中國報告大廳網(wǎng)訊，在全球化工業(yè)快速發(fā)展的當下，能源消耗與環(huán)境保護成為行業(yè)發(fā)展的重要考量，而丁二烯作為石油化工領域的關鍵原料，其高效生產(chǎn)與提純技術備受關注。丁二烯廣泛應用于合成橡膠、ABS 樹脂和苯乙烯 - 丁二烯乳膠等高附加值產(chǎn)品，僅輪胎制造領域的需求量就占據(jù)全球丁二烯需求量的 50% 以上，目前全球丁二烯需求量已達數(shù)百萬噸級，且隨著全球工業(yè)化和城市化進程推進仍將持續(xù)增長。在此背景下，萃取精餾技術在丁烯制丁烷和丁二烯過程中的應用與優(yōu)化，成為推動丁二烯行業(yè)綠色化、高效化生產(chǎn)的關鍵方向，對提升石油化工企業(yè)經(jīng)濟效益和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以下是2025年丁二烯行業(yè)技術分析。
《2025-2030年中國丁二烯行業(yè)市場深度研究及發(fā)展前景投資可行性分析報告》指出，丁二烯的生產(chǎn)原料主要來源于石油裂解的 C?餾分，該餾分是蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯過程中的重要副產(chǎn)物，其中包含丁烷、丁烯(1 - 丁烯、順 - 2 - 丁烯、反 - 2 - 丁烯和異丁烯)以及少量丁二烯等組分。各組分具體參數(shù)如下：丁烷(C?H??)、丁烯(C?H?)和丁二烯(C?H?)等沸點范圍為 250-270K;1 - 丁烯(n-C?H?)沸點 266.65K，在混合物中占比 20-40%，是主要組分之一;順 - 2 - 丁烯(cis-2-C?H?)沸點 268.05K，占比 5-15%;反 - 2 - 丁烯(trans-2-C?H?)沸點 269.65K，占比 5-15%;異丁烯(iso-C?H?)沸點 265.00K，占比 10-30%;目標產(chǎn)物 1,3 - 丁二烯(1,3-C?H?)沸點 268.75K，占比 10-30%。由于這些組分沸點相近、物理性質(zhì)相似，如 1,3 - 丁二烯與 1 - 丁烯沸點僅相差約 2K，傳統(tǒng)精餾方法難以實現(xiàn)有效分離，而萃取精餾技術憑借其獨特優(yōu)勢，成為高效分離丁烯混合物以制備丁二烯的核心技術。
萃取精餾技術的核心原理是利用萃取劑對混合物中各組分溶解度的差異，改變組分的相對揮發(fā)度，從而實現(xiàn)丁烷、丁烯與丁二烯的分離。在丁二烯生產(chǎn)過程中，萃取劑的選擇至關重要，需遵循三大原則：一是具備對丁二烯的高選擇性，能有效區(qū)分丁二烯與丁烯、丁烷，且對丁二烯溶解度大，保障高效傳質(zhì)分離;二是擁有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，在高溫及可能的化學反應環(huán)境下，不分解、不與其他組分反應，避免影響產(chǎn)品質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性;三是揮發(fā)性適中，既能在精餾過程中有效蒸發(fā)，又能降低揮發(fā)損失，提高回收率與再利用效率。
丁二烯的萃取精餾流程通常包含多個步驟，粗丁二烯可通過返回裂解爐(加氫或不加氫)生產(chǎn)富含異丁烯 / 1 - 丁烯的物流，或進一步提純?yōu)楦呒兌榷《?，在加工過程中還會產(chǎn)出異丁烯、甲基叔丁基醚(MTBE)、1 - 丁烯、甲基乙基酮(MEK)、仲丁醇、丙烯和烷基化物等產(chǎn)物。典型的丁二烯提純工藝包含一個或兩個萃取蒸餾步驟及后續(xù)的一個或兩個常規(guī)蒸餾步驟，主要有三種工藝類型：一是乙炔加氫和采用水性甲氧基丙腈 / 糠醛的萃取蒸餾;二是采用水性 N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮的萃取 / 常規(guī)蒸餾;三是二甲基甲酰胺溶劑萃取工藝(非水性)以及水性分離和乙腈萃取。在具體萃取蒸餾操作中，粗丁二烯被送入塔內(nèi)用萃取溶劑 “洗滌”，較輕、溶解度較低的丁烷 / 丁烯從塔頂排出成為 C?萃余液，塔底產(chǎn)品包含萃取溶劑、丁二烯及其他高溶解度組分，該富含丁二烯的塔底物流隨后被送入另一塔中回收溶劑并循環(huán)回萃取塔，富含丁二烯的塔頂物流則進入蒸餾工序進一步提純。
