Aspen plus應(yīng)用于環(huán)己酮裝置烷精餾流程的模擬

胡 玨

(中國石化集團(tuán)資產(chǎn)管理有限公司巴陵石化分公司,湖南岳陽 414014)

Aspen plus應(yīng)用于環(huán)己酮裝置烷精餾流程的模擬

胡 玨

(中國石化集團(tuán)資產(chǎn)管理有限公司巴陵石化分公司,湖南岳陽 414014)

采用Aspen plus數(shù)據(jù)庫軟件對(duì)環(huán)己酮裝置烷精餾部分的工藝流程進(jìn)行模擬,建立了環(huán)己酮裝置的環(huán)己烷三效精餾的穩(wěn)態(tài)模型,對(duì)各烷塔的操作溫度、熱負(fù)荷、回流量、產(chǎn)品質(zhì)量等操作變量進(jìn)行分析,優(yōu)化了環(huán)己酮烷對(duì)塔的操作參數(shù)。結(jié)果表明:模擬確定了烷一、二、三塔的最佳回流量分別為 30.5,45,29 t/h,降低了裝置能耗,節(jié)約蒸汽用量 2 t/h。

環(huán)己酮裝置 環(huán)己烷 精餾 流程模擬 優(yōu)化

Aspen plus是生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬工具,可用于醫(yī)藥、化工等多種工程領(lǐng)域的工藝流程模擬、工廠性能監(jiān)控、優(yōu)化等貫穿于整個(gè)生命周期的過程行為。2000年,中國石化公司引進(jìn) Aspen Tech公司的流程模擬軟件,廣泛應(yīng)用中國石化公司的科研、工程設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)企業(yè)組織流程模擬。中國石化資產(chǎn)管理公司巴陵石化分公司自 2006年開始進(jìn)行流程模擬建設(shè)和應(yīng)用工作,以環(huán)己酮裝置的環(huán)己烷三效精餾部分為例,探討 Aspen plus數(shù)據(jù)庫軟件在該段流程的模擬建模過程,得到了環(huán)己酮裝置的環(huán)己烷三效精餾最佳回流量,降低了裝置能耗。

1 流程簡述

環(huán)己酮裝置的環(huán)己烷三效精餾部分主要由三個(gè)精餾塔組成。其流程簡述如下:由上一工序來的有機(jī)物進(jìn)入烷一塔進(jìn)料閃蒸罐,閃蒸后回收環(huán)己烷、環(huán)己醇和環(huán)己酮,尾氣送入烷三塔,閃蒸罐底液入烷一塔。烷一塔頂蒸汽進(jìn)入烷二塔再沸器,其中的凝結(jié)液流入烷一塔中間罐再至烷一、二塔回流罐,烷一塔釜出料入烷二塔。烷二塔頂出料入烷三塔再沸器換熱后凝結(jié)液流入烷一、二塔回流罐,塔釜出料入烷三塔。烷一、二塔回流罐的冷凝烷部分送至烷一、二塔頂作回流,部分送去進(jìn)行熱交換,過量烷壓入烷三塔冷凝器。烷二塔釜液進(jìn)入烷三塔,大部分在烷三塔再沸器中蒸發(fā),塔頂出料冷凝后流入烷三塔回流罐,不凝氣直接排空。從烷三大塔中含烷 50%的混合物流到烷三小塔中,通過烷三小塔再沸器進(jìn)一步蒸發(fā),使烷三小塔塔釜液中含烷降至 10-20%左右。

