基于Aspen Plus醋酸乙烯精餾塔的模擬優(yōu)化

陳 果 王 煤 程 橙 涂開慧

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，成都 610065）

研究與開發(fā)

基于Aspen Plus醋酸乙烯精餾塔的模擬優(yōu)化

陳 果 王 煤 程 橙 涂開慧

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，成都 610065）

利用Aspen Plus軟件，選擇NRTL活度系數(shù)方程和Hayden-O′connell逸度系數(shù)方程的熱力學(xué)模型，應(yīng)用系統(tǒng)中的RadFrac精餾模塊對醋酸乙烯精餾塔進行模擬，模擬值與實際值基本吻合。討論了進料位置、回流比、塔頂側(cè)線采出量等參數(shù)對精餾分離精度與能耗的影響，提出優(yōu)化方案為：進料板為第62塊，回流比為32，側(cè)線采出質(zhì)量流量為37.5 t/h。此參數(shù)下，重新進行計算，結(jié)果顯示，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱流量分別降低了15.5%和16.9%，塔頂側(cè)線采出液中醋酸乙烯和塔釜采出液中醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別上升了0.4%和0.13%。

Aspen Plus；醋酸乙烯；醋酸；精餾塔；模擬；優(yōu)化

Aspen Plus化工模擬系統(tǒng)是美國麻省理工學(xué)院于20世紀(jì)70年代后期開發(fā)的大型化工模擬軟件，20世紀(jì)80年代初由美國Aspen Plus技術(shù)公司推向市場。Aspen Plus用嚴(yán)格的方法進行單元和全過程計算，為企業(yè)提供了準(zhǔn)確的單元操作模型，該系統(tǒng)功能齊全、規(guī)模龐大，目前已在世界范圍內(nèi)廣泛使用參考[1]。

在醋酸乙烯（VAC）生產(chǎn)工藝中，VAC精餾塔在整個流程中占據(jù)著重要的位置，它直接影響著VAC的質(zhì)量和合成后期聚合物的好壞，以及整個生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益。對VAC精餾及精餾塔的分析研究前人已經(jīng)做過一些，但主要是采用不同的化工模擬軟件或者是僅從個別操作條件的改變對分離精度的影響，而對不同操作參數(shù)和工藝條件的改變對VAC精餾塔分離精度和能耗的影響尚未進行系統(tǒng)的分析和研究，特別是塔頂側(cè)線采出量對分析精度的影響。本文中以增加VAC產(chǎn)量和節(jié)約能源為目的，通過Aspen Plus模擬系統(tǒng)對VAC精餾塔進行了詳細的模擬計算，對VAC精餾塔的操作參數(shù)進行了靈敏度分析，以便為工業(yè)生產(chǎn)中VAC精餾塔的設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 VAC精餾工藝

某廠由天然氣乙炔路線生產(chǎn)的粗VAC經(jīng)脫氣、粗餾等系統(tǒng)除去溶解乙炔氣及大部分乙醛、丙酮及水等輕組分后作為VAC精餾塔一進料，塔釜用再沸器加熱，塔一塔頂氣相進入塔二底部，塔二的釜液經(jīng)回流泵供塔一回流。在塔二中部側(cè)線液相采出精VAC，塔一塔底采出粗醋酸（HAC）去HAC精餾塔，從塔二塔頂出來的氣相經(jīng)冷凝部分回流入塔。進料及產(chǎn)品組成見表1。

表1 進料及產(chǎn)品組成Tab 1 Composition of feed and product

2 模型的建立及模擬結(jié)果

2.1 熱力學(xué)方法的選取

在用Aspen Plus進行模擬計算時，熱力學(xué)模型的選取尤為重要，其正確與否直接影響計算的物理性能的準(zhǔn)確程度與計算結(jié)果的精確度。在分離技術(shù)中，相平衡是精餾操作的基礎(chǔ)，其汽-液平衡關(guān)系計算如下[2]：

式中，yi、xi分別為氣、液相中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，φiv為氣相混合物中組分i的逸度系數(shù)，fi*l為純組分i在混合物溫度下的液相逸度；γi為液相組分i的活度系數(shù)；p為體系的壓力。

2.1.1 活度系數(shù)模型

液相活度系數(shù)γi由活度系數(shù)模型計算，NRTL方程是以威爾遜提出的局部組成概念為基礎(chǔ)的活度系數(shù)方程，該模型能準(zhǔn)確模擬非理想溶液的VLE和LLE性質(zhì)[3]。根據(jù)本體系的特點，選用NRTL作為計算采用的活度系數(shù)模型。NRTL方程為[4-5]：

