1、河北工业大学学报JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2023 年 4 月April 2023第 52 卷 第 2 期Vol.52 No.2隔壁塔（DWC）在NMP精制过程中的应用郭晓俊1，马立津1，王荷芳1，宋彦磊2，肖长松2（1.河北工业大学 化工学院，天津 300130；2.山东滨州裕能化工有限公司，山东 滨州 251700）摘要传统的 N-甲基吡咯烷酮（NMP）精制要需常压塔、负压脱水塔和精馏塔三塔串联操作，过程复杂且能耗较高。本文首先对某企业的NMP精制过程进行了数据采集、模拟计算及优化，并以优化的传统工艺年总成本（TAC）为基准，与侧线采
2、出和隔壁塔工艺（DWC）进行对比。结果显示：当前运行工艺优化后可节能30%以上。DWC比优化传统工艺操作操作费用高4.56%，但投资费用低约15.15%，TAC比传统工艺降低近2.4%，具有显著的优越性。关键词N-甲基吡咯烷酮（NMP）；负压脱水塔；隔壁塔（DWC）；精制；年总成本（TAC）中图分类号TQ051.81;TQ251.3文献标志码AApplication of dividing wall column(DWC)tower in NMPrefining processGUO Xiaojun1,MA Lijin1,WANG Hefang1,SONG Yanlei2,XIAO Chang
3、song2（1.College of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Binzhou Yuneng Chemical Co.,LTD.,Binzhou,Shandong 251700,China）AbstractTraditional N-methyl pyrrolidone(NMP)refining requires three column series operation of atmospheric pressure column,negative pressure d
4、ehydrating column and distillation column.The process is complex and energy consumption is high.Data acquisition,simulation calculation and optimization of the NMP refining process of an enterprise werefirstly carried out in this paper,and based on total annual cost(TAC)of the optimized traditional
5、process,were comparedwith that of separation by means of lateral extractions and DWC process.The results showed that optimization of the current operation process can save energy more than 30%.Although the operation cost of DWC was 4.56%higher than thatof the optimized current operation process,the
6、investment cost and TAC of DWC was 15.15%and 2.4%lower than thatof the optimized.So DWC has significant advantages.Key wordsN-methyl pyrrolidone(NMP);vacuum dehydrator column；dividing wall column(DWC);refine;total annual cost(TAC)文章编号：1007-2373（2023）02-0035-08DOI：10.14081/ki.hgdxb.2023.02.005收稿日期：20
7、21-05-10基金项目：国家自然科学基金（21776058）；河北省自然科学基金（B2017202226）第一作者：郭晓俊（1975），男，高级工程师。郭晓俊，等：隔壁塔（DWC）在NMP精制过程中的应用0引言N-甲基吡咯烷酮（NMP）属于氮杂环化合物，是一种极性的非质子传递溶剂。沸点高、溶解能力强、挥发度低、稳定性好，广泛用于石化、锂电池、农药和染料等。在石化行业中，作为萃取剂分离芳烃和非芳烃1，也可作为抽提剂提取丁二烯等2。近年来，顺应国家新能源产业政策导向，NMP更多的用于导电浆料和锂离子电池中，这两个领域应用比例约占NMP用量的75%3。到2020年，NMP年需求量约为36万t，国内
8、NMP总缺口或超20万t4。NMP目前主要的合成方法是以-丁内酯（GBL）与一甲胺（MA）为原料，无催化剂条件下合成，该反应过程分两步进行，第一步-丁内酯（GBL）与甲胺氨解开环生成4-羟基-N-甲基丁酰胺（C5H11NO2），第二步反应中，C5H11NO2脱水生成NMP，反应温度为260，反应压力6 MPa，反应时间3 h。反应通常在连续管式反应器中进行，产物经减压、脱水和蒸馏后得到NMP纯品。河北工业大学学报36第 52 卷传统NMP精制工艺是反应产物出反应器后经减压阀进入常压塔，塔顶除去未反应的MA和部分水分，产品进入NMP粗品罐。粗品NMP经泵输送至负压脱水塔，去除轻组分杂质，主要为水
