基于Aspen Plus對副產(chǎn)氯化氫精餾模擬與分析

董 濤，姜 濤，范正林，任少科，婁玥輝，李 麗，岳文巖

(中昊光明化工研究設計院有限公司，遼寧大連 116031)

氯堿、有機氯以及有機氟化工行業(yè)在生產(chǎn)主導產(chǎn)品時伴隨著產(chǎn)生大量的副產(chǎn)氯化氫。因此對它的綜合利用已成為這些行業(yè)進一步健康發(fā)展必須考慮的重要問題。目前最簡潔、經(jīng)濟又環(huán)保的處理方法為水吸收生產(chǎn)鹽酸，還可以通過氯化氫制氯，實現(xiàn)氯資源循環(huán)利用［1］，另外還可以通過干法得到氯化氫氣體然后合成三氯氫硅、一氯甲烷、聚氯乙烯、氯磺酸等［2］。由于副產(chǎn)的氯化氫氣體含有或多或少的未反應原料、副反應產(chǎn)物或產(chǎn)品等雜質，利用其生產(chǎn)下游產(chǎn)品也就受到了限制。因此，有效的精制和利用這些副產(chǎn)氯化氫氣體不但關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益和氯堿平衡，也關系到環(huán)境保護問題。

Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟評價的大型化工流程模擬軟件，由美國麻省理工學院于20世紀70年代后期研制開發(fā)。這一軟件經(jīng)過歷次的不斷改進、擴充和提高，成為全世界公認的標準型化工流程模擬軟件。軟件為用戶提供了一套完整的單元操作模塊，可用于各種操作過程的模擬及從單個操作單元到整個工藝流程的模擬。軟件具有兩個通用的數(shù)據(jù)庫及多個專用數(shù)據(jù)庫以及最適用且最完備的物性系統(tǒng)。其主要功能有:化工單元操作模擬;物性數(shù)據(jù)模型和參數(shù);物性數(shù)據(jù)估計;實驗數(shù)據(jù)回歸;敏感性分析;系統(tǒng)優(yōu)化等。已廣泛地應用于工廠設計、工藝方案比較、老裝置改造、開車指導、可行性研究、脫瓶頸分析、工程技術人員和操作人員的培訓等領域，協(xié)助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)裝置，降低生產(chǎn)成本和操作費用，以及節(jié)能降耗等［3］。

本文基于Aspen Plus中精餾模塊對某化工廠副產(chǎn)氯化氫進行精餾純化進行模擬計算。通過靈敏度分析工具對精餾塔的塔板數(shù)、進料位置及回流比對產(chǎn)品純度及熱負荷的影響進行了分析和優(yōu)化，最后通過使用設計規(guī)定使優(yōu)化后的精餾塔滿足氯化氫的分離要求。

1 原料組成及產(chǎn)品指標

原料副產(chǎn)氯化氫處理量1.85 kmol/h，原料中HCl含量 98.2%(mol，下同)，Cl2含量 1.785%，H2O含量0.015%。進精餾塔溫度 －6℃，壓力2.3MPa。要求得到塔頂HCl純度為99.9%，塔釜氯純度為95%。

2 物性方法的選擇

物性方法可以通過經(jīng)驗選取，即根據(jù)物系特點和操作溫度、壓力進行選擇。由于介質為極性和非電解質組分，壓力大于1.0 MPa，物性方法選用SRPOLAR［4］。

3 Dstwu模型簡捷設計

Dstwu是多組分精餾的簡捷設計模塊，用Winn-Underwood-Gilliland方法進行精餾塔的簡捷設計計算，通過Winn方程計算最小理論板數(shù)，使用Underwood方程計算最小回流比，根據(jù)Gilliland關聯(lián)圖來確定操作回流比下的理論板數(shù)或一定理論板數(shù)下所需要的回流比。此模型計算精度不高，常用于初步設計，其計算結果可以作為嚴格精餾計算提供合適的初值。

通過設定實際回流比和最小回流比的比值為1.2［5］，以及塔頂輕關鍵組分氯化氫和重關鍵組分氯的回收率，通過Dstwu模型模擬計算結果如下:

表1 Dstwu模擬結果Table 1 The results of simulation using Dstwu

4 RadFrac模型嚴格計算

RadFrac模塊可以對下述過程做嚴格模擬計算:普通精餾、吸收、氣提、萃取精餾、共沸精餾、反應精餾、三相精餾。RadFrac適用于兩相體系、三相體系、窄沸點和寬沸點物系以及液相表現(xiàn)為強非理想性的物系。

把Dstwu模型計算結果作為RadFrac模型的計算初值，對精餾塔的操作條件塔板數(shù)、進料位置、回流比進行靈敏度分析。

4.1 靈敏度分析

4.1.1 塔板數(shù)的影響

從圖1中可以看出隨著塔板數(shù)的增加塔頂采出氯化氫的摩爾分率逐漸增加，當塔板數(shù)15塊后其摩爾分率基本不變，塔底中氯的摩爾分率也逐漸增加，由0.12增加到0.97，也是在第15塊板之后摩爾分率基本不變。

