Aspen Plus模擬軟件在HFC-134a產(chǎn)品精餾塔的應(yīng)用

熊顯云 穆潤敏

(浙江衢化氟化學(xué)有限公司，浙江 衢州 324004)

Aspen Plus模擬軟件在HFC-134a產(chǎn)品精餾塔的應(yīng)用

熊顯云 穆潤敏

(浙江衢化氟化學(xué)有限公司，浙江 衢州 324004)

將Aspen Plus工藝流程模擬軟件應(yīng)用在HFC-134a產(chǎn)品精餾塔，通過模擬得出原有精餾塔具備分離純度達(dá)99.99%以上 HFC-134a產(chǎn)品的能力，并且分析精餾塔操作壓力、操作溫度、回流比、進(jìn)料量等參數(shù)變化后對塔其他參數(shù)的變化影響，并在此基礎(chǔ)上，通過分析壓力變化塔熱負(fù)荷改變，提出該精餾塔操作壓力優(yōu)化值，降低裝置運行成本，柔性化生產(chǎn)出滿足市場需要的不同品質(zhì)的產(chǎn)品，增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力，提高裝置運行效率。

Aspen Plus；精餾塔；HFC-134a

0 前言

HFC-134a作為使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，對臭氧層不起破壞作用，具有良好的安全性能，如不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性、無腐蝕性；其制冷量及效率與CFC-12非常接近，所以被視為優(yōu)秀的制冷劑替代品。但由于目前HFC-134a產(chǎn)品市場供大于求，競爭非常激烈，為了滿足用戶的不同需求，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力，原HFC-134a裝置同時還能生產(chǎn)高純度(99.99%以上)藥品級HFC-134a產(chǎn)品，成為搶占市場的契機(jī)之一，HFC-134a成功實現(xiàn)藥品級注冊認(rèn)證，獲得藥品級通行證，開辟了新的市場。

Aspen Plus作為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的化工過程建模平臺，它提供了大量的化工單元操作模型，包括反應(yīng)器、分離操作單元、換熱器等；同時它還提供大量的物性數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)都能從它的物性數(shù)據(jù)庫中查找。Aspen Plus可以對一般的化工過程進(jìn)行模擬分析，還能對操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

運用Aspen Plus軟件在流程模擬上的優(yōu)勢，對衢化氟化學(xué)公司的HFC-134精餾塔進(jìn)行靜態(tài)模擬，確定該塔是否可以達(dá)到99.99%以上HFC-134a產(chǎn)品的分離要求，并且分析該塔在不同操作條件下的分離能力以及塔底供熱量和塔頂冷凝量的變化，為實際操作調(diào)整、優(yōu)化工藝操作、降低裝置運行成本提供依據(jù)。

1 工藝過程簡述

從節(jié)約投資、節(jié)約空間、柔性化生產(chǎn)、提高裝置運行效率等方面考慮，利用原有精餾塔進(jìn)行模擬。原精餾塔參數(shù)為：塔徑Φ 650 mm，塔高16 800 mm，篩板塔28層，設(shè)計壓力1.25 MPa，設(shè)計溫度160 ℃。

模擬工藝流程為：將HFC-134a 粗產(chǎn)品輸送至精餾塔進(jìn)行精餾。塔頂分離出純度為99.99%以上 的HFC-134a產(chǎn)品；塔釜主要為HCFC-133a等高沸物，采出后進(jìn)入下一工序進(jìn)一步處理。在Aspen Plus中簡單工藝模擬流程如圖1所示。

圖1 精餾工藝流程

2 Aspen Plus工藝模擬

Aspen Plus中使用DSTWU、Distl、RadFrac、Batchsep等塔模型來計算和模擬精餾塔，其中RadFrac是一個嚴(yán)格的用于模擬各種類型的分餾操作模型，因此選用RadFrac模塊進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)態(tài)模擬。根據(jù)Aspen Plus常用熱力學(xué)方程，選用PENG-ROB狀態(tài)方程及NRTL活度系數(shù)模型進(jìn)行模擬。

該塔為原有裝置精餾塔，故進(jìn)料位置已經(jīng)固定；進(jìn)料來源為原裝置產(chǎn)出，進(jìn)料組成及溫度基本恒定，進(jìn)料溫度為20 ℃，進(jìn)料組成及其他初始條件見表1和表2。

表1 精餾塔進(jìn)料組成

表2 精餾塔初始條件

在上述條件下，Aspen Plus模擬出來的結(jié)果與實際試運行標(biāo)定結(jié)果對比如表3所示。

表3 模型計算結(jié)果與實際標(biāo)定結(jié)果對比

從模擬計算結(jié)果與實際試運行時標(biāo)定數(shù)據(jù)對比可以看出，Aspen Plus計算結(jié)果與標(biāo)定結(jié)果基本吻合，說明該模型的建立是恰當(dāng)?shù)?，可以利用其對塔進(jìn)一步分析和優(yōu)化。

3 模擬分析

3.1 操作壓力

壓力是影響精餾塔操作的重要因素。該塔設(shè)計壓力為1.25 MPa，塔內(nèi)壓力變動將使每塊塔板上的氣液平衡關(guān)系發(fā)生變化。操作壓力增加，組分間的相對揮發(fā)度降低，分離效果下降。操作壓力降低，則塔頂冷凝器及塔釜再沸器熱負(fù)荷會增加，裝置運行成本較高。

據(jù)此運用Aspen Plus模擬計算在不同操作壓力下能耗的變化。根據(jù)所建立的靜態(tài)模擬，在其他條件一定的情況下，將該塔的操作壓力由0.6 MPa逐步增加到1.0 MPa，得到冷凝器和再沸器負(fù)荷見表4。

