水力學(xué)軟件在吸收塔中的應(yīng)用及分析

朱興松，王余偉，楊如惠

(1.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900;2.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司BDO生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

BDO生產(chǎn)工藝中馬來(lái)酸酐吸收是非常關(guān)鍵的工序。儀征化纖BDO裝置的馬來(lái)酸酐吸收塔內(nèi)共有25塊雙溢流浮閥塔板，1～9塊板為循環(huán)塔板，16～25塊板為吸收塔板，有效吸收發(fā)生在16～25塊塔板處。對(duì)反應(yīng)氣體中的馬來(lái)酸酐組分應(yīng)進(jìn)行最大程度的吸收，以減少進(jìn)余熱鍋爐焚燒的馬來(lái)酸酐量［1］。為提高吸收塔的操作性能，有必要對(duì)該塔進(jìn)行計(jì)算和分析。

精餾塔的計(jì)算通常采用軟件進(jìn)行建模分析計(jì)算。通用流程模擬軟件Aspen Plus含有功能詳細(xì)的精餾塔熱力學(xué)計(jì)算模塊，也能進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。美國(guó)精餾工程研究中心(FRI)是從事精餾技術(shù)研究和應(yīng)用的機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)塔內(nèi)件包括分布器、塔板、填料等進(jìn)行水力學(xué)和分離能力測(cè)試，得出相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，其中以篩板的研究最為充分、完整，計(jì)算模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證比較準(zhǔn)確［2］。KG－Tower是由美國(guó)科氏－格利奇公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的集計(jì)算校核于一體的塔設(shè)計(jì)軟件。筆者以BDO裝置馬來(lái)酸酐吸收塔為模型，采用Aspen Plus進(jìn)行塔內(nèi)熱力學(xué)計(jì)算，對(duì)比分析了Aspen Plus、FRI、KG－Tower 3種軟件的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果。

1 概況

馬來(lái)酸酐吸收塔的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

馬來(lái)酸酐吸收塔主要工藝流程如圖1所示。

圖1 馬來(lái)酸酐吸收塔工藝簡(jiǎn)圖

如圖1所示，由反應(yīng)器產(chǎn)生的高溫氣體在吸收塔塔底第1塊板下方進(jìn)料，經(jīng)過(guò)25塊板后由塔頂去余熱鍋爐。含貧油液體在吸收塔塔頂上方進(jìn)料，主要用于吸收氣相中的馬來(lái)酸酐，塔釜部分液相出料經(jīng)換熱器返回第10塊板形成中段回流，部分液相出料進(jìn)下一道工序。

2 塔內(nèi)熱力學(xué)計(jì)算

利用Aspen Plus分離單元模型［3］對(duì)馬來(lái)酸酐吸收塔進(jìn)行建模分析，得到馬來(lái)酸酐吸收塔的塔板氣液溫度與馬來(lái)酸酐濃度分布，見(jiàn)圖2所示。

由圖2可知，10～18塊塔板上氣液溫度基本相同，氣相中馬來(lái)酸酐濃度迅速下降，吸收主要發(fā)生在這9塊塔板上;19～25塊塔板上方氣相中馬來(lái)酸酐的含量很小，且變化不大。

圖3為Aspen軟件計(jì)算出的馬來(lái)酸酐吸收塔各塔板氣液負(fù)荷分布圖。

圖3 塔板氣液相負(fù)荷

由圖3可知，在第10塊塔板上方進(jìn)行了中段回流，從而導(dǎo)致液相負(fù)荷驟然增大;而氣體作為被吸收相，被吸收的馬來(lái)酸酐只占?xì)怏w負(fù)荷總量的3.2%，因此氣體負(fù)荷基本保持不變。

3 塔內(nèi)水力學(xué)計(jì)算

利用Aspen plus模擬所得的熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行塔板液泛計(jì)算。塔液泛可分為噴射液泛和降液管液泛。利用 Aspen Plus、FRI、KG －Tower軟件對(duì)塔內(nèi)第25塊(塔頂)、第10塊(中段回流板)、第1塊(塔釜)塔板進(jìn)行水力學(xué)分析，并比較不同軟件計(jì)算之間的差別。

3.1 利用Aspen Plus核算

Aspen Plus軟件得到的水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

由表2可知，由Aspen軟件計(jì)算出的第25塊、第10塊、第1塊塔板上的噴射液泛數(shù)據(jù)均小于80%，可初步推斷在這3塊塔板上方?jīng)]有發(fā)生噴射液泛。但Aspen填寫參數(shù)較為簡(jiǎn)單，不需要考慮詳細(xì)的塔板浮閥類型及結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，計(jì)算的水力學(xué)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