式中：Gji=exp(-ajiτji)為溶液相互作用自由能，i、j、k、m為不同組分。其中，τji為組分i-j之間作用能參數(shù)（τji=aji+(bji/T)+ejiln T+fjiT）；aji為溶液可調(diào)的特征函數(shù)，定在 0.20～0.47；aji=cji+dji(T-273.15 K)，為 NRTL方程二元參數(shù)。 模型需要的二元參數(shù) aji、bji、cji、dji、eji和fji等可通過VLE和（或）LLE的數(shù)據(jù)回歸來確定，在Aspen Plus數(shù)據(jù)庫中有很多自文獻及通過數(shù)據(jù)回歸得到的相關(guān)二元參數(shù)。

2.1.2 逸度系數(shù)模型

氣相逸度系數(shù)φiv由狀態(tài)方程計算。Aspen plus推薦選擇Hayden-O′Connell方程來計算中壓以下的氣相締合現(xiàn)象，該方程能預(yù)測含有極性組分或有締合成二聚體傾向的體系，適用于本體系[6]。

由第2 Virial系數(shù)關(guān)聯(lián)式計算逸度系數(shù)的方程為[7]：

Aspen Plus中包含活度系數(shù)NRTL方程和逸度系數(shù) Hayden-O′Connell方程的熱力學(xué)模型為NRTL-HOC，故本次模擬在 Aspen plus的Properties模塊中選擇NRTL-HOC模型。

2.2 精餾模塊的選取

RadFrac是一個嚴(yán)格模型，用于模擬所有類型的多級氣液平衡操作。這些操作包括一般精餾、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸餾等過程。對精餾過程，它適用于2相蒸餾體系、3相蒸餾體系、窄沸程和寬沸程體系，液相具有強非理想性的體系的計算[9]。因此，本文選用RadFrac精餾模塊。

2.3 模擬結(jié)果

在如表2所示的塔初始操作參數(shù)下，應(yīng)用Aspen plus，選擇Properties中的NRTL-HOC模型，利用RadFrac模塊對VAC精餾塔進行精算，結(jié)果如表3。

表2 VAC精餾塔初始操作參數(shù)Tab 2 Initlal operation Parameters of vinyl acetate distillation

表3 模擬結(jié)果與實際操作結(jié)果Tab 3 The results of simulation and actual operation

從表3可以看出，VAC精餾塔側(cè)線采出VAC和塔底HAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算值與工廠生產(chǎn)值相比，相對誤差在5%以內(nèi)，故該模型的計算結(jié)果與實際的吻合性很好，可以用此模型進行進一步模擬分析；分離效果已經(jīng)較好，但如果進一步提高VAC精餾塔的分離效果以及降低能耗，必須優(yōu)化VAC精餾塔的初始操作參數(shù)。

3 操作參數(shù)的優(yōu)化

ASPEN中的靈敏度分析工具可以方便地確定過程對關(guān)鍵操作變量和設(shè)計變量的響應(yīng)，即一個或多個流程變量變化對其他流程變量造成的影響，這是一種“如果…就”形式的研究工具[10]。

VAC精餾塔的分離效果可以用塔頂側(cè)線采出VAC含量，塔底HAC含量來判斷，含量越高，分離效果越好、能耗越低、經(jīng)濟效益越好。為了優(yōu)化分離效果降低能耗，本文以側(cè)線采出VAC含量，塔底HAC含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為指標(biāo)，在表2的初始參數(shù)下，利用Aspen Plus的Sensitivity模塊，探討原料進料位置、回流比以及側(cè)線采出量等參數(shù)對分離精度和能耗的影響，來尋求最適宜的操作條件，以達到最大的經(jīng)濟效益。

3.1 進料位置的影響

在相同的條件下，進料位置的不同將對塔板的分離效果產(chǎn)生影響。不同的精餾效果導(dǎo)致塔頂和塔釜的組成產(chǎn)生改變，對再沸器和冷凝器負荷也會產(chǎn)生影響，因此存在最佳進料位置。原料進料位置對側(cè)線采出的VAC、塔底HAC含量和冷凝器和再沸器總熱流量的影響見圖1。

從圖1可以看出，當(dāng)進料位置在55～65精餾效果最好，且冷凝器和再沸器總熱流量較小，而進料在第62塊時進料達到最佳效果，此時塔頂側(cè)線采出VAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999 6，塔底的HAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.995 6，因此取最佳進料位置為第62塊。

