔）的含量来评价分离选择性。

2.3 回流比（R）

回流比是塔顶回流量与产品采出量之比，是保证产品纯度和控制能耗的关键。

影响机理：增大回流比，可增加塔内气液两相接触次数，提高传质推动力，从而显著提高塔顶产品的纯度（减少丁二烯夹带）。但回流比增大的直接后果是再沸器和冷凝器的负荷同步增加，能耗上升。回流比过低则无法保证产品纯度。

研究方案：在固定 V/L 和溶剂比的条件下，调节回流比，通过分析产品纯度和测量系统综合能耗来寻找纯度与能耗之间的最佳平衡点。

3 结果与讨论

3.1 气液比对传质效率的影响

在溶剂比为 3.0、回流比为 1.5 的条件下，考察了气液比（气相流量与液相流量之比）对传质效率的影响，随着气液比的增大，传质效率先升高后降低。当气液比小于 2.5 时，气相流量较小，气液两相接触不充分，传质推动力较小，传质效率较低；随着气液比的增大，气相流量增加，气液两相接触面积增大，传质推动力增强，传质效率逐渐升高；当气液比超过 2.5 后，气相流量过大，容易导致液泛现象的发生，使气液两相的传质过程受到破坏，传质效率反而下降。因此，适宜的气液比为 2.5 左右。

3.2 溶剂比对传质效率的影响

在气液比为 2.5、回流比为 1.5 的条件下，考察了溶剂比对传质效率的影响。

溶剂比是指 NMP 溶剂与碳四混合烃的质量比，随着溶剂比的增大，传质效率逐渐升高，当溶剂比达到 3.0 后，传质效率的升高趋势变缓。这是因为 NMP 溶剂的加入可以改变混合物中各组分的相对挥发度，溶剂比增大，相对挥发度增大，传质推动力增强，从而提高传质效率。但是，溶剂比过大，会导致塔内液体流量增加，增加泵的功耗和溶剂回收的能耗，同时也会增加塔的负荷。因此，综合考虑传质效率和能耗，适宜的溶剂比为 3.0 左右。

3.3 回流比对传质效率的影响

在气液比为 2.5、溶剂比为 3.0 的条件下，考察了回流比对传质效率的影响。

回流比是指塔顶回流液流量与塔顶产品流量之比。随着回流比的增大，传质效率先升高后降低。当回流比较小时，塔顶回流液流量较少，塔内气液两相的传质推动力较小，传质效率较低；随着回流比的增大，塔顶回流液流量增加，塔内气液两相的接触时间延长，传质推动力增强，传质效率逐渐升高；当回流比超过 1.5 后，回流液流量过大，会导致塔内液体滞留量增加，降低塔的处理能力，同时也会增加能耗，传质效率反而下降。因此，适宜的回流比为 1.5 左右。

3.4 模拟优化

为了进一步优化萃取蒸馏过程的操作条件，利用 Aspen Plus 软件对萃取蒸馏塔进行模拟计算。首先，对模拟模型进行验证，将实验测得的塔顶和塔底物料中各组分的含量与模拟结果进行对比，可以看出，模拟结果与实验结果吻合较好，说明建立的模拟模型是可靠的。

然后，以塔顶丁二烯的纯度和塔底溶剂中丁二烯的含量为目标函数，对气液比、溶剂比、回流比等操作参数进行优化。优化结果表明，当气液比为 2.5、溶剂比为 3.0、回流比为 1.5 时，塔顶丁二烯的纯度达到 99.5% 以上，塔底溶剂中丁二烯的含量低于 0.5% ，此时传质效率最高，能耗最低。

4 结论

本文通过实验和模拟相结合的方法，对丁二烯装置中 NMP 法萃取蒸馏技术的传质性能进行了研究，探讨了气液比、溶剂比、回流比等操作参数对传质效率的影响。实验结果表明，适宜的操作参数为气液比 2.5、溶剂比 3.0、回流比 1.5，此时传质效率达到最佳。利用 Aspen Plus 软件对萃取蒸馏过程进行模拟优化，确定了最佳的操作条件，为丁二烯装置的高效稳定运行提供了理论依据和技术支持。在实际生产中，可以根据原料组成和生产要求，对操作参数进行适当调整，以达到最佳的分离效果和经济效益。

参考文献：

[1]王强， 李静. NMP 法丁二烯抽提装置萃取蒸馏塔的操作优化[J].化工进展， 2021， 40（3）： 1250-1258.

[2]刘洋， 陈建军， 张涛. 萃取精馏分离 C4 馏分的流程模拟与参数分析[J]. 石油化工， 2019， 48（8）： 823-829.