表2 塔板Aspen計(jì)算結(jié)果

3.2 利用FRI核算

FRI需要輸入詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及氣液相物理性質(zhì)。將Aspen Plus軟件模擬出的塔的氣液相負(fù)荷、表面張力、氣液相粘度，以及塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入FRI軟件中，液泛計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 塔板FRI計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表3可知，第25塊板由于液相負(fù)荷較小，而氣相負(fù)荷較大，從而導(dǎo)致噴射液泛、降液管液泛、液流強(qiáng)度均較小，同時(shí)由于液相負(fù)荷較小從而導(dǎo)致降液管清液層流速較小;第10塊板由于中段回流的存在，導(dǎo)致液相負(fù)荷驟然增大，氣相負(fù)荷基本不變，使得噴射液泛、降液管液泛、液流強(qiáng)度均大于塔上部的塔板，而液相負(fù)荷的增大導(dǎo)致清液層液體流速加快。根據(jù)FRI核算可確定塔內(nèi)各段不發(fā)生噴射液泛、降液管液泛的概率為99.9%，表明不會(huì)發(fā)生噴射液泛和降液管液泛。

3.3 利用KG－Tower核算

KG－Tower使用比較簡(jiǎn)單，只需塔內(nèi)氣液相負(fù)荷、塔徑、浮閥類型、塔盤結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)即可初步估算塔內(nèi)液泛［4］。將Aspen Plus軟件模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入KG－Tower軟件中，液泛計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，第25塊板降液管液泛、液流強(qiáng)度都比第10塊板低，而降液管流速低則導(dǎo)致第25塊板的降液管停留時(shí)間較長(zhǎng)，與Aspen Plus、FRI模擬結(jié)果基本類似。

3.4 3種軟件核算結(jié)果對(duì)比

由 Aspen Plus、FRI、KG － Tower計(jì)算出來(lái)的噴射液泛、降液管液泛、降液管流速、降液管停留時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表5所示。

表4 塔板KG－Tower計(jì)算結(jié)果

表5 3種軟件部分計(jì)算結(jié)果

從表5可看出，3種水力學(xué)計(jì)算軟件均表明吸收塔運(yùn)行在較好的操作范圍內(nèi)，但Aspen Plus、FRI和KG－Tower在核算吸收塔水力學(xué)方面還是存在差異，這是由各軟件采用不同的計(jì)算模型而導(dǎo)致的。Aspen Plus可進(jìn)行液泛因子、降液管流速、降液管停留時(shí)間等水力學(xué)計(jì)算，其中噴射液泛、降液管液泛、降液管流速與FRI核算結(jié)果類似，但降液管停留時(shí)間相差較大。FRI有美國(guó)精餾研究中心提供數(shù)據(jù)支持，需要填寫詳細(xì)的參數(shù)，且對(duì)浮閥塔有較好的數(shù)據(jù)支撐，可選擇不同類型、不同質(zhì)量的浮閥，所計(jì)算得到的水力學(xué)結(jié)果也較全面，且數(shù)據(jù)輸入輸出界面較為簡(jiǎn)潔，方便軟件使用人員快速查找計(jì)算結(jié)果。KG－Tower作為校核軟件，其操作界面比較簡(jiǎn)單，僅需輸入部分氣液相流速及塔板類型就可得到水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，但塔板類型可選種類少，特定浮閥只能利用V－1浮閥替代，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有偏差。

4 結(jié)論

a)計(jì)算結(jié)果表明，吸收塔運(yùn)行在較好的操作范圍內(nèi);

b)Aspen Plus軟件用途比較廣泛，對(duì)熱力學(xué)計(jì)算比較全面。利用Aspen計(jì)算塔內(nèi)氣液分離、溫度分布、濃度分布等比較準(zhǔn)確，但軟件使用較為復(fù)雜;FRI對(duì)浮閥塔有較好的支持，計(jì)算內(nèi)容較為全面，計(jì)算結(jié)果誤差較小，但對(duì)原始數(shù)據(jù)要求較高，在實(shí)際計(jì)算中要做好數(shù)據(jù)采集工作，適合現(xiàn)場(chǎng)裝置工藝調(diào)優(yōu)時(shí)提前對(duì)塔進(jìn)行校核工作;KG－Tower軟件使用較為簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)缺省也較多，適用于數(shù)據(jù)缺少但對(duì)水力學(xué)數(shù)據(jù)要求不嚴(yán)格的計(jì)算，例如新塔設(shè)計(jì)、塔內(nèi)水力學(xué)規(guī)律研究等場(chǎng)合;

c)對(duì)比 Aspen Plus、KG －Tower、FRI這3款軟件，發(fā)現(xiàn)FRI在界面友好及數(shù)據(jù)完整性方面優(yōu)于其它軟件，建議先利用Aspen進(jìn)行塔內(nèi)熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果再輸入FRI進(jìn)行水力學(xué)校核。

［1］ 杭君強(qiáng).BDO裝置降低貧油消耗的方法［J］.合成技術(shù)與應(yīng)用，2013，28(3):40－43.

［2］ 趙仰華.利用FRI軟件分析醋酸脫水塔運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)［J］.應(yīng)用化工，2007:36(10).

［3］ William L Luyben，Distillation Design and Control Using Aspen Simulation［M］.Canada:JOHN WILEY ＆ SONS，INC.2006:27－85.

［4］ 葛仁祥.KG－TOWER在浮閥塔水力學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2011，32(5).