塔頂冷凝器和塔底再沸器的總熱負荷呈下降趨勢，15塊板之后基本保持不變。

因此塔板數(shù)選擇15塊即可，板數(shù)再多對產(chǎn)品的純度影響很小，還會增加設備投資。

圖1 塔板數(shù)對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響Fig.1 Effect of the stage numbers on product purity and heat duty

4.1.2 進料位置的影響

圖2 進料位置對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響Fig.2 Effect of the feeding position on product purity and heat duty

從圖2中可以看出，隨著進料位置的增加塔頂采出氯化氫的摩爾分率逐漸增加，進料位置從第7塊開始摩爾分率增加變的緩慢，當進料位置接近總塔板數(shù)時，氯化氫的摩爾分率開始明顯下降;塔底采出氯的摩爾分率的規(guī)律和塔頂采出氯化氫的類似，也是先增加后趨于平緩，最后明顯開始下降;塔頂冷凝器和塔底再沸器的總熱負荷則呈相反趨勢，先是下降，然后趨于平緩，最后顯著增加。由圖可以看出進料位置在第7塊板較為合適。

4.1.3 回流比的影響

圖3 回流比對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響Fig.3 Effect of the reflux ratio on product purity and heat duty

由圖3中可以看出塔頂采出氯化氫的摩爾分率和塔底采出氯的摩爾分率都隨著回流比的增加逐漸增加，并且趨勢變得緩慢，當回流比在0.25時，可以滿足產(chǎn)品的分離要求;塔頂冷凝器和塔底再沸器的總熱負荷則和回流比呈線性關系，即回流比越大，需要消耗的能量越多，塔頂冷凝器和塔底再沸器的傳熱面積要增加，設備費用也會隨回流比增加而有所上升。

4.2 設計規(guī)定

把靈敏度分析優(yōu)化出的結果作為RadFrac模型的計算初值，做設計規(guī)定使塔頂HCl純度為99.9%，塔釜氯純度為95%，操縱變量為回流比和塔頂采出與進料之比。通過RadFrac模型計算結果見表2。

從表2中可知塔頂氯化氫的純度達到了99.9%，氯的含量為1000×10－6，水含量為微量;塔釜氯的純度為95%，氯化氫為4.2%，水的含量為8450×10－6。滿足了分離要求。操縱變量回流比和塔頂采出與進料之比的計算結果分別為0.25和0.982，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負荷分別為1.56 kW和7.87 kW。

表2 RadFrac模擬結果Table 2 The results of simulation using RadFrac

4.2.1 塔內溫度分布曲線

由圖4可知，塔內溫度隨著塔板數(shù)的增加逐漸增加，由－5.6℃增加到63.9℃。這是由于塔頂主要是氯化氫，也就接近氯化氫在2.2 MPa下的飽和溫度，隨著塔板數(shù)的增加，氯的組成也逐漸增加，在塔底氯的組成達到最大，溫度就靠近氯在2.25 MPa下的飽和溫度。

4.2.2 塔內氣液相摩爾組成分布曲線

由圖5可以看出，液相中氯化氫和氯的變化規(guī)律和氣相中氯化氫和氯的變化規(guī)律相近。氯化氫的摩爾分率都是先緩慢下降，在第10塊板時開始快速下降，在最后一塊板處降至最低;氯的摩爾分率是緩慢增加，在第10塊板時開始明顯增加，在最后一塊板處摩爾分率達到最大。

圖4 塔內溫度分布曲線Fig.4 Temperature profile in column

圖5 塔內氣液相組成曲線Fig.5 Gas and liquid phase composition profiles in column

5 結論

通過選用合適的物性方法，通過簡捷設計模型得到嚴格核算模型的初值，并對嚴格核算模型的操作參數(shù)進行靈敏度分析，得到較為合適的塔板數(shù)為15，進料位置為第7塊板，通過設計規(guī)定得到滿足分離要求的回流比為0.25，塔頂采出與進料之比為0.982，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負荷分別為1.56 kW和7.87 kW，并得到了塔內溫度以及氣液相組成的變化規(guī)律。

［1］劉建路，潘玉強，李強，等.副產(chǎn)氯化氫利用技術新進展［J］.廣州化工，2012(17):34-45.

［2］曹偉，王瑩.有機氟化工中副產(chǎn)氯化氫的綜合利用［J］.有機氟工業(yè)，2012(2):34-35.

［3］孫蘭義.化工流程模擬實訓——Aspen Plus［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2012.

［4］Aspen Plus version 7.2，Help［G］.User Guide，Volume1，Chapter7.

［5］陳敏恒，叢德滋，等.化工原理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1998.