3.2 回流比的影響

在精餾塔中，回流比將直接影響每一層塔板的分離能力，因此對于精餾塔，無論是設(shè)計還是操作，回流比都是一個至關(guān)重要的參數(shù)。回流比對側(cè)線采出的VAC、塔底HAC含量和冷凝器、再沸器熱流量的影響見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)回流比達到32以上時，增大回流比對精餾效果的影響已經(jīng)不是很明顯，但由于冷凝器和再沸器的熱流量隨回流比的增加而增加也即意味能源費的增加，因此過大的回流比是沒有必要的，綜合工藝和經(jīng)濟要求選擇回流比為32比較合適。

3.3 塔頂側(cè)線采出對精餾效果的影響

塔頂側(cè)線采出流量對側(cè)線采出的VAC、塔底HAC含量的影響見圖3。

從圖3可以看出，在塔頂側(cè)線采出質(zhì)量流量為37.5 t/h后，產(chǎn)品中VAC含量急劇下降，塔底HAC精餾效果趨于平穩(wěn)；而進料液中VAC的質(zhì)量流量為39.0 t/h，采出量的增加，會增大冷凝器和再沸器的負荷，因此可以考慮在側(cè)線產(chǎn)品VAC含量較高時選擇合適的采出量。通過模擬計算可知，選擇塔頂側(cè)線采出量為37.5 t/h是最好的。

綜上所述，物料的進料位置、回流比和塔頂（或塔底）的出料量是影響精餾效果的主要因素，選擇合適的操作條件才能滿足技術(shù)和經(jīng)濟2方面的要求，提出優(yōu)化方案為：原料進料位置為第62塊板，回流摩爾比為32，側(cè)線采出質(zhì)量流量為37.5 t/h。

4 優(yōu)化參數(shù)方案下的模擬計算

在上述優(yōu)化參數(shù)下，對精餾塔模型進行模擬計算，優(yōu)后技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 優(yōu)化后的技術(shù)指標(biāo)Tab 4 Comparison of technical index before and after optimization

將表4與表3對比，可以看出，塔頂冷凝器的熱流量從9.364 MW降低到7.908 MW，即降低了15.5%。塔釜再沸器的熱流量從9.618 MW降低到7.990 MW，即降低了16.9%。塔頂側(cè)線采出液中VAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.999 2上升到0.999 6，即上升了0.4%。塔釜采出液中HAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.994 1到0.995 3，上升了0.13%。說明對原工藝的優(yōu)化達到了預(yù)期的目的，優(yōu)化方案是成功的。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用Aspen Plus化工模擬系統(tǒng)中RadFrac精餾模型，選擇NRTL活度系數(shù)方程和Hayden-O′connell逸度系數(shù)方程的熱力學(xué)模型對VAC精餾塔進行模擬計算，其計算結(jié)果與實際運行結(jié)果基本吻合，設(shè)計的模型可以用來模擬該工藝過程。

2)通過Aspen Plus的靈敏度分析功能，尋找到了精餾塔操作條件中的最靈敏參數(shù)：進料板為第62塊，回流摩爾比為32，側(cè)線采出質(zhì)量流量為37.5 t/h。在優(yōu)化參數(shù)條件下，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱流量分別降低了15.5%和16.9%，塔頂側(cè)線采出液中VAC和塔釜采出液中HAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別上升了0.4%和0.13%，對實際操作有指導(dǎo)意義。

[1]謝揚,沈慶揚.ASPEN PLUS化工模擬系統(tǒng)在精餾過程中的應(yīng)用[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),1999,16(3):17-22,28.

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[3]鄭丹星.化工熱力學(xué)教程[M].北京:中國石化出版社,2000.

[4]Renon H,Prausnitz J M.Local compositions in thermodynamic excess functions for liquid mixtures.AIChE[J].1968,14(l):135-144.

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Process simulation for rectification tower of Vinyl Acetate based on Aspen Plus

Chen Guo,Wang Mei,Cheng Cheng,Tu Kaihui

(School of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065)

Using Aspen Plus software,Thermodynamic models were chosen as NRTL equation for activity coefficient and Hayden-O′Connell equation for fugacity coefficient.The vinyl acetate rectification towers were simulated by using the RadFrac rectification modules of Aspen Plus chemical industry simulation system.The simulation values were basically consistent with the actual values.By Considering the effection of feeding position,reflux ratio and the side draw of overhead to the degree of separation and energy consumption.Optimization solution was proposed as:the feed stage is 62,the reflux ratio is 32,the side draw is 37.5 t/h.Using the optimized parameters,the simulation was executed again.The result shows that the condenser's heat duty declined by 15.5%,the heat duty of reboiler declined by 16.9%,the side-drew of vinyl acetate increased 0.4%,the acetic acid of the tower bottoms increased 0.13%.

Aspen Plus;vinyl acetate;rectification tower;simulation;optimization

TQ028.3.+1，TQ018

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2011.05.005

2011-07-08；

2011－07－29