甲醇精餾塔靜態(tài)模型分析與仿真設(shè)計(jì)*

肖東彩，梁楊楊,2，周潤兵，劉曉陽

(1 銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750105；2 寧夏寶豐能源集團(tuán)股份有限公司，寧夏 銀川 750105)

精餾塔是石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的分離操作設(shè)備之一,是分離液體混合物的一種重要的化工單元操作[1]。由于精餾操作過程中能耗較高且熱力學(xué)效率又不高，因此該過程一直被作為重要的課題在研究[2]。伴隨著各種能源價格的不斷上漲，精餾操作過程的節(jié)能在化工行業(yè)節(jié)能中占有越來越重要的地位[3]。本研究的甲醇精餾采用四塔雙效工藝流程[4]，主要對塔板間氣液相傳質(zhì)傳熱過程進(jìn)行了分析研究，建立了甲醇精餾塔的靜態(tài)模型，并利用Kingview進(jìn)行仿真、Aspen plus進(jìn)一步驗(yàn)證運(yùn)行結(jié)果。

1 甲醇精餾塔板模型

1.1 塔板上的換熱過程分析[5-6]

理想理論板可以理解為從塔板下部上升的氣體與從塔板上部下降的液體在塔板內(nèi)充分混合進(jìn)行換熱，得到兩個溫度和相平衡相同的氣液相。

對塔板作物料恒衡算得：

(1)

在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，氣液相中輕組分摩爾分?jǐn)?shù)滿足相平衡關(guān)系，平衡方程為：

Yi,j=Ki,jXi,j

(2)

同時氣液相中的輕組分摩爾分?jǐn)?shù)滿足摩爾歸一方程：

(3)

對塔板進(jìn)行能量衡算可得：

每層塔板的直徑尺寸完全相等，在常壓狀態(tài)下，各層傳質(zhì)換熱的氣液量相差不大。當(dāng)重組分和輕組分的汽化潛熱相差不大時，盡管上升氣流量與下降的液流量中的輕組分摩爾分并非完全相同，但是對塔板的能量衡算的結(jié)果影響不大，也即在可以允許的：

(4)

在板式塔中，可以近似相互抵消氣、液兩相的汽化潛熱與冷凝潛熱，據(jù)理論板的假設(shè)，在汽化潛熱相互抵消，只計(jì)算溫度的情況下，可將塔板上升氣流量和溢流量視為同一種物質(zhì)，在對ρ、C等參數(shù)取值時，可以取平均值。對式(4)簡化為：

(5)

式中：V——塔板中氣相流量

L——塔板中液相流量

G——塔板中流出的流量總

H——塔板中各部分所帶的焓值

溫度與焓值之間的關(guān)系是：

Hj+1=Cj+1·θj+1；Hj-1=Cj-1·θj-1；Hj=Cjθj

式中：V——塔板塔堰中儲存的液體體積，可視為常數(shù)，由堰長、堰高等計(jì)算求取

r——流體密度，近似為常數(shù)

Cj+1——上升蒸汽的比熱容

θj+1——上升蒸汽的溫度

Cj——塔板的平均比熱

θj——塔板的溫度

Cj-1——下降液體比熱容

θj-1——下降液體溫度

則式(5)式變成為：

(6)

根據(jù)物料守恒定律，Gj=Lj-1+Vj+1，對時間進(jìn)行求導(dǎo)，從而得到式(7)：

(7)

微分單元的差分化替換式：

(8)

將式(8)帶入式(7)中，可得：

(9)

以上公式構(gòu)造了非進(jìn)料板的溫度數(shù)學(xué)模型。

1.2 進(jìn)料板過程分析

無論進(jìn)入的物料是什么狀態(tài)，引入理論進(jìn)料板假設(shè)后可以進(jìn)行一定簡化。對于進(jìn)料板可以得到與非進(jìn)料板相對應(yīng)的關(guān)系式。

物料衡算：

FxF+Vyj+1+Lxj-1=Vyj+Lyj

(10)

相平衡方程：

yj=f(xj)

(11)

進(jìn)料組成和狀態(tài)對提餾段上升的氣流量和精餾段下降的液流量的影響各不相同。因此，在進(jìn)料板的能量衡算時，應(yīng)當(dāng)加上冷凝和氣化潛熱，所以進(jìn)料板的能量衡算式：

(12)

式中：FjHj表示進(jìn)口物料的熱量，也就是FjHj=GF·CF·θF；Qj表示冷凝潛熱和汽化潛熱的差值，差分化處理式(12)后，得進(jìn)料板數(shù)學(xué)模型為：

(13)

1.3 上升氣量模型

Vj+1=Vj

(14)

1.4 塔板溢流模型

溢流的體積流量為：

(15)

式中：Lw——堰長度

how——堰上方液層高度

D——甲醇精餾塔直徑

1.5 甲醇精餾操作方程

1.5.1 精餾段操作線方程

為算出該段反應(yīng)上任意層塔板上的上升氣相組成Yn+1與下降液相組成Xn之間的聯(lián)系，n塊塔板作為研究對象。

在精餾段任意截面處做物料衡算，上升氣相組成Yn+1與下降液相組成Xn都滿足精餾段操作方程式(16)：

(16)

