高 懷 ， 曹志華

(湖南百利工程科技股份有限公司 ， 湖南 岳陽 414007)

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常壓甲醇精餾塔的Aspen Plus模擬

高 懷 ， 曹志華

(湖南百利工程科技股份有限公司 ， 湖南 岳陽 414007)

對甲醇精餾塔進(jìn)行了建模及分析，研究了精餾塔回流比與塔板數(shù)之間的相互變化關(guān)系，精餾塔回流比和塔板數(shù)的變化對塔頂產(chǎn)品純度的影響，以及精餾塔在有無側(cè)線采出時產(chǎn)品純度的變化。表明當(dāng)精餾塔回流比為3，理論板數(shù)為30，側(cè)線采出物料在第23塊塔板時，常壓精餾塔可產(chǎn)出工業(yè)用甲醇一級品標(biāo)準(zhǔn)的精甲醇產(chǎn)品，同時本文也給出了本工況下的最小回流比及最小理論板數(shù)。

精餾塔 ； 甲醇 ； Aspen Plus

0 前言

流程模擬是依據(jù)化工過程中的工藝參數(shù)及流程，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件來模擬實(shí)際的化工生產(chǎn)過程，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。目前過程模擬已經(jīng)成為研發(fā)、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)改造過程中不可缺少的工具，在化工工業(yè)生產(chǎn)中起著越來越重要的作用[1-3]。化工過程模擬軟件中應(yīng)用較廣泛的就是Aspen Plus軟件，Aspen Plus軟件是美國Aspen Tech公司20世紀(jì)80年代推向市場的。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)評價(jià)的化工軟件[4]。

精餾是石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的分離操作之一，是分離液體混合物的一種重要的化工單元操作，石油化工行業(yè)又是整個化工行業(yè)中能耗最大的[5-6]。由于精餾操作過程中能耗較高且熱力學(xué)效率又不高，因此該過程一直被作為重要的課題在研究，也一直是化工設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)[7]。伴隨著各種能源價(jià)格的不斷上漲，精餾操作過程的節(jié)能在化工行業(yè)節(jié)能中占據(jù)越來越重要的地位[8]。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)和校核過程中，研究者們在不斷地尋找精餾塔的合適設(shè)計(jì)條件及操作條件，分析當(dāng)某一操作條件改變時精餾塔的分離效果變化。本文將利用Aspen Plus流程模擬軟件對甲醇常壓精餾塔進(jìn)行模擬與分析。

1 甲醇常壓精餾塔模型的建立

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)都采用三塔精餾工藝流程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙塔工藝流程，即采用預(yù)精餾塔、加壓精餾塔和常壓塔。粗甲醇首先被送入預(yù)精餾塔中部進(jìn)行預(yù)精餾；預(yù)精餾后的粗甲醇由預(yù)塔底出來，再經(jīng)加壓塔進(jìn)料泵加壓后通過加壓塔預(yù)熱器被送至加壓精餾塔中部進(jìn)行精餾，加壓塔塔頂甲醇蒸氣進(jìn)入常壓塔再沸器作為常壓精餾塔的塔底熱源，并產(chǎn)生一部分精甲醇，由加壓塔塔底排出的甲醇溶液經(jīng)過加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器換熱后送往常壓精餾塔；常壓精餾塔塔頂產(chǎn)生的甲醇蒸氣經(jīng)冷凝后成為精甲醇。

甲醇精餾過程中，利用加壓塔塔頂甲醇蒸氣的冷凝熱作為常壓塔塔底再沸器的加熱源，從而使整個甲醇精餾工段的能耗減少。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[9-10]?，F(xiàn)以某企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬t的甲醇三塔精餾裝置中的常壓塔作為研究對象，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus對其進(jìn)行模擬。該項(xiàng)目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)量滿足國標(biāo)GB338-2011《工業(yè)用甲醇》一級品的要求，即甲醇純度達(dá)到99.93% 以上。

表1 常壓精餾塔粗甲醇進(jìn)料組成

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捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU 對甲醇常壓精餾塔進(jìn)行模擬計(jì)算，流程簡圖如圖1所示。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105 kPa。然后再依據(jù)簡捷計(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對常壓塔進(jìn)行了嚴(yán)格模擬計(jì)算。