表4 精餾塔熱負(fù)荷隨壓力的變化

由Aspen Plus計算數(shù)據(jù)可以看出，隨著塔壓的升高，塔釜再沸器需要的熱量逐漸減少(蒸汽用量減少)，塔頂冷凝器所需要的冷媒同時逐漸減少。所以，在保證塔頂采出質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，升高塔壓有利于降低塔頂冷凝器負(fù)荷，同時塔釜熱媒需求量也會下降。

3.2 回流比

回流比是精餾的核心，在精餾的設(shè)計或操作時，回流比的大小不僅影響所需的理論塔板數(shù)、塔徑、塔板的結(jié)構(gòu)尺寸，還影響熱媒和冷媒的消耗量。這將直接影響設(shè)備投資費用及實際操作成本。因此，無論從經(jīng)濟(jì)上還是操作上考慮，選取適宜的回流比至關(guān)重要。為此，在這個模型的基礎(chǔ)上，通過靈敏度分析來優(yōu)化操作條件。針對回流比進(jìn)行分析計算。

在操作壓力為1.0 MPa的情況下，精餾塔回流比與塔頂產(chǎn)品純度關(guān)系如圖2所示。

圖2 塔頂HFC-134a純度與回流比關(guān)系

由圖2可知，在回流比為14時，該塔塔頂HFC-134a濃度最高，但是回流比越大，能耗越大，運行成本較高，所以還需要綜合考慮確定最佳經(jīng)濟(jì)效益下的回流比大小。

3.3 進(jìn)料量

在壓力為1.0 MPa、回流比為14的條件下，通過改變該塔的進(jìn)料量來調(diào)整塔的負(fù)荷使塔頂采出純度達(dá)到99.99%的產(chǎn)品。但是模擬計算結(jié)果顯示無論怎么改變進(jìn)料量的大小，塔頂HFC-134a的純度都達(dá)不到99.99%。根據(jù)化工原理知識可知，在相同回流比時，塔頂、塔釜產(chǎn)品的純度將隨塔壓的增加而下降。而所選用的操作壓力1.0 MPa幾乎是該塔的極限操作壓力，所以在回流比為14的情況下通過改變精餾塔的負(fù)荷很難實現(xiàn)HFC-134a純度達(dá)99.99%的目的。

3.4 綜合因素

最小能耗操作最優(yōu)化是人們期望的最理想目標(biāo)，以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。對于一個精餾塔系統(tǒng)而言，優(yōu)化操作的目標(biāo)是在滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的情況下，產(chǎn)量最多，能耗低，利潤最大化。

在進(jìn)料量為1.46 m3/h條件下不斷改變塔壓、回流比、塔釜采出量，進(jìn)行多組模擬計算，發(fā)現(xiàn)在塔壓為0.6 MPa、回流比為12時，該塔精餾能力、能耗及產(chǎn)量處于最佳組合狀態(tài)。

在這個操作條件下，最佳組合狀態(tài)下模擬計算結(jié)果如表5所示。

表5 最佳狀態(tài)下計算結(jié)果

在這種狀態(tài)下，該塔的產(chǎn)能為20.717 lbmol/h，即23 t/d。

4 結(jié)論

1)采用Aspen Plus的嚴(yán)格精餾模型RadFrac模塊模擬精餾HFC-134a工藝過程，模擬表明原精餾塔可以達(dá)到純度為99.99%以上的HFC-134a產(chǎn)品的分離要求。運用投產(chǎn)后，實際操作數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合良好。

2)通過參數(shù)優(yōu)化，確定精餾塔的最佳操作條件為：操作壓力為0.6 MPa，回流比為12。

3)根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，若在原有裝置存在冰機(jī)能力不足、冷媒提供冷量不足的前提下盡量采取較高的操作壓力，降低冰機(jī)負(fù)荷，實現(xiàn)降低裝置運行成本。

4)回流比變化，塔相關(guān)操作參數(shù)隨之變化，在滿足產(chǎn)品純度要求的情況下，可以通過調(diào)節(jié)回流比模擬操作工況，以確定更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定的操作條件，對實際生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。

5)通過Aspen Plus工藝流程模擬軟件應(yīng)用在HFC-134a產(chǎn)品精餾塔，實現(xiàn)裝置柔性化生產(chǎn)出滿足市場需要的不同品質(zhì)的產(chǎn)品，增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力，提高裝置運行效率。

[1] 孫蘭義. 化工流程模擬實訓(xùn)-Aspen Plus教程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

[2]鄭丹星. 流體與過程熱力學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

Application of Aspen Plus Simulation Software in HFC-134a ProductRectifying Tower

Xiong Xianyun, Mu Runmin

(Zhejiang Quhua Fluor-Chemistry Co., Ltd., Quzhou 324004, China )

Aspen Plus process simulation software was applied in HFC-134a product rectifying tower. It was found that the original rectifying tower has the ability to get high purity of HFC-134a product of more than 99.99% through the simulation. Then the change of pressure, operating temperature, reflux ratio, feed rate leading to the change of other parameters were analysised. On this basis, through the analysis of pressure change leading to the heat load change, the optimal value of operating pressure was proposed, inorde to reduce the unit cost and produce different quality of products to meet the market, enhance products competitiveness and improve the efficiency of the device.

Aspen Plus; rectifying tower; HFC-134a

熊顯云(1976—)，男，工程師，從事氟化工技術(shù)及項目建設(shè)管理工作。