流程模擬軟件在甲醇精餾塔中的應(yīng)用

高懷　曹志華

摘 要：通過(guò)對(duì)甲醇常壓常規(guī)精餾塔模擬，分析了塔板數(shù)、回流比對(duì)產(chǎn)品純度的影響，以及塔板數(shù)與回流比之間的相互關(guān)系。當(dāng)理論板數(shù)為30塊、回流比為3、側(cè)線采出在第23塊塔板時(shí)，可產(chǎn)出滿(mǎn)足要求的甲醇產(chǎn)品，同時(shí)也給出了最小回流比及最小理論板數(shù)；利用隔壁塔對(duì)甲醇常壓塔進(jìn)行模擬，同工況下可得到更高純度的精甲醇，且甲醇中乙醇的含量降低約1倍左右。

關(guān) 鍵 詞：精餾塔；分隔壁塔；流程模擬；甲醇

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1426-04

Application of Process Simulation Software in Methanol Distillation

GAO Huai， CAO Zhi-hua

（Baili Engineering Science & Technology Co.，Ltd.， Hunan Yueyang 414007，China）

Abstract： Based on the simulation of methanol atmospheric distillation column， the effect of the number of trays and the ratio of reflux on the purity of the product was analyzed. The results showed that， when the theoretical plate number was 30， the reflux ratio was 3， side streams in twenty-third plate met the requirements of the methanol product， while the minimum reflux ratio and the minimum number of theoretical plates were also determined； The methanol atmospheric tower was simulated by means of DWC. Under the same operating conditions， the high purity methanol was obtained， and the content of ethanol in methanol was decreased about one times.

Key words： Distillation column； Divided wall column； Flow simulation； Methanol

流程模擬是依據(jù)化工過(guò)程中的工藝流程及工藝參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件來(lái)模擬實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，這種模擬再現(xiàn)不涉及實(shí)際中的任何物料和設(shè)備管道，因此這給技術(shù)人員帶來(lái)很大的自由度，可以某種程度上不受制于現(xiàn)實(shí)中的人力、財(cái)力和物力等資源的配置。目前過(guò)程模擬已經(jīng)成為研發(fā)、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)改造過(guò)程中不可缺少的工具，在化工工業(yè)生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用[1]?；み^(guò)程模擬軟件中應(yīng)用較廣泛的就是Aspen Plus軟件[2]，它是一款功能強(qiáng)大的世界上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化大型化工流程模擬軟件，是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的化工軟件。

精餾塔是石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的分離操作設(shè)備之一，是分離液體混合物的一種重要的化工單元操作[3]。由于精餾操作過(guò)程中能耗較高且熱力學(xué)效率又不高，因此該過(guò)程一直被作為重要的課題在研究[4]。伴隨著各種能源價(jià)格的不斷上漲，精餾操作過(guò)程的節(jié)能在化工行業(yè)節(jié)能中占有越來(lái)越重要的地位[5]。為了達(dá)到產(chǎn)品純度及經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)期目的，在精餾塔的設(shè)計(jì)和校核過(guò)程中，研究者們不但在尋找常規(guī)精餾塔的合適設(shè)計(jì)條件及操作條件，同時(shí)也有人把目光放在了更節(jié)省投資的分隔壁精餾塔（DWC）的研究上[6]。

隔壁塔就是在精餾塔中間垂直加入一塊分隔板，使化工原料在精餾塔中分開(kāi)精餾，即等同于將預(yù)分離塔與主精餾塔在同一個(gè)塔內(nèi)完成，相當(dāng)于兩個(gè)塔的完全熱耦合精餾[7]。Halvorsen 等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)精餾塔相比，分隔壁塔在能耗和投資方面均能降低30%左右。但是隔壁塔比普通精餾塔額外的多出了幾個(gè)自由變量，這就增加了隔壁塔的實(shí)際操作難度，操控條件的復(fù)雜化也成為該技術(shù)在化工生產(chǎn)應(yīng)用中的瓶頸。近幾年國(guó)內(nèi)在分壁塔方面的研究也漸漸多起來(lái)，但實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用案例還較少。汪丹峰等[9]設(shè)計(jì)了分壁塔的小試實(shí)驗(yàn)裝置，并且對(duì)乙醇-正丙醇-正丁醇三元物系的精餾操作條件進(jìn)行了研究，分析了分壁式精餾塔的分離特性。本文將利用Aspen Plus軟件對(duì)甲醇常壓精餾塔進(jìn)行模擬與分析。

