甲醇-苯胺-水物系精餾塔的計算機模擬設計

張德志

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

甲醇-苯胺-水物系精餾塔的計算機模擬設計

張德志

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

本文利于Aspen Plus 流程模擬軟件對甲醇-苯胺-水物系精餾分離進行了模擬，通過模擬計算，得出了該精餾塔的最佳操作參數(shù)：理論板數(shù)為26、進料位置為第19塊理論板、最佳回流比為4.2、采出比D∶F為0.098，為精餾塔的結構設計及工藝設計提供了理論依據(jù)。

精餾；Aspen Plus；模擬計算；甲醇

甲醇作為一種重要的原料，在石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應用，而且甲醇的純度對工業(yè)生產影響較大[1-2]，另外，分離得到的重組分中的甲醇含量對物料的后續(xù)處理起到關鍵作用。精餾作為一種常用的工藝分離方法在甲醇的分離提純中獲得廣泛的應用，精餾塔的優(yōu)化設計可大大提高產品的純度并降低生產能耗，降低企業(yè)的生產成本，提高企業(yè)的經濟效益。

1 設計要求

本文就某企業(yè)生產過程中某工序產生的甲醇-苯胺-水精制系統(tǒng)為模擬依據(jù)，就其中的甲醇苯胺分離塔進行模擬，優(yōu)化設計參數(shù)[3-4]，以期達到分離要求，獲得精餾塔的最佳操作和設計參數(shù)。

2 原料參數(shù)及分離要求

1)精餾塔的進料量F=28800kg/h，組成(質量分數(shù))為：甲醇10%，苯胺62%，水28%。

2)要求塔頂采出的甲醇的純度≥99.9%(質量分數(shù))，循環(huán)利用；塔釜的甲醇含量≤0.5%(質量分數(shù))，以便后續(xù)苯胺和水的分離。

3 結果與討論

3.1 理論板數(shù)的確定

為達到分離要求，利用Aspen Plus中的精餾塔簡捷計算模塊DSTWU對不同理論板數(shù)所需要的回流比進行分析，得到如圖1所示的關系圖。由圖1可知，隨著理論板數(shù)的增加，要達到一定的分離要求需要的回流比逐漸減小，當理論板數(shù)大于26塊時，回流比的變化已不明顯，相反再增加理論板數(shù)反而會使塔的設備費用提高。綜合考慮，確定塔的理論板數(shù)為26(包括冷凝器和再沸器)。

圖1 理論板數(shù)與回流比的關系Fig.1 Relationship between theoretical plate number and reflux ratio

3.2 最佳進料位置的確定

最佳的進料位置可以使分離所需的能耗最小并獲得最高的產品質量。本文通過Aspen Plus中的靈敏度分析，模擬得到進料位置與塔頂、塔釜甲醇含量以及冷凝器、再沸器熱負荷的關系，如圖2和圖3。由圖2可以看出隨著進料位置下移塔頂甲醇含量先增加后減小，塔釜甲醇含量先減小后增加，在第19塊理論板處塔頂和塔底分別達到最佳的分離效果；同時由圖3可以看出，隨著進料位置下移，塔頂和塔底的所需要的能耗均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且在第19塊理論板處所需能耗最小。綜合考慮，確定第19塊理論板為最佳進料位置。

圖2 進料位置與塔頂、塔釜甲醇含量的關系Fig.2 Relationship between feed location and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

圖3 進料位置與冷凝器、再沸器熱負荷的關系Fig.3 Relationship between feed location and heat duty of condenser and reboiler

3.3 塔頂采出比的確定

圖4 采出比與塔頂、塔釜甲醇含量的關系Fig.4 Relationship between distillate of feed ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

塔頂采出比(D∶F)直接關系到塔頂產品的產量及純度。通過靈敏度分析，模擬得到采出比與塔頂、塔底甲醇含量關系，如圖4。由圖4可以看出隨著采出比的增大，塔頂甲醇含量先基本不變后逐漸減小，塔底甲醇含量先逐漸減小后基本不變，當采出比為0.097時，塔頂、塔底甲醇含量能滿足工藝要求。