在丁二烯萃取精餾過程中，多個關鍵操作參數(shù)直接影響分離效率、能耗及生產(chǎn)成本，各參數(shù)具體描述如下：
溶劑選擇：離子液體是重要的候選溶劑，可通過 COSMO-RS 理論模型預測其熱力學性質(zhì)，篩選出高效分離溶劑。離子液體具有優(yōu)異的溶解性、低蒸汽壓和靈活的分子設計性，能有效改變丁烯混合物中各組分的相對揮發(fā)度，提升丁二烯分離效果。
萃取精餾塔操作壓力：控制在 0.3-0.8MPa 范圍內(nèi)，該壓力區(qū)間能確保塔內(nèi)氣液平衡狀態(tài)良好，為組分充分傳質(zhì)創(chuàng)造適宜條件，保障丁二烯分離效率。
萃取精餾塔操作溫度：需低于丁二烯沸點，同時不得超過溶劑分解溫度。這一溫度控制要求既能避免丁二烯因溫度過高而發(fā)生性質(zhì)變化，又能防止溶劑分解影響分離效果和增加雜質(zhì)。
回流比：需在分離效率與能耗之間找到平衡，選擇合適的回流比優(yōu)化分離過程。過高的回流比雖能提高丁二烯分離純度，但會顯著增加能耗;過低則難以達到理想的分離效果，因此需根據(jù)實際生產(chǎn)需求精準調(diào)整。
溶劑回收塔操作條件：操作壓力低于萃取精餾塔，塔板數(shù)根據(jù)分離難度選擇，操作溫度則依據(jù)溶劑沸點設定。合理的溶劑回收塔操作條件能確保溶劑高效回收，降低溶劑損耗，同時保障回收溶劑的質(zhì)量，為后續(xù)萃取精餾過程提供穩(wěn)定支持，間接提升丁二烯生產(chǎn)效率。
此外，塔內(nèi)填料的選擇與布置也會直接影響傳質(zhì)效率，合理的填料設計可增大氣液接觸面積，提高傳質(zhì)速率，進一步優(yōu)化丁二烯分離過程。同時，溶劑的循環(huán)利用需關注質(zhì)量穩(wěn)定性，定期檢測溶劑純度，必要時進行再生處理，以確保其持續(xù)高效地用于丁二烯分離。
針對傳統(tǒng)萃取精餾過程中分離效率低、能耗高的問題，行業(yè)提出了一系列技術改進方案，有效提升了丁二烯生產(chǎn)的經(jīng)濟性與高效性。
萃取精餾段中間加熱改進：在傳統(tǒng)工藝中，因丁二烯與丁烯等組分沸點相近，分離難度大且能耗高。通過在萃取精餾段引入中間加熱系統(tǒng)，在精餾塔中部設置加熱裝置，有效提高了塔內(nèi)溫度分布的均勻性，促進了組分的汽液傳質(zhì)效率。這一改進不僅顯著降低能耗，減少了熱力學上不利的重混效應，還提高了丁二烯純度。數(shù)據(jù)顯示，中間加熱系統(tǒng)使萃取精餾段的能量密度降低了 8.3%，進而降低了整個系統(tǒng)的初始投資成本，較小的循環(huán)壓縮機即可滿足生產(chǎn)需求，同時提升了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，使丁二烯生產(chǎn)過程更可控。
分隔壁塔(DWC)應用與優(yōu)勢：傳統(tǒng)萃取精餾工藝通常采用兩個獨立精餾塔分離丁烯混合物以制備丁二烯，不僅設備投資高，且能耗較大。分隔壁塔(DWC)技術通過將兩個傳統(tǒng)精餾塔合并為一個具有分隔壁的單一塔結構，實現(xiàn)了顯著優(yōu)化。一方面，DWC 減少了熱力學上不利的重混效應，大幅降低能量消耗，模擬結果顯示，相比傳統(tǒng) BASF 工藝中的經(jīng)典蒸餾段，DWC 的能量強度降低了 54.8%，這對降低丁二烯生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率意義重大;另一方面，DWC 減少了設備需求，降低了系統(tǒng)初始投資成本;此外，其結構設計使操作更靈活，能更好地適應不同進料組成和操作條件變化，提高了系統(tǒng)對丁二烯生產(chǎn)工況的適應性和穩(wěn)定性。
