C5资源如何用?——C5的分离工艺
2020-07-01
行业新闻
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C5组分在现代化工领域用途广泛,但“工(xiang)欲(yao)善(zuo)其(fan)事(ying),必(bi)先(xu)利(yu)其(chu)器(li)”,本回谈谈C5资源如何实现分离。

C5物理性质

C5者,五碳烃是也。碳五资源被称为“冬眠的基础原料”,由20-30种单体烃组成[1],依来源不同成分差异较大,可划分为:“烯派”——裂解装置含量高,主要含双烯烃(异戊二烯、环戊二烯和间戊二烯);“烷派”——主要来自非裂解装置,主要含烷烃(正戊烷、异戊烷).所述分子结构和物理性质分别见表1和图1,由于各组分沸点接近,相对挥发度小,且双烯烃易自聚和共聚,组分间还能形成共沸物[2](Aspen计算结果如图2,WILSON物性方法[3,4]),使得碳五分离工艺集常规精馏、萃取精馏、恒沸精馏和反应精馏于一身。

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图1 分子结构图

表1 碳五中各物质性质一览表[2]

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图2 Aspen计算碳五资源中共沸物数据

“烷派”分离工艺

“烷派”碳五分离工艺设计思路相对简单:将碳五烷烃通过精馏方式生产异戊烷、正戊烷和环戊烷产品,可以根据沸点由低到高顺序切割流程,实际生产可以根据原料组成调节分离顺序。在碳四、异戊烷、正戊烷、环戊烷组成分别为2.37%、35.35%、31.82%和8.89%时,可以依次通过脱碳四塔、异戊烷塔、正戊烷塔和环戊烷塔分离,工艺如图3,塔条件设置如表2.在考虑能量优化的同时,可以借助热偶精馏塔进行进进一步优化。

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图3 “烷派”碳五资源分离工艺[5]

表2 “烷派”分离工艺塔条件设置[5]

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“烯派”分离工艺

鉴于烯烃组分较多,且沸点相差较小,依靠“能量分离”的普通精馏难以完成分离任务,在添加正戊烷后通过大回流比下共沸精馏可以得到聚合级异戊二烯[7],故常引入溶剂后进行“质量分离”的萃取精馏,其核心的萃取与溶剂分离系统如图4所示[8],其萃取剂选取以日本合成橡胶公司的乙腈(ACN)、日本瑞翁公司的二甲基甲酰胺(DMF)和德国BASF公司的N-甲基吡咯烷酮(NMP)为典型,亦有意大利Snam公司的N-甲酰吗啉、法国石油研究院的二甲基亚砜、德国拜耳公司的1-氧代-1-甲基二乙氧膦酰硫胆碱和苯胺等[9]。

图4 萃取系统中溶剂分离提纯与补充置换流程示意

其中DMF法凭借投入少、见效快、流程短等优势,更易于对已有装置进行改造[10],在国内建设众多,其详细流程如图5所示[10],但ACN法和NMP法也存在详细研究[11,12]。不断有学者对DMF工艺提出新的设计理念和方法,其中较为典型的改进有:调整热二聚反应顺序降低异戊二烯分离塔和环戊二烯回收塔设计难度[13],优化碳五循环量改善系统能耗[14],优化工艺参数降低异戊二烯损失率[15]等。此外,也有对抽余碳五通过精密精馏进一步回收1-戊烯的模拟案例[3]。

图5 DMF法生产异戊二烯工艺流程

分离新思路

在成形工艺前面,不乏另辟蹊径者,为新理念的诞生奠定基础:借助气液固三相滴流床反应器实现对裂解碳五烯烃加氢,进一步分离得到优级品的发泡剂,流程如图6所示[16];环戊二烯在精馏塔发生二聚反应同时塔顶蒸出异戊二烯,后续进行进一步分离,如图7所示[17];通过共沸超精馏/萃取精馏耦合工艺同时生产纯的异戊二烯和正戊烷以及浓缩间戊二烯,如图8所示[18]。

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图6 加氢分离工艺流程图

图7 反应精馏工艺流程图

图8 共沸超精馏/萃取精馏耦合工艺

综上所述,碳五分离是一个涉及多种精馏的复杂工程:普通精馏用于原料预处理、粗异戊二烯提纯、烷烃分离等过程;反应精馏用于原料预处理、热二聚反应等过程;萃取精馏用于获得聚合级异戊二烯产品等过程;共沸精馏用于获得异戊二烯/正己烷共沸物、萃取剂提纯等过程[2]。