1.5.2 提餾段操作線方程

提餾段操作方程算法類似于精餾段操作方程算法，計(jì)算時，取任意塔板到塔釜為一個整體。

在提餾段任任意截面處做物料衡算，上升蒸相組成Yn+1與下降液相組成Xn都滿足式(17)，該公式也稱為提餾段操作方程。

(17)

2 甲醇精餾塔靜態(tài)仿真與驗(yàn)證

2.1 基于Kingview的甲醇精餾塔靜態(tài)仿真程序設(shè)計(jì)[6]

本設(shè)計(jì)使用Kingview6.55為仿真平臺，同時應(yīng)用程序命令語言編寫仿真程序，可在操作界面上實(shí)時修改系統(tǒng)參數(shù)，部分應(yīng)用程序命令語言和運(yùn)行結(jié)果如圖1、表1所示。

圖1 Kingview部分腳本圖Fig.1 Kingview part script diagram

表1 Kingview靜態(tài)模型運(yùn)行結(jié)果明細(xì)表Table 1 Kingview static model running results list

程序運(yùn)行后，可在參數(shù)設(shè)置功能中對常壓甲醇精餾塔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如進(jìn)料參數(shù)、進(jìn)料流量、總塔板數(shù)、進(jìn)料板數(shù)等甲醇精餾塔操作中必需實(shí)時更改的參數(shù)。通過Kingview值輸入功能寫入的參數(shù)經(jīng)過腳本語言的處理，賦值到其對應(yīng)的腳本中進(jìn)行甲醇精餾塔的計(jì)算。

讀取參數(shù)設(shè)置后，參照程序流程框圖2進(jìn)行運(yùn)算。

確定塔板類型后，可以正常運(yùn)算出甲醇精餾塔各層塔板的溫度、摩爾分?jǐn)?shù)等參數(shù)，仿真結(jié)果通過腳本程序在實(shí)時報表中顯示，程序流程圖如圖3所示。

實(shí)時數(shù)據(jù)從報表的第3行第2列開始寫入，當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)寫到報表中后，對塔板編號與總塔板數(shù)進(jìn)行比較，若塔板號小于塔板總數(shù)，則塔板編號加1，下層塔板的數(shù)據(jù)寫入下一行表格中，一直循環(huán)，直到塔板號大于塔板總數(shù)跳出循環(huán)，實(shí)時數(shù)據(jù)記錄完成。摩爾分?jǐn)?shù)、Q等參數(shù)過程都是相同的，僅以T為例。在參數(shù)設(shè)置頁面中設(shè)置甲醇精餾塔參數(shù)，其中進(jìn)料T=45 ℃，甲醇含量為0.14、H2、CO等混合物。Q進(jìn)料=1000 mol/s，P=1 atm，采用全冷凝器，泡點(diǎn)回流，R=3.07，總塔板數(shù)等于7層，進(jìn)料板為第5層塔板，假設(shè)甲醇精餾塔運(yùn)行時塔內(nèi)壓力恒定，基于以上環(huán)境對甲醇精餾塔靜態(tài)模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表2所示。

圖3 報表程序流程圖Fig.3 Flow chart of report program

表2 45 ℃進(jìn)料時靜態(tài)模型仿真結(jié)果明細(xì)表 Table 2 Simulation results of static model at 45 ℃ feeding

保持其他參數(shù)不變，升高T=55 ℃進(jìn)行模擬，仿真運(yùn)行結(jié)果如表3所示。

表3 55 ℃進(jìn)料時靜態(tài)模型仿真結(jié)果明細(xì)表Table 3 Static model simulation results at 55 ℃ feeding

2.2 Aspen plus穩(wěn)態(tài)模擬

使用軟件建立穩(wěn)態(tài)模擬模型，軟件中的RadFrac窗口中有各種類型的精餾塔，本文使用完全塔模塊進(jìn)行仿真。

本文模擬使用的原料T=45 ℃的甲醇水溶液，yA=48%，Q進(jìn)料=1000 mol/s，P進(jìn)料=1 atm。最后設(shè)置冷凝器類型、塔板類型以及塔板效率，即可進(jìn)行精餾計(jì)算。仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 T=45 ℃，進(jìn)料時Aspen Plus仿真結(jié)果明細(xì)表Table 4 Simulation results of Aspen Plus at 45 ℃ feeding

進(jìn)料溫度T=55 ℃，其余條件不變，Aspen plus仿真結(jié)果如表5所示。

表5 T=55 ℃，進(jìn)料時Aspen plus仿真結(jié)果明細(xì)表Table 5 Details of simulation results of Aspen Plus at 55 ℃ feeding

由表2～表5對比可以看出，Kingview模型和Aspenplus模型運(yùn)行結(jié)果數(shù)值相差較小，通過對比結(jié)果顯示Kingview模型也具有一定的準(zhǔn)確性，可以在甲醇精餾塔實(shí)時仿真中應(yīng)用。

3 結(jié) 論

本模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于理想理論板，并根據(jù)能量守恒、物料守恒、氣液平衡等方程分別建立了靜態(tài)模型。同時使用Kingview、Aspenplus在進(jìn)料量溫度為45℃和55℃下進(jìn)行了甲醇精餾塔靜態(tài)模擬，運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果相差較小，驗(yàn)證了甲醇精餾塔靜態(tài)模型的準(zhǔn)確性，對于精餾過程的分析以及控制的深入研究有一定的意義。