1 甲醇常壓常規(guī)精餾塔模型的建立及其模擬

1.1 甲醇精餾塔模型的建立

甲醇是C1化工的母體，其下游產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工石化醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前大部分甲醇生產(chǎn)企業(yè)都采用三塔精餾加回收塔的四塔工藝流程來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙塔工藝流程，利用加壓塔塔頂甲醇蒸汽的冷凝熱作為常壓塔塔底再沸器的加熱源，從而使整個(gè)甲醇精餾工段的能耗減少的。甲醇精餾工段中，大約有60%的成品精甲醇是由常壓精餾塔制得的，因此常壓精餾塔裝置是保證甲醇產(chǎn)品純度、提高原料利用率、節(jié)能減排的關(guān)鍵設(shè)備[10]。現(xiàn)以某企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬(wàn)t的甲醇三塔精餾裝置中的常壓塔為研究對(duì)象，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus對(duì)其進(jìn)行模擬分析。常壓精餾塔粗甲醇進(jìn)料的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示，進(jìn)料流量為32 200 kg/h，進(jìn)口物料溫度為110 ℃，塔頂精餾出甲醇成品22 485 kg/h，產(chǎn)品中精甲醇質(zhì)量滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB338-

2011《工業(yè)用甲醇》一級(jí)品的要求，即甲醇純度達(dá)到99.93% 以上。

根據(jù)粗甲醇進(jìn)料條件及產(chǎn)品要求等設(shè)計(jì)條件，首先利用Aspen Plus模擬軟件中精餾塔的簡(jiǎn)捷簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU 對(duì)甲醇常壓精餾塔進(jìn)行模擬計(jì)算。其中以甲醇為輕關(guān)鍵組分、水為重關(guān)鍵組分，選用的物性方法為UNIFAC方法，經(jīng)簡(jiǎn)捷計(jì)算可得甲醇常壓塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為： 總塔板數(shù)為30塊，塔頂冷凝器為第1塊塔板，粗甲醇進(jìn)料位置在精餾塔的第21塊塔板上，塔頂質(zhì)量回流比為3，塔頂壓力為105KPa。然后再依據(jù)簡(jiǎn)捷計(jì)算結(jié)果，利用 Aspen Plus軟件中的精餾塔嚴(yán)格計(jì)算模塊RadFrac對(duì)常壓塔進(jìn)行了嚴(yán)格模擬計(jì)算。

1.2 精餾塔塔板數(shù)對(duì)塔頂產(chǎn)品純度的影響

為了分析精餾塔塔板數(shù)對(duì)塔頂餾出物料甲醇產(chǎn)品純度的影響，通過(guò)甲醇常壓塔的嚴(yán)格精餾模擬，且利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對(duì)其進(jìn)行了分析模擬，分析結(jié)果見(jiàn)圖1所示。從圖中可見(jiàn)，在保持其他工況條件不變的情況下（粗甲醇進(jìn)口板位置和精餾塔總理論板數(shù)的比值保持恒定），隨著精餾塔理論板數(shù)的增加，塔頂產(chǎn)品的甲醇純度是逐漸升高的，25塊塔板以后變化開(kāi)始變緩，65塊塔板以上甲醇純度變化趨勢(shì)更加緩慢。這說(shuō)明隨塔板數(shù)的增加塔頂塔底分離的更好，塔頂采出組分變得更輕，塔釜采出變重，即采出純度更高。由模擬數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)甲醇常壓精餾塔理論板數(shù)為30時(shí)，塔頂產(chǎn)品甲醇質(zhì)量純度為0.999 302，已達(dá)到了工業(yè)用甲醇一級(jí)品的要求。

1.3 精餾塔回流比對(duì)塔頂產(chǎn)品純度的影響

精餾塔回流比是影響精餾操作費(fèi)用的一個(gè)重要因素。在保持其他工況條件不變的情況下，利用模擬軟件對(duì)甲醇常壓塔進(jìn)行嚴(yán)格精餾模擬，并用靈敏度分析模塊對(duì)其進(jìn)行分析，精餾塔回流比對(duì)塔頂產(chǎn)品純度的影響模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖中可見(jiàn)隨著回流比的增大，塔頂產(chǎn)品純度在提高，回流比較小時(shí)變化比較迅速，在1.5后塔頂餾出甲醇純度的變化趨勢(shì)開(kāi)始變緩，特別是回流比增大到一定程度時(shí)，塔頂產(chǎn)品純度將趨于穩(wěn)定。模擬數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，當(dāng)回流比為3時(shí)塔頂甲醇質(zhì)量純度為0.999 301 7，滿(mǎn)足了工業(yè)用甲醇一級(jí)品的要求?；亓鞅鹊脑黾?，塔頂產(chǎn)品純度可以得到提高，但這也不可避免的增加了精餾塔塔釜的熱負(fù)荷，這也意味著精餾塔的能耗在增加，甚至需要犧牲塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)量，因此回流比應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況控制在一定范圍內(nèi)。

1.4 精餾塔回流比對(duì)塔板數(shù)的影響

在化工項(xiàng)目中，為了取得較好的效益，必須要考慮項(xiàng)目成本。在對(duì)精餾塔的經(jīng)濟(jì)研究分析中，一般總費(fèi)用包括操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用兩部分，精餾塔回流比增加則意味著操作費(fèi)用的增加，精餾塔理論板數(shù)則決定著設(shè)備投資部分的費(fèi)用。為了找到合適的回流比對(duì)應(yīng)的理論塔板數(shù)，在保持其他工況條件不變（粗甲醇進(jìn)口板位置和精餾塔總理論板數(shù)的比值保持恒定），對(duì)精餾塔回流比與理論塔板數(shù)之間的相互關(guān)系進(jìn)行靈敏度模擬分析，把分析模擬結(jié)果繪制成圖，如圖3所示。