9、分和MA，塔釜采出物通过压差进入NMP精馏塔。NMP纯品（纯度99.5%）从塔顶采出。精馏塔塔釜间歇排出重组分，俗称NMP焦油（Coke Tar），主要成分为少量NMP、2，2-二甲基-3-二甲胺基丙醛、-羟甲基四氢呋喃等副产物5。由上述可知，NMP精制过程可视为三元混合物的分离，传统工艺为采用双塔分离，精馏过程的能耗约占NMP生产成本的30%，因此，降低精馏过程中能耗具有重要意义。隔壁塔（Dividing Wall Column，DWC）因其能耗低、流程短成为精馏节能研究的热点，特别适合于三元混合体系。其节能原理在于避免了中间组分的返混效应，以及减小进料与进料板上物流组成不同引起的混合问题。
10、DWC在分离原理和计算方法上与热耦合精馏相同，在热力学上等同于Petlyuk塔6-8。WC通过精馏塔内垂直隔板，将塔分为上段、下段，隔板两侧的进料段和侧线采出段4部分9。DWC作为一种热耦精馏装置，目前全世界约有60余台DWC投入运行参考文献。目前，我国已经有几套DWC投入运行，值得一提的是山东飞扬化工将隔壁反应精馏塔用于碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的生产装置，为隔壁塔在反应精馏的应用进行了积极探索。本文采用流程模拟软件对某企业的NMP精馏工艺进行模拟，验证模型的可靠性。固定NMP回收率和纯度，对传统工艺进行了优化，核算了年总成本（Total Annual Cost，TAC）。以TAC作为主要评价指
11、标，对单塔侧线采出和DWC工艺进行了评价。1传统 NMP 精馏工艺高温高压的反应物（R-OUT）经过减压阀进入常压塔（T1），塔釜采出物（T1-B）中MA含量110-6，由转料泵送入NMP粗品罐；塔顶采出（T1-D）主要是MA和少量水。NMP粗品（T-OUT）经泵（PUMP）入负压脱水塔（T2），塔釜采出（T2-B）控制塔釜水分110-6；塔顶采出（T2-D）主要是水。T2-B进入NMP精馏塔（T3），NMP纯品（T3-D）从塔顶采出，焦油（T3-B）从塔底采出。NMP回收率85%，如图1所示。采用流程模拟软件Aspen Plus软件对以上流程进行了模拟。物性方法采用NRTL（Non-Rand
12、om Two Liquids，非随机两流体）模型。T1、T2和T3采用RadFrac模块计算。RadFrac是一个严格用于模拟所有类型的多级气液分馏操作的模型，可以进行校核计算，也可以用作设计计算。对某企业的NMP精馏单元进行了校核计算，以验证模型的合理性。三塔的操作及设备规格如表1所示。根据表1的操作参数和设备规格，采集某企业反应器出口物料（R-OUT）的状态，对NMP精制工艺进行了流程模拟。校核计算结果与企业实际运行数据如表2所示，模拟数据与企业运行数据具有很好的一致图 1传统 NMP 精馏工艺Fig.1Traditional NMP distillation processR-OUTT1
13、T1-DTANKT1-BT-OUTPUMPC-NMPT2T2-DT2-BT3T3-DT3-B1.T1为常压塔；2.T2为负压脱水塔；3.T3为精馏塔郭晓俊，等：隔壁塔（DWC）在NMP精制过程中的应用37第 2 期性，差异主要在焦油（Coke Tar）的组成。实际情况下，焦油的成分比较复杂，软件模拟计算中采用了替代组分的方法进行处理。总体而言，模拟结果能够很好的验证模型的可靠性。1.1工业 NMP 精制工艺的经济指标本文采用年总成本（Total Annual Cost，TAC）作为评价指标对某企业的NMP精制工艺进行核算。TAC=操作费用（OC）+投资费用(CC)投资回报期。在NMP精制工艺中
14、，操作费用（OC）主要包括水蒸气和循环水的费用。人工费用各个企业之间差异较大，本文暂不予考虑。另外电费、水损等费用相对较小不予考虑。投资费用（CC）包括塔壳、精密规整填料以及换热器的费用。辅助设备如回流罐、泵、阀门管道等投资较低本文暂不考虑。投资回报期设定3年。各塔塔径采用Aspen Plus中RadFrac模块的填料设计功能（Packing Sizing andPacking Rating）确定。塔壳体采用304不锈钢。填料选用Mellapak 250Y。热交换器（包括冷凝器、再沸器）的换热面积通过热负荷（Q）、总传热系数（U）和对数平均温差（T）计算。为方便比较，冷凝器总传热系数为852
15、W/（m2），温差为13.9 K；再沸器为568 W/（m2），温差为34.8 K10。1.2设备规格及投资估算1）冷凝器和再沸器的换热面积A（m2）：A=QUT，Q（kW）为热负荷；U（W/（m2）为总传热系数；T是对数平均温差（）。2）塔高：Lcm=NequilibriumstageHETP(1+0.6)，Nequilibriumstage为塔的平衡级，填料高度约占塔高50%70%，此处取平均值60%11，包括储液、分离、集液器及再分布器等。本工艺HETP为0.4 m。表 1T1、T2 和 T3 操作参数及设备规格Tab.1Operation parameters and equipmen
16、t specifications of T1,T2 and T3塔T1T2T3填料高度/m8108塔径/m0.40.40.5塔顶压力/bar1.300.100.06回流比0.0872.7370.500冷凝器温度/66.7245.80113.88再沸器温度/123.49129.66151.96表 2工业数据与模拟结果的对比Tab.2Comparison of industrial data and simulation results物流R-OUTT1-DT1-BT-OUTC-NMPT2-DT2-BT3-DT3-BSRIDSRIDSRIDSRIDSRIDSRIDSRIDSRIDSRID温度/127.084127.08466.71566.5123.489128.66055605546.03743.7127.407130.5113.925110.2119.717125.2压力/bar1.81.81.01.01.11.11.01.01.51.50.10.10.10.110.060.060.080.08质量流量/（kg/h）2 679.382 679.381 139.921 138.21 539