3.4 回流比的確定

回流比是精餾分離的重要參數(shù)，回流比的變化直接影響塔頂、塔釜產品組成及冷凝器和再沸器的負荷。增加回流比可以在一定范圍內提高產品純度，但會使塔的能耗增加。本文通過靈敏度分析得到回流比與塔頂、塔底甲醇含量的變化關系，如圖5。由圖5可以看出，隨著回流比的增大，塔頂甲醇含量先增加后趨于穩(wěn)定，塔底甲醇的含量先減小后趨于穩(wěn)定，且在回流比R≥4.15時，塔頂和塔底甲醇含量均能滿足工藝要求，綜合考慮能耗問題，確定最佳回流比為4.15。

圖5 回流比與塔頂甲醇含量、塔釜甲醇含量的關系Fig.5 Relationship between reflux ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

通過以上單因素模擬計算、分析，該甲醇分離塔的最佳操作參數(shù)為：理論板數(shù)N=26(含冷凝器和再沸器)、進料位置NF=19，回流比R=4.15，采出比D∶F=0.097。

4 多因素分析

表1 正交試驗結果表Table 1 Results of orthogonal experiments

基于以上單因素分析結果，本文引入多因素正交試驗分析方法[5]，對該塔進行多因素分析。

本文選用3因素3水平正交試驗表，以塔頂和塔釜總的熱負荷作為考察對象。選擇的3因素分別為回流比R、進料位置NF和采出比D∶F。選取回流比R的三個水平分別為4.1、4.15和4.2；選取進料位置NF的三個水平分別為17、18、19；選取采出比的三個水平分別為0.096、0.097和0.098。通過各因素各水平之間的組合、計算得到分析結果，見表1。

由表1可知，各因素的極差R大小順序為R>D∶F>NF，由此可見，在給定的各水平范圍內，回流比對塔負荷的影響最大，其次是采出比，進料位置影響最小。且通過該多因素分析可以得到塔的最佳操作參數(shù)是：進料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

5 結論

通過計算機模擬，分別采用單因素和多因素分析方法，得到該甲醇分離塔的最佳操作參數(shù)為：理論板數(shù)N=26(含冷凝器和再沸器)、進料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

[1] 常 虹，王永勝，王東巖，等. 甲醇精餾系統(tǒng)模擬與優(yōu)化[J]. 計算機與應用化學，2010，27(9)：1283-1288.

[2] 曹會敏，范智勇，張國民，等. 甲醇精餾的研究進展與應用[J]. 化工裝備技術，2012，33(4)：48-50.

[3] 唐錦文. 甲醇精餾工藝模擬計算及分析[J]. 化工設計，2006，16(2):13-17.

[4] 羅 青，孫長江. 苯胺精餾過程優(yōu)化模擬系統(tǒng)[J]. 化工科技，2004，12(2)：50-53.

[5] 杜守成，董宏光，肖 武. 基于正交數(shù)值試驗的精餾過程參數(shù)的優(yōu)化[J].計算機與應用化學，2009，26(8):989-992.

(本文文獻格式：張德志.甲醇-苯胺-水物系精餾塔的計算機模擬設計[J].山東化工,2017,46(5):122-124.)

Simulation Design of Methanol -Aniline-Water Distillation Column with Computer

ZhangDezhi

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.,Ltd., Jinan 250101,China)

In this paper, medium with Methanol-Aniline-Water is simulated with software Aspen Plus. The following optimal operating parameters were obtained according to the simulation∶ number of theoretical plate 26, feed location 19, reflux ratio 4.2 and distillate to feed ratio 0.098. These parameters give the theoretical basis for the design of column structure and the process.

methanol distillation;aspen plus;simulate calculation

2017-01-19

張德志(1989—)，男，山東嘉祥人，助理工程師，碩士學位，主要從事化工工藝、系統(tǒng)方面的研究、設計工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0122-03