三組元全熱耦合精餾過(guò)程的模擬計(jì)算

張紅梅，李臻，李金蓮，張永軍

（1.東北石油大學(xué)石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318；2.大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714）

繼續(xù)教育

三組元全熱耦合精餾過(guò)程的模擬計(jì)算

張紅梅1，李臻1，李金蓮1，張永軍2

（1.東北石油大學(xué)石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318；2.大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714）

本文利用Aspen軟件對(duì)三組分進(jìn)料全熱耦合精餾的分離流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬，建立了相應(yīng)的具體計(jì)算步驟。首先利用三塔模型把熱耦合精餾過(guò)程簡(jiǎn)化為3個(gè)單獨(dú)的簡(jiǎn)單清晰分割塔，通過(guò)簡(jiǎn)捷法設(shè)計(jì)和模擬得到塔板數(shù)和回流比等初值后進(jìn)行嚴(yán)格法模擬，得到熱耦合精餾的數(shù)據(jù)和操作條件。然后采用Aspen軟件中的RadFrac模型，將三塔模型的模擬初值代入全熱耦合模塊進(jìn)行嚴(yán)格模擬。結(jié)果表明，采用全熱耦合精餾分離C4三組分比傳統(tǒng)精餾的直接序列和間接序列節(jié)能約為20%。

全熱耦合塔；精餾模擬；Aspen Plus

近些年來(lái)，如何提高精餾過(guò)程的能量利用效率一直是化學(xué)工業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，研究工作主要集中在單塔內(nèi)部的能量集成、精餾換熱網(wǎng)絡(luò)合成以及塔間的能量集成等。其中，塔間能量集成的一種結(jié)構(gòu)在分離三組元進(jìn)料時(shí)節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯，即全熱耦合塔。全熱耦合塔由2個(gè)塔構(gòu)成：預(yù)分餾塔及主分餾塔，稱為Petlyuk塔，預(yù)分餾塔不設(shè)置冷凝器和再沸器而是通過(guò)直接從主分餾塔中引出側(cè)線物流作為預(yù)分餾塔的汽、液相回流，這種結(jié)構(gòu)提高了精餾過(guò)程的可逆程度，可以大幅降低能耗并減小設(shè)備的投資[1，2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱耦合精餾設(shè)計(jì)的相關(guān)報(bào)道雖然很多，但實(shí)現(xiàn)完整的全熱耦合精餾設(shè)計(jì)優(yōu)化，并作相關(guān)嚴(yán)格模擬和驗(yàn)證工作的仍在少數(shù)。本文利用了三塔模型先把熱耦合精餾塔拆分成3個(gè)清晰分割的簡(jiǎn)單塔[3]，這樣就可以先用簡(jiǎn)捷法計(jì)算確定最小回流比和塔板數(shù)等初值，使熱耦合精餾計(jì)算更加簡(jiǎn)化。

1 基于三塔模型的熱耦合精餾簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)

由于熱耦合精餾包含的流股較多，自由變量多，直接進(jìn)行流程模擬計(jì)算很難收斂。因此，一般先借助三塔模型（如圖1所示）[1]，這樣可應(yīng)用簡(jiǎn)單塔的設(shè)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)單元塔的最優(yōu)回流比、理論板數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 熱耦合精餾三塔模型Fig.1 Thermal coupling distillation triple tower model

進(jìn)料為C4三元混合物，包括異丁烷、正丁烯和正丁烷，分別用A、B、C表示。在圖1所示的3塔設(shè)計(jì)流程中，原料先進(jìn)入預(yù)分餾塔，預(yù)分餾塔塔頂不設(shè)冷凝器，塔底無(wú)再沸器，預(yù)分餾塔中的汽液相均由主分餾塔物流分割出來(lái)的。三塔模型中把主分餾塔拆分成上下兩個(gè)清晰分割簡(jiǎn)單塔，在計(jì)算時(shí)上塔為A/B組分清晰分割，下塔為B/C組分清晰分割[2]。

當(dāng)回路的頂部和底部封閉時(shí)，全塔有5個(gè)主要自由度[3]。它們分別是主塔的回流量（LT），塔底蒸出量（VB），側(cè)線采出量（S），此外還有預(yù)分餾塔內(nèi)的汽、液相回流量，這兩個(gè)變量可以用主分餾塔中的氣液相分割比（RL，RV）來(lái)表示。其中。本文采用Carlberg&Westerberg[4]提出的兩個(gè)重要的簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度的方法：（1）將3塔流程中連接兩塔的汽、液熱耦合物流的產(chǎn)品流率假設(shè)為凈產(chǎn)品流率。如塔1的塔頂產(chǎn)品的凈流率可以表示為D1=V1-L1，回流比表示為R1=L1/D1；（2）將熱耦合物流的熱狀態(tài)q（進(jìn)料中液相流率占總進(jìn)料流率的比值）視為該凈產(chǎn)品流股的熱狀態(tài)。如塔1的塔頂產(chǎn)品的凈產(chǎn)品流股熱狀態(tài)為q1=L1/（V1-L1）。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1 The basic data

