甲醇常壓精餾塔的模擬與分析

黃建平，趙　凌

(安陽工學(xué)院，河南　安陽　455000)

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甲醇常壓精餾塔的模擬與分析

黃建平，趙凌

(安陽工學(xué)院，河南安陽455000)

應(yīng)用化工流程模擬軟件Aspen Plus對甲醇精餾流程中的常壓塔進(jìn)行模擬計算。先以甲醇為輕組分，水為重組分，由DSTWU模塊對常壓塔進(jìn)行簡捷模擬計算，得出塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料位置等操作參數(shù)。再利用RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格計算，并對其回流比和進(jìn)料位置等操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化后產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量均有提高，能耗下降。

甲醇；精餾；優(yōu)化

Aspen Plus是一款功能強大的集化工設(shè)計、動態(tài)模擬等計算于一體、具有準(zhǔn)確單元操作模型和最新計算方法的大型通用流程模擬軟件，由美國Aspen Tech公司研發(fā)，是唯一能處理帶有固體、電解質(zhì)、生物質(zhì)和常規(guī)物料等復(fù)雜體系的流程模擬系統(tǒng)[1]。自從1981年推出以來，它用嚴(yán)格和最新的計算方法，進(jìn)行單元和全過程的計算，為企業(yè)提供準(zhǔn)確的單元操作模型，還可以評價已有裝置的優(yōu)化操作或新建、改建裝置的優(yōu)化設(shè)計。它具有50多個單元操作模塊和80多個物性和熱力學(xué)模型,有多個數(shù)據(jù)庫,為Aspen Plus的準(zhǔn)確模擬提供了依據(jù)[2]。由于其功能強大，模擬準(zhǔn)確，使用方便等特點，而廣泛用于過程模擬和優(yōu)化。采用Aspen Plus化工模擬計算軟件對甲醇精餾流程進(jìn)行模擬和分析，對提高大型煤化工甲醇精餾行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[3]。

在世界基礎(chǔ)有機化工原料中，甲醇消費量僅次于乙烯、丙烯、苯，居第四位。生產(chǎn)甲醇的原料可以是天然氣、煤炭、焦炭、渣油、石腦油、乙炔尾氣等。甲醇是重要的化工基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，廣泛應(yīng)用于有機合成、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、交通和國防等化學(xué)工業(yè)和能源工業(yè)中。甲醇是除合成氨之外，唯一由煤經(jīng)氣化和天然氣經(jīng)重整而大規(guī)模合成的化學(xué)品，是重要的一碳化工基礎(chǔ)產(chǎn)品和有機化工原料，是近年來煤化工和天然氣化工的主要產(chǎn)品。隨著甲醇衍生物及其下游產(chǎn)品的迅速發(fā)展，甲醇需求量也越來越大，因此甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和甲醇裝置的節(jié)能降耗越來越引起人們的關(guān)注[4]。甲醇精餾裝置是甲醇生產(chǎn)的重要后處理工序，其能耗占甲醇生產(chǎn)總能耗的20%左右。甲醇精餾技術(shù)的優(yōu)劣直接決定著甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量及甲醇生產(chǎn)能耗的高低。故本文以甲醇精餾流程中的常壓塔為對象[5]，利用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬、優(yōu)化、分析。

1　甲醇精餾流程

圖1　甲醇精餾流程圖

粗甲醇含有十幾種組分，需先進(jìn)行預(yù)處理，所以原料進(jìn)入塔B1預(yù)分離，預(yù)分離塔的作用是分離出原料中H2、N2、CH4、CO2等比甲醇輕的組分，甲醇及其他重組分以釜液形式流出預(yù)分離塔，經(jīng)過泵加壓后進(jìn)入加壓塔B2。加壓塔塔頂產(chǎn)品為精甲醇，剩余甲醇及其他重組分作為釜液流出，作為中壓塔B4進(jìn)料。中壓塔塔頂產(chǎn)品為精甲醇，釜液流入常壓塔B5繼續(xù)進(jìn)行分離。常壓塔塔頂產(chǎn)品也為精甲醇，釜液排出廢水。

2　進(jìn)料組分與組成

表1　常壓塔原料組成及分離要求

粗甲醇原料中含有十余種組分，經(jīng)過預(yù)分離塔后由塔頂脫去輕組分雜質(zhì)，塔底釜液進(jìn)入高壓塔、中壓塔和常壓塔進(jìn)一步精制。因為B2和B4兩塔塔頂精甲醇產(chǎn)品的純度都達(dá)到0.999wt%，而常壓塔塔頂產(chǎn)品的純度越高，混合后甲醇產(chǎn)品的純度將會越高，故規(guī)定常壓塔塔頂甲醇產(chǎn)品的分離要求為0.997wt%。進(jìn)入常壓塔的原料中包含的組分與組成及分離要求如表1。