2 建立模型

2.1 模擬問題分析

用Aspen plus數(shù)據(jù)庫軟件對(duì)環(huán)己酮裝置的環(huán)己烷三效精餾建立穩(wěn)態(tài)模型,優(yōu)化裝置操作條件,提高裝置負(fù)荷、降低能耗,以及進(jìn)行針對(duì)各種生產(chǎn)負(fù)荷下的工藝參數(shù)的摸索,重點(diǎn)分析在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下,通過減少回流和合理的分配塔頂采出量來綜合降低精餾單元的能量消耗,以降低裝置的綜合物耗。該模型的問題在于:一方面烷三塔由兩個(gè)塔嵌套在一起,在軟件中沒有現(xiàn)成的單元模型,在模型的前期設(shè)計(jì)中將該塔設(shè)計(jì)為兩個(gè)單獨(dú)的塔串聯(lián)來進(jìn)行模擬;另外一方面由于醇酮精餾的最輕組分和最重組分復(fù)雜,在模擬中選擇替代組分進(jìn)行模擬比較困難。在滿足產(chǎn)品分離質(zhì)量指標(biāo)情況下,技術(shù)人員利用模型便于離線尋找最優(yōu)化的操作條件;同時(shí)分析回流量與塔頂氣相出料中主要組分含量的相應(yīng)數(shù)量關(guān)系以及再沸器負(fù)荷對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響,為工藝技術(shù)人員的離線調(diào)優(yōu)提供平臺(tái)。

2.2 模型的設(shè)計(jì)

利用 Aspen plus模塊庫,選擇 RadFrac單元模塊,定義流程涉及組分,選擇熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法,以裝置實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)建立模型,實(shí)際數(shù)據(jù)不足的取標(biāo)定數(shù)據(jù),見表 1。環(huán)己酮裝置產(chǎn)品烷精餾系統(tǒng)各塔選用模塊及塔內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定見表2,其模型見圖 1。

表 1 環(huán)己烷精餾系統(tǒng)數(shù)據(jù)Tab.1 Data for cyclohexane distillation unit

表 2 環(huán)己酮精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of cyclohexanone distillation un it

圖 1 環(huán)己烷三效精餾模型Fig.1 Model of cyclohexane triple-effect distillation unit

3 模型的驗(yàn)證

3.1 環(huán)己烷精餾系統(tǒng)操作參數(shù)。

由表 3,4看出,烷精餾系統(tǒng)模擬結(jié)果中各塔頂、釜操作溫度與實(shí)際基本相符,模型各抽出物質(zhì)量指標(biāo)均符合要求。但塔回流量及頂部出料環(huán)己酮、環(huán)己醇與實(shí)際操作數(shù)據(jù)有一定差異,主要原因?yàn)閷?shí)際操作過程中進(jìn)料組分和總量的波動(dòng),同時(shí)在操作中為保證生產(chǎn)的穩(wěn)定,一般情況下熱負(fù)荷都過大;還有理論的塔板效率高于實(shí)際的板效率、未知組分也會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的偏差。

表 3 各塔頂及塔釜溫度和各塔產(chǎn)量比較Tab.3 Comparison of column top and column reator temperture and output

表 4 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)與模擬值的比較Tab.4 Comparison between actual and s imulated quality index

3.2 烷三效精餾系統(tǒng)操作優(yōu)化

由圖 2可看出,烷一塔出料量越大,說明烷一塔的蒸發(fā)量越小,根據(jù)三效精餾給熱原理,烷一塔間接給烷三塔提供的熱量越小,烷三塔釜溫越低。

圖 2 烷一塔熱負(fù)荷與烷三塔釜溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between heat load of the first alkane column and reactor temperature of the third alkane column

從圖 3可見,烷一塔回流量增加,塔頂出料醇、酮含量下降明顯,但對(duì)環(huán)己醇含量影響較大。在烷一塔加熱負(fù)荷不變情況下,烷一塔回流量達(dá)30.5 t/h時(shí),滿足塔頂出料要求 (醇 +酮小于等于0.15%),回流量再增加對(duì)醇、酮含量影響減少。

圖 3 烷一塔回流與塔頂質(zhì)量的關(guān)系Fig.3 Relationship between reflux of the first alkane column and componentmass fraction at column top 1—醇 +酮;2—醇;3—酮

從圖 4可以看出,烷二塔回流量增加,塔頂出料醇、酮含量下降明顯,回流量的增加對(duì)環(huán)己酮、環(huán)己醇影響程度基本相同。在烷一塔加熱負(fù)荷、回流量不變情況下,烷二塔回流量達(dá) 45 t/h時(shí),滿足塔頂出料要求 (醇 +酮小于等于 0.15%),但回流量再增加時(shí)對(duì)醇、酮含量影響仍然較明顯,在實(shí)際操作時(shí),保證物料平衡的前提下,可增加烷二塔回流量。