2 熱耦合精餾模擬步驟

2.1 簡(jiǎn)單塔簡(jiǎn)捷法模擬

首先，用簡(jiǎn)捷法模擬塔1，塔1為A/C清晰分割塔。設(shè)定進(jìn)料狀況，以A、C為輕、重關(guān)鍵組分，設(shè)定塔頂輕關(guān)鍵組分的回收率為99.9%，塔底重關(guān)鍵組分的回收率為99.9%，回流比為最小回流比的1.2倍，以及冷凝器、再沸器的壓力。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了塔頂、塔釜產(chǎn)品量及其組成。塔2的進(jìn)料為塔1塔頂?shù)某隽希?的進(jìn)料為塔1的塔底出料。塔2以A、B為輕、重關(guān)鍵組分，塔3以B、C為輕重關(guān)鍵組分。為了使三塔的物流相互銜接，調(diào)整實(shí)際回流比與最小回流比的比值，使塔2提餾段的塔底汽化量和組成與塔3精餾段的塔頂蒸汽量和組成盡可能一致（誤差范圍在±0.02），塔2提餾段的液相量與塔3精餾段液相量的差值盡可能為進(jìn)料中的中間組分的摩爾流量，即（400±2）kmol·h-1。

圖2 3塔模型分解成3個(gè)獨(dú)立簡(jiǎn)單塔Fig.2 Three independent simple tower

2.2 簡(jiǎn)單塔的嚴(yán)格精餾模擬

對(duì)塔1進(jìn)行嚴(yán)格精餾模擬，發(fā)現(xiàn)此時(shí)塔頂A的回收率達(dá)不到設(shè)定要求。通過(guò)分析后，采用調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)A的純度進(jìn)行限定。塔2和塔3主要通過(guò)調(diào)節(jié)回流比使塔2提餾段的塔底汽化量與塔3精餾段的塔頂蒸汽量流量和組成盡可能一致。

2.3 帶側(cè)線抽出的單塔模擬

為了便于單塔與全熱耦合精餾塔的銜接，需要將冷凝器設(shè)置成虛擬結(jié)構(gòu)，設(shè)置方法如下：在塔1的塔頂給出一個(gè)液相回流，在未經(jīng)冷凝器之前，采出一個(gè)氣相量。同樣，塔底的再沸器也被汽液相物流取代。L1、V2需要假定一下，L1、V2分別為無(wú)側(cè)線抽出時(shí)塔1的塔頂回流量、塔底汽相量。

塔2的進(jìn)料為塔1塔頂出來(lái)的飽和蒸汽V1，進(jìn)料板處抽出為塔1塔頂出來(lái)的飽和液相L1，側(cè)線抽出M，初步設(shè)定在最后倒數(shù)第二塊理論板。塔2的塔底再沸器為虛擬的，需要兩股物流提供汽液相量。塔2的塔底進(jìn)料L3、V3分別為無(wú)側(cè)線抽出時(shí)塔2的塔底液相量、塔底汽相量。塔3的進(jìn)料為塔1塔底出來(lái)的飽和液相L2，進(jìn)料板處抽出為塔1塔頂出來(lái)的飽和蒸汽V2，塔3的塔底再沸器成為虛擬的，需要兩股物流提供汽液相量。塔頂L3、V3分別為無(wú)側(cè)線抽出時(shí)塔3的塔頂液相量、塔頂汽相量。采用逆時(shí)針調(diào)節(jié)連接物流流量與組成使3個(gè)塔連接物流的流量與組成盡可能一致。

2.4 全熱耦合精餾中的主塔的模擬

把塔2、塔3串聯(lián)成主塔進(jìn)行模擬，設(shè)定溫度、壓力，此時(shí)再次調(diào)節(jié)物流與組成使流程收斂。

2.5 全熱耦合精餾模擬

預(yù)分塔的塔板數(shù)為塔1的理論板數(shù)，并在預(yù)分塔某一塊塔板上進(jìn)料，主塔所有設(shè)計(jì)參數(shù)為表2中塔的設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，可以調(diào)節(jié)側(cè)線采出位置，使在中間組分濃度最大的理論塔板上采出。使塔頂輕組分A的純度達(dá)到98%，塔底重組分C純度也達(dá)到98%，側(cè)線抽出中間組分B的純度達(dá)到97%。

3 熱耦合精餾節(jié)能特性研究

按照上述步驟對(duì)C4混合物進(jìn)行全熱耦合精餾計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熱耦合精餾Tab.2 Data of fully thermally coupled distillation columns

在相同進(jìn)料狀態(tài)和設(shè)計(jì)要求下利用Aspen軟件對(duì)常規(guī)精餾的直接和間接順序模擬，得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