圖1 簡捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU模擬

2 甲醇常壓精餾塔的模擬分析

2.1 甲醇常壓精餾塔回流比對塔板數(shù)的影響

化工精餾塔的經(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，回流比增加則意味著操作費(fèi)用的增加，精餾塔板數(shù)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)，對精餾塔回流比與塔板數(shù)之間的相互關(guān)系進(jìn)行靈敏度分析，模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2中可見，回流比隨塔板數(shù)的增加而減少，塔板數(shù)較少時變化較大，塔板數(shù)較大時回流比趨于穩(wěn)定。模擬結(jié)果也顯示本工況的最小回流比約為0.6，最小理論塔板數(shù)為20。在實(shí)際工況中要找到合適的回流比對應(yīng)的理論塔板數(shù)，使其相互適應(yīng)才能取得較佳的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 塔板數(shù)隨回流比的變化趨勢

2.2 甲醇精餾塔回流比及塔板數(shù)與甲醇純度的相互影響

在精餾塔的生產(chǎn)操作過程中，回流比是影響精餾操作費(fèi)用的一個重要因素。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其進(jìn)行分析，模擬結(jié)果顯示：隨著回流比的增大，塔頂產(chǎn)品純度在提高，回流比較小時變化較迅速，在回流比為1.5后塔頂餾出甲醇純度變化趨勢開始變緩，特別是回流比增大到一定程度，塔頂產(chǎn)品純度將趨于穩(wěn)定。另外，當(dāng)回流比為3塔頂甲醇質(zhì)量純度為99.930 17%，滿足了工業(yè)用甲醇一級品的要求。回流比的增加，塔頂產(chǎn)品純度可以得到提高，但這也不可避免地增加了精餾塔塔釜的熱負(fù)荷，這也意味著精餾塔能耗的增加，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)。

為了分析精餾塔塔板數(shù)對塔頂餾出物料甲醇產(chǎn)品純度的影響，通過甲醇常壓塔的嚴(yán)格精餾模擬，且利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對其進(jìn)行了分析模擬，分析結(jié)果見圖3。

圖3 理論塔板數(shù)隨甲醇純度的變化趨勢

從圖3可知，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)品的甲醇純度逐漸升高，25塊塔板以后變化開始變緩，65塊塔板以上甲醇純度變化趨勢更加緩慢。這說明隨塔板數(shù)的增加，塔頂、塔底分離得更好，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，塔頂產(chǎn)品甲醇質(zhì)量純度為99.930 2%，已達(dá)到了工業(yè)用甲醇一級品的要求。

2.3 有側(cè)線采出時甲醇精餾塔的模擬分析

為了提高甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量等級要求，除滿足其質(zhì)量純度≥99.93%外，乙醇等輕組分在甲醇中的含量也應(yīng)較低。大部分研究者嘗試采取在常壓塔側(cè)線的適當(dāng)位置對物料進(jìn)行采出，以排除乙醇等雜質(zhì)來減少其在塔頂產(chǎn)品甲醇中的含量。在其他工況不變的情況下，利用模擬軟件在第23塊塔板的位置進(jìn)行側(cè)線采出物料的流程模擬。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)量含量對比見表2。從模擬結(jié)果可知，在其他工況相同的情況下，有側(cè)線采出的精餾塔的塔頂產(chǎn)品中乙醇含量要低一些。

表2 有無側(cè)線采出精餾塔甲醇乙醇含量對比 %

3 結(jié)語

由甲醇常壓精餾塔的模擬分析，針對本工況可得出以下結(jié)論：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，精餾塔頂部可產(chǎn)出滿足工業(yè)用甲醇一級品要求的精甲醇產(chǎn)品；模擬過程中也發(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應(yīng)的理論塔板數(shù)，且使它們之間相互適應(yīng)，這樣才能取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

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2017-03-27

高 懷(1984-)，男，工程師，注冊化工工程師，從事石油化工工程設(shè)計(jì)工作，電話：18573005034。

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1003-3467(2017)06-0054-03