圖 4 烷二塔回流量與塔頂質(zhì)量的關(guān)系Fig.4 Relationship between reflux of the second alkane column and componentmass fraction at column top 1—醇 +酮;2—醇;3—酮

從圖 5可以看出,烷三塔回流量增加,塔頂出料醇、酮含量下降明顯,在烷一塔加熱負(fù)荷、烷一、二塔回流量不變情況下,烷三塔回流量達(dá) 29 t/h時(shí),滿足塔頂出料要求。

圖 5 烷三回流量與塔頂質(zhì)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between reflux of the third alkane column and componentmass fraction at column top 1—醇 +酮;2—醇;3—酮

從圖 6可以看出,在烷一塔回流量 35 t/h不變的情況下,加熱蒸汽量低于 16.5t/h時(shí),頂部出料醇、酮含量滿足要求。此分析可以指導(dǎo)實(shí)際操作過程中,在保持物料平衡前提下,盡可能減少烷一塔加熱負(fù)荷。

圖 6 烷一塔蒸汽量與塔頂醇和酮含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between steam quantity of the first alkane column and alcohol and ketone contents at column top

4 效果分析

烷精餾系統(tǒng)中烷三塔的釜溫是裝置重要的工藝判斷點(diǎn),可以直觀地判斷烷三效控制的效率高低,結(jié)合烷一塔和烷二塔的系統(tǒng)壓力閥位值可以對(duì)冷烷量和熱烷量的分配做直接的判斷,對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。烷精餾系統(tǒng)模型建立后運(yùn)用于裝置,效果明顯,尤其在三效精餾系統(tǒng)冷熱負(fù)荷匹配問題上,可以很直觀的用數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來,減輕了人工計(jì)算的工作量,提高了工作效率和計(jì)算的準(zhǔn)確性。模型對(duì)各種生產(chǎn)負(fù)荷情況下的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的擬和程度較高,并且能夠明顯體現(xiàn)裝置優(yōu)化后的直觀控制點(diǎn),并附詳細(xì)的數(shù)據(jù)說明,方便實(shí)用。對(duì)三效精餾進(jìn)行指導(dǎo)調(diào)優(yōu)后,很快找到了裝置的控制最佳點(diǎn) (冷熱負(fù)荷的匹配問題),在烷一塔加熱負(fù)荷不變情況下,烷一塔回流量 30.5 t/h為最優(yōu)。在烷一塔加熱負(fù)荷、回流量不變情況下,烷二塔回流量 45 t/h為最優(yōu)。在烷一塔加熱負(fù)荷、烷一、二塔回流量不變情況下,烷三塔回流量29 t/h為最優(yōu)。裝置的能耗得到明顯的降低,節(jié)約蒸汽用量 2t/h,每年可增加經(jīng)濟(jì)效益 160萬元。

Aspen pluss imulation of alkane distillation process of cyclohexanone plant

Hu Jue
(Baling Petrochem ical Com pany,SINOPEC Assets Management Corporation,Yueyang414014)

Aspen plus databases of tware was used to simulate the alkane distillation process of cyclohexanone plant.Asteadystate model of cyclohexane triple-effect distillation processwas built for the cycloxanone plant.The variables,such as operation temperature,heat load,reflux,product quality,were analyzed for distillation columns.The processparametersof the alkane distillation columnswere opt imized.The results showed that the energy consumptionwas reduced and the steam consumptionwas decreased by 2 t/h when the reflux of the first,second and third columnswere opt imized as 30.5,45.0,29.0 t/h,respectively.

cyclohexanone plant;cyclohexane;distillation;process simulation;optimization

TQ342.2文獻(xiàn)識(shí)別碼:A

1001-0041(2010)04-0059-03

2009-06-20;修改稿收到日期:2010-06-29。

胡玨 (1976—),女,工程師。主要從事科研開發(fā)及科研管理等工作。hujue1222@sina.com

中國石化公司項(xiàng)目(306003)。