將表2與表3中直接精餾和間接精餾計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出：對(duì)于本文的C4三組分進(jìn)料常規(guī)精餾序列的直接順序和間接順序耗能情況相差不大，間接序列略優(yōu)于直接序列，而熱耦合精餾塔相比常規(guī)精餾節(jié)能約為20%。全熱耦合塔比常規(guī)精餾塔節(jié)能的主要原因是：在常規(guī)的精餾序列中，由再沸器引進(jìn)的能量大部分損失在塔壓降和換熱器溫差上，用于產(chǎn)品分離的能量很少；而全熱耦合精餾塔接近于可逆操作，因此，它的熱力學(xué)效率比較高。熱耦合精餾塔與常規(guī)的精餾塔不同，它由一個(gè)預(yù)分餾塔和一個(gè)主塔組成，兩塔用流向互逆的熱耦合汽液流股連接，并有一個(gè)中間產(chǎn)品直接從主塔的某個(gè)塔板采出，這使得系統(tǒng)只用到一個(gè)冷凝器和一個(gè)再沸器。在預(yù)分餾塔中三組分中的最輕組分和最重組分先分離一下，這樣在三組元全熱耦精餾塔的主塔分離過(guò)程中，有效避免了中間返混現(xiàn)象的發(fā)生，減少了能量消耗[5，6]。

表3 常規(guī)精餾的直接和間接順序模擬結(jié)果Tab3 Comparison of the direct distillation sequence and indirect distillation sequence results

4 結(jié)論

（1）用Aspen plus軟件對(duì)含有三組分的C4混合物進(jìn)行了全熱耦合精餾模擬計(jì)算，建立了相應(yīng)的具體計(jì)算步驟，首先用三塔模型的簡(jiǎn)捷法進(jìn)行模擬計(jì)算得到了三塔分開(kāi)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如最小回流比塔板數(shù)等；再連接熱耦合流股，對(duì)熱耦合精餾主塔塔板數(shù)賦予初值，并在此基礎(chǔ)上對(duì)三組分C4混合物的熱耦合精餾進(jìn)行了嚴(yán)格的模擬計(jì)算，最后將三塔完全合并。

（2）在對(duì)熱耦合精餾模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)：如果直接采用熱耦合精餾模塊進(jìn)行模擬則很難確定側(cè)線采出的位置以及采出量，手動(dòng)調(diào)節(jié)采出位置或者加減采出量往往會(huì)改變?nèi)臄?shù)據(jù)造成結(jié)果難于收斂，并且缺乏理論支持。而采用三塔模型可以把復(fù)雜的熱耦合精餾流程簡(jiǎn)化為3個(gè)簡(jiǎn)單清晰分割塔來(lái)確定塔板數(shù)回流比等初值，塔2和塔3塔板數(shù)相加即是全熱耦合的主塔塔板數(shù)而三塔模型中塔2和塔3之間的聯(lián)結(jié)流股即是側(cè)線采出流股，這樣可以方便地確定側(cè)線采出位置和流量，并且結(jié)果也更易收斂。

（3）熱耦合精餾比直接精餾相比可節(jié)能25.5%，與間接精餾相比可節(jié)能23.9%，說(shuō)明對(duì)于相對(duì)揮發(fā)度較小的C4混合物具有較高的節(jié)能效果。節(jié)能的原因是全熱耦合有效地減少了中間組分返混現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］Halvorsen IJ,Skogestad S.Energy efficientdistillation［J］.Journalof Natural Gas Science and Engineering,2011,3（4）:571-580.

［2］龔超.完全能量耦合精餾塔的設(shè)計(jì)、模擬與優(yōu)化［J］.化工學(xué)報(bào), 2012,63:177-184.

［3］Halvorsen IJ,Skogestad S.Controlstructure selection forthree-product Petlyuk（dividing-wall）column［J］.Chemical Engineering and Processing,2013,64:57-67.

［4］Westerberg A W.A retrospective on design and process synthesis［J］.Computers&ChemicalEngineering,2004,28（4）:447-458.

［5］Halvorsen IJ,Skogestad S.Minimum Energy consumption in multicomponent Distillation,a:Vmin Diagram for a two-product column［J］.IInd.Eng.Chem.Res.,2003,42:596-604.

［6］馮霄.化工節(jié)能原理與技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社,2004.99-101.

Simulation and calculation of the fully thermally coupled distillation columns for ternary mixture separation

ZHANG Hong-mei1，LI Zhen1，LI Jin-lian1，ZHANG Yong-jun2
（1.Provincial Key Laboratory of Oil&Gas Chemical Technology,College of Chemistry&Chemical Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China；2.Daqing Petrochemical Research Center,Daqing 163714,China）

With the application of Aspen Plus software,a design and simulation were performed to the fully thermally coupled distillation columns for ternary C4hydrocarbon mixture separation,and established the corresponding calculation steps.The design procedure was given:First fully thermally coupled distillation columns is simplified into three simple clear separation tower by using of three-tower model.In this step,the plate number and reflux ratio were obtained by simple method of design and simulation.After the initial value and operating conditions were obtaind,using RadFrac model of Aspen software to complete a rigorous simulation.As rigorous simulation was employed.The results show that the fully thermally coupled distillation columns can reduce about 20%energy consumption and capital investment comparing to conventional distillation consequences for separation of ternary-components C4hydrocarbon mixture.

fully thermally coupled distillation columns;simulation of distillation;Aspen Plus

TQ028.1

A

1002-1124（2014）03-0018-03

2013-11-27

張紅梅（1961-），女，教授，主要從事化學(xué)工程、油氣加工過(guò)程化學(xué)方面的研究。