3　常壓塔模擬

根據(jù)表1設(shè)計條件，利用DSTWU模塊對常壓塔進(jìn)行簡捷模擬計算，以甲醇為輕關(guān)鍵組分、水為重關(guān)鍵組分，物性方法選擇UNIFAC方法，經(jīng)簡捷計算可得常壓塔的操作參數(shù)：共40塊塔板，塔頂冷凝器為第1塊塔板，塔釜為第40塊塔板，進(jìn)料位置在第27塊塔板，摩爾回流比為0.55，塔頂壓力為1atm。再根據(jù)簡捷計算結(jié)果利用RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格模擬。模擬結(jié)果見表1(只列出塔頂與塔釜各3塊塔板)和圖2。

從模擬結(jié)果可以看出，甲醇在塔頂餾出液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9775，還沒有達(dá)到0.997。同時得到塔頂餾出液流量為53117.55 kg/h。

表1　各組分在各板上組成分布　(wt%)

圖2　甲醇、水組成分布

4　回流比優(yōu)化

因為塔頂產(chǎn)品中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未達(dá)到規(guī)定的要求，需進(jìn)行優(yōu)化。在普通精餾塔中，可通過提高回流比的方法增大塔頂易揮發(fā)組分的組成，故現(xiàn)利用Aspen Plus的設(shè)計規(guī)定功能，對常壓塔的回流比進(jìn)行優(yōu)化。

規(guī)定塔頂產(chǎn)品中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.997，規(guī)定回流比變化范圍為0.55～2。經(jīng)過設(shè)計規(guī)定模擬計算，得回流比為0.89，組成結(jié)果見表2和圖3。

表2　R=0.89時各組分在各板上組成分布　(wt%)

圖3　R=0.89時甲醇、水組成分布

從表2可以看出塔頂產(chǎn)品中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到0.997，滿足規(guī)定的分離要求。同時得到新的塔頂餾出液流量為53777.55 kg/h高于原流量53117.55 kg/h。說明R=0.89時，不僅塔頂產(chǎn)品符合要求，產(chǎn)品的產(chǎn)量也有所提高。此時，塔釜再沸器的熱負(fù)荷為28663.28 kW。

5　靈敏度分析

經(jīng)過設(shè)計規(guī)定計算出新的回流比之后，精餾塔再沸器熱負(fù)荷發(fā)生變化，而進(jìn)料位置的變化也會使再沸器熱負(fù)荷發(fā)生變化，為了使再沸器熱負(fù)荷降低，可對進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化。

在此對進(jìn)料位置和塔板數(shù)對再沸器熱負(fù)荷的影響進(jìn)行靈敏度分析，從而確定最佳的進(jìn)料位置與塔板數(shù)。

在靈敏度分析工具下，定義再沸器熱負(fù)荷，操縱變量為塔板數(shù)和進(jìn)料位置。定義塔板數(shù)從35增加到40，增量為1，進(jìn)料位置從20變到30，增量為1。模擬結(jié)果見圖3。

從模擬結(jié)果可得，當(dāng)理論板數(shù)為40，進(jìn)料位置為22時，再沸器熱負(fù)荷最小，為25739.2756 kW(即圖3中22.131794 Gcal/h)。

圖3　不同理論板數(shù)時再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化

6　結(jié)　論

利用RadFrac模塊對甲醇精餾流程中的常壓塔進(jìn)行模擬計算與優(yōu)化，優(yōu)化后理論板數(shù)40塊，進(jìn)料位置從27塊調(diào)整到22塊，操作回流比由0.55調(diào)整為0.89。餾出液流量由53117.55 kg/h增加到53777.55 kg/h，再沸器熱負(fù)荷從28663.28 kW降低到25739.2756 kW。優(yōu)化后產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量均有提高，能耗下降。

[1]孫蘭義.化工流程模擬實訓(xùn)—Aspen Plus教程[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2012:2.

[2]李清元,史賢林.ASPEN PLUS在甲醇加壓精餾塔中的應(yīng)用[J].安徽化工,2008,34(3):30.

[3]譚恒俊.淺談大型煤化工甲醇精餾過程模擬與仿真[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,33(10):21.

[4]劉兵,駱樂.甲醇精餾過程的模擬及優(yōu)化[J].廣東化工,2012,39(6):201-202.

[5]黃風(fēng)林,向小鳳.甲醇精餾過程四塔流程模擬分析[J].石油與天然氣化工,2007,36(1):18-21.

Simulation and Analysis of the Normal Pressure Column in Methanol Distillation Process

HUANG Jian-ping,ZHAO Ling

(Anyang Institute of Technology,Henan Anyang 455000,China)

The normal pressure column in the methanol distillation process was simulated and calculated by using chemical process simulation software Aspen Plus.The DSTWU module was used to simulate calculate the normal pressure column by taking methanol as the light component and water as the heavy component,and the results such as the stage number,reflux ratio,feed stage and other operating parameters were got.The RadFrac module was used to the strict calculation,the operation parameters were optimized and the optimized parameters were obtained.After optimization,the quality and output of the products were improved,and the energy consumption was decreased.

methanol;distillation;simulation

黃建平(1978-)，男，安陽工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，碩士，講師，主要從事化工過程計算機模擬方面的研究。

TQ223.1

A

1001-9677(2016)04-0134-03