從圖中可見(jiàn)回流比隨塔板數(shù)的增加而減少，塔板數(shù)較少時(shí)變化較大，塔板數(shù)較大時(shí)回流比趨于穩(wěn)定。從圖中也可很容易看出本工況的最小回流比約為0.6，最小理論塔板數(shù)為20?？紤]到精甲醇產(chǎn)品純度等綜合因素，本文總理論塔板數(shù)取30，塔頂回流比取3。在實(shí)際工況中要找到合適的回流比對(duì)應(yīng)的理論塔板數(shù)，且使其相互適應(yīng)才能取得較佳的經(jīng)濟(jì)效益。

2 甲醇分隔壁精餾塔模型的建立及其模擬

2.1 甲醇隔壁精餾塔模型的建立

為了提高甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)要求，除滿(mǎn)足其質(zhì)量純度不低于0.999 3外，乙醇在甲醇中的含量也應(yīng)很低。為了使產(chǎn)品中乙醇含量更低，大部分研究者采取了在甲醇常壓塔側(cè)線的適當(dāng)位置對(duì)物料進(jìn)行采出，以排除乙醇等雜質(zhì)，達(dá)到減少乙醇在塔頂甲醇中的含量的目的。在其他工況不變的情況下，本文利用模擬軟件在第23塊塔板的位置進(jìn)行側(cè)線采出物料的模擬。另外由于DWC塔具有一般側(cè)線精餾塔所不具備的優(yōu)勢(shì)，本文也嘗試?yán)酶舯谒s模型對(duì)甲醇常壓精餾塔進(jìn)行模擬。

本文采用分隔壁在中間的隔壁塔（DWCM）的等效形式進(jìn)行模擬，即利用兩個(gè)嚴(yán)格精餾塔RadFrac模塊相互耦合的方式來(lái)模擬隔壁塔，具體如圖4所示。其中預(yù)分餾塔的塔板數(shù)為15塊塔板，塔頂和塔釜不設(shè)冷凝器和再沸器，塔頂?shù)某隹跉庀辔锪虾椭魉牡?0塊塔板相連，塔頂?shù)倪M(jìn)口液相物料和主塔的第9塊塔板相連；塔釜的出口液相物料和主塔的第24塊塔板連接，進(jìn)口氣相物料和主塔的第25塊塔板相連。側(cè)線采出物料設(shè)在主塔的第23塊塔板上。其他工況條件和常壓常規(guī)精餾塔條件一致。

2.2 甲醇隔壁塔模擬結(jié)果

利用隔壁塔的等效形式，根據(jù)以上工況條件對(duì)甲醇常壓精餾塔進(jìn)行了模擬。把分隔壁塔的模擬結(jié)果和側(cè)線采出精餾塔及未設(shè)側(cè)線采出精餾塔的塔頂產(chǎn)品甲醇及乙醇質(zhì)量含量對(duì)比見(jiàn)表2。從模擬結(jié)果可知，在其他工況相同的情況下，用分隔壁塔獲得的塔頂甲醇純度最高，乙醇含量最低，且乙醇含量降低約一倍左右，其次是有側(cè)線采出的精餾塔?？梢?jiàn)，由于分壁塔具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，與常規(guī)精餾塔相比，在降低能耗方面具有較大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)塔底負(fù)荷相同時(shí)，可得到更高純度的產(chǎn)品。但是分壁塔增加了精餾塔的自由變量，較難找到分隔壁處合適的氣液分量，這給操作上帶來(lái)了較大困難，也成為制約其發(fā)展的主要原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)甲醇常壓常規(guī)精餾塔的模擬分析，針對(duì)本工況當(dāng)精餾塔理論板數(shù)設(shè)為30塊，回流比為3，粗甲醇進(jìn)料位置為第21塊塔板，側(cè)線采出物料在第23塊塔板時(shí)，精餾塔頂部可產(chǎn)出滿(mǎn)足工業(yè)用甲醇一級(jí)品要求的精甲醇產(chǎn)品。

模擬過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)本工況最小回流比約為0.6，最小理論塔板數(shù)為20。在實(shí)際具體的工況中要找到合適的回流比對(duì)應(yīng)的理論塔板數(shù)，且使它們之間相會(huì)適應(yīng)，這樣才能取得較佳的經(jīng)濟(jì)效益。

隔壁塔在模擬有側(cè)線采出物料的精餾塔時(shí)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，只要設(shè)置好合適的操作參數(shù)，就能取得較高純度的產(chǎn)品。在同樣工況下對(duì)甲醇常壓塔進(jìn)行模擬，可取得更高純度的精甲醇，且甲醇中乙醇的含量降低約1倍左右。分壁塔增加了精餾塔的自由變量，這給操作上帶來(lái)了困難，但這不影響學(xué)者們對(duì)隔壁塔的探索研究。

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