熱泵技術集成應用：熱泵技術作為高效的熱能回收與再利用技術，通過消耗少量高品位能源，將低溫熱源中的熱量提升至高溫熱源，顯著提高了丁二烯萃取精餾系統(tǒng)的能源利用效率。在萃取精餾工藝中，熱泵主要用于對精餾塔頂蒸汽的壓縮與冷凝再利用，將塔頂?shù)蜏卣羝麎嚎s升溫后，作為再沸器的熱源，替代或部分替代傳統(tǒng)直接蒸汽加熱方式。這一改進減少了外部蒸汽消耗，降低了能源成本，同時緩解了傳統(tǒng)工藝中熱量散失嚴重的問題。對于丁烯、丁烷和丁二烯等沸點相近、分離難度大的組分處理，熱泵技術能提供更穩(wěn)定的熱源供應，優(yōu)化精餾塔內(nèi)溫度分布和汽液平衡，進一步提高丁二烯分離效率和純度。此外，熱泵技術的集成還減少了工藝過程中的熱污染，符合丁二烯綠色化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。
Aspen Plus 模擬軟件作為功能強大的化工流程模擬工具，基于嚴格的熱力學和動力學模型，能準確模擬化工過程中的物料平衡、能量平衡以及相平衡，為丁二烯萃取精餾工藝改進提供可靠數(shù)據(jù)支持。在丁二烯生產(chǎn)相關研究中，該軟件被用于對不同配置的精餾過程進行詳細模擬與優(yōu)化，包括傳統(tǒng)蒸餾塔與分隔壁塔(DWC)等，通過模擬可精確計算各操作條件下的能耗、物耗以及丁二烯產(chǎn)品純度等關鍵指標，尤其在 DWC 設計優(yōu)化中發(fā)揮重要作用，通過調(diào)整塔板數(shù)、汽液分離比和進料位置等參數(shù)，成功實現(xiàn)了 DWC 設計的優(yōu)化。
在具體模擬流程與模型建立方面，以 NMP(N - 甲基吡咯烷酮)工藝中的蒸餾部分改進為例，通過將兩個經(jīng)典蒸餾塔合并為分隔壁塔(DWC)單一單元，利用 DWC 最小化傳統(tǒng)序列中熱力學上不利的重混效應以降低能耗，并減少設備數(shù)量降低投資成本。模擬 DWC 時，采用雙塔序列模型，從初始模擬開始，以總年度成本的間接度量(結合塔尺寸和能耗)為目標函數(shù)，通過最小化目標函數(shù)對 DWC 設計進行優(yōu)化。對于特定塔板數(shù)，依次調(diào)整汽液分離比、進料塔板位置、預分餾塔板數(shù)以及預分餾器位置，僅在分離效果改善時進行下一次調(diào)整，若無改善則不修正并設置下一個變量。每次調(diào)整后，降低回流比直至達到傳統(tǒng)序列相同的分離程度，同時系統(tǒng)地減少步驟數(shù)，直至目標函數(shù)最小化，最終實現(xiàn)丁二烯萃取精餾工藝的優(yōu)化設計。
本次關于丁二烯生產(chǎn)技術的研究，聚焦萃取精餾技術在丁烯制丁烷和丁二烯過程中的應用與優(yōu)化，提出了多項創(chuàng)新性技術改進方案，為丁二烯綠色化、高效化生產(chǎn)提供了有力支持。通過在萃取精餾段引入中間加熱系統(tǒng)，有效提升了塔內(nèi)溫度均勻性和汽液傳質(zhì)效率，使能量密度降低 8.3%，同時提高丁二烯純度并降低系統(tǒng)初始投資;分隔壁塔(DWC)技術的應用，將傳統(tǒng)雙精餾塔合并為單一塔結構，相比傳統(tǒng)工藝能量強度降低 54.8%，大幅減少能耗與設備投資，且增強了操作靈活性;熱泵技術的集成則顯著提高能源利用效率，減少外部蒸汽消耗與熱污染，進一步提升丁二烯分離效率和純度。
Aspen Plus 模擬軟件的應用為工藝優(yōu)化提供了可靠數(shù)據(jù)支撐，通過對不同精餾配置的模擬的優(yōu)化，成功實現(xiàn)了 DWC 設計的優(yōu)化，確保了各項技術改進方案的科學性與可行性。整體而言，這些技術改進不僅有效解決了傳統(tǒng)萃取精餾工藝分離效率低、能耗高的問題，顯著降低了丁二烯生產(chǎn)過程中的能耗與生產(chǎn)成本，還提升了系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性，對推動石油化工行業(yè)丁二烯行業(yè)生產(chǎn)技術進步、實現(xiàn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的工業(yè)應用價值。
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