氨蒸餾工藝中蒸氨塔的模擬計算

王劍舟

（江蘇中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京 210019）

化工設計

氨蒸餾工藝中蒸氨塔的模擬計算

王劍舟

（江蘇中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京 210019）

以Aspen Plus軟件為平臺，對氨蒸餾工藝的蒸氨塔進行了模擬計算。通過對塔板數、進料位置、回流比與進料熱狀態的模擬，研究了各參數的影響特點。認為塔板數宜取大一些，進料位置靠近塔下端有利，回流比的選擇應首先考慮滿足產品質量，進料溫度接近泡點為佳。確定塔板數8，在第6塊塔板處進料，進料溫度100℃，回流比1，靈敏板為第7塊塔板，得到塔頂液氨產品氨摩爾濃度>99. 5%，塔底殘留液氨摩爾濃度<5%，滿足設計規定。

蒸氨塔；Aspen Plus；模擬計算；靈敏板

氨是一種重要的工業原料，在農業生產方面，氨用于制造化肥；在化學纖維、塑料工業中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產己內酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和脲醛樹脂等產品。在常溫常壓下，氨又是一種有毒有害的氣體，能刺激人體感官粘膜，空氣中含氨大于0.2 mg·m-3時即會引起人體慢性中毒[1]。中小型合成氨廠的合成弛放氣、槽車灌氨閃蒸氣（統稱弛放氣）中含有體積濃度15%～30%的氨氣[2-3]，回收這些氨組分，一方面提高了企業的經濟效益，另一方面也符合環保的要求。回收弛放氣中的氨有兩種途徑[4-7]，一是以水作吸收劑吸收氨氣制備濃氨水，二是用水吸收氨增濃氨水后進一步蒸餾氨水制備液氨。液氨的品位較高，用途也較廣，如果能以較低的成本制得液氨將為企業創造可觀的經濟效益。蒸氨塔是氨蒸餾系統最重要的設備，對蒸氨塔進行模擬計算，甄選出最佳的操作變量，可對節能增效產生積極影響。本文以功能強大的Aspen Plus工程軟件為平臺[5-9]，對氨蒸餾工藝的蒸氨塔進行模擬計算，為工程設計提供基礎數據。

1 基礎數據

合成氨廠弛放氣的組成比較復雜，但主要組分一般可確定，通過歸一化處理可得到各組分的含量。氨的回收工藝由吸收和精餾兩系統組成，弛放氣通過吸收系統后，回收了絕大部分氨，使放空氣的氨排放達標，氨水增濃至20%（重量）左右。本文處理的氨水組成和含量均由上游模擬得到，如表1所示。

表1 進料氨水的組成及含量

蒸氨塔的模擬流程如圖1所示，蒸氨塔由Radfrac模型B1模擬，其塔頂冷凝器由閃蒸塔B2代替，目的是通過調節閃蒸塔的氣體分率除去液氨中含有的微量高沸點雜質，回流比由分流器B3的分流分率決定。出閃蒸塔的氣體（流股6）引回吸收系統回收氨組分，蒸餾塔殘留液（流股7）也被打回吸收系統循環利用吸收劑。主要參數的初值為[10-12]：蒸氨塔的理論板數10，氨水進料的溫度150℃，系統的操作壓力1.46 MPa，蒸餾塔塔頂采出量占進料量的31%，閃蒸塔的氣體分率0.05，分流器引出分率0.4。設計要求是：塔頂液氨純度大于99.5%，塔底稀氨水的氨濃度小于5%。

對任何流程模擬，熱力學方法的選擇都至關重要，因為它影響著模擬結果的準確程度。Aspen Plus有強大的物性支持，它包含很強大的純組分物性數據庫，提供了幾十種汽-液或液-液相平衡計算方法和多種傳遞性質方法供用戶選擇，對各種物性體系均有相應的計算模型。在氨-水物系中，氨分子和水分子均為極性分子，宜采用活度系數物性方法。經過篩選，本文選用正規雙溶液NRTL方法進行模擬計算。

2 模擬過程

精餾是最常見的分離操作之一，它利用組分之間揮發度的差異來實現連續的高純度分離。在精餾塔內，上升的蒸汽和下降的回流液在塔板處進行質量和熱量的傳遞。越往塔頂，重組分有效脫除，得到輕組分；越往塔底，重組分富集，得到重組分。在進行精餾計算時，規定了塔頂塔底的產品質量，由物料衡算式、質量衡算式及傳遞特征方程，可對精餾塔進行求解。由于塔板上的傳遞過程特別復雜，要得到傳遞特征方程并不容易。為了避開這一難題，引入理論板的假設，即所謂理論板是一個氣、液兩相皆充分混合而且傳質和傳熱過程的阻力皆為零的理想化塔板。這樣，塔板上傳遞過程的特征方程式可簡化為泡點方程和相平衡方程。基于這種假設，模擬中的塔板均為理論板，當指導工程設計時，增加板效率是必需的，以得到實際的塔板數[13]。

2.1模擬工具

Aspen Plus工程軟件提供了大量的模擬分析工具，其中最常用的有最優化和靈敏度分析。最優化是通過調整決策變量來使一個用戶指定的目標函數最大化或最小化，其中目標函數可以是任意含有一個或多個流程變量的數學表達式。靈敏度分析則是檢驗一個過程如何對變化的關鍵操作變量和設計變量反應的一個工具，通過改變一個或多個流程變量并研究該變化對其它流程變量的影響。可以用靈敏度分析來驗證一個設計規定的解是否在操作變量的變化范圍內，還可以用它做簡單的過程優化。本文擬采用靈敏度分析工具對各相關影響因素進行模擬分析。

2.2參數模擬分析

2.2.1塔板數

對于設計型問題，規定了塔頂塔底產品質量后，物料衡算方程確定；再規定操作壓強、回流比和進料熱狀態后，平衡關系和操作方程也隨之確定。通過平衡方程和操作方程可得到所需的塔板數。相反，當給定一個塔板數，則對應一組產品質量。很多情況下要求的產品質量是在一個范圍之內，這就允許塔板數可調。塔板數增加有時確實提高了產品質量，但代價是增加了設備成本。這就存在一個總費用最低的優化。在靈敏度分析中，逐漸增加塔板數，研究塔頂液氨純度和塔底稀氨水氨濃度的變化。

2.2.2加料板位置

在精餾計算中，跨過加料板由精餾段進入提餾段，在計算中的表現是以提餾段操作方程代替精餾段操作方程。在最優加料板位置進料可使總塔板數最少。通過改變進料板位置，研究塔頂液氨純度和塔底稀氨水氨濃度的變化。

2.2.3回流比

增大回流比，既加大了精餾段的液氣比，也加大了提餾段的氣液比，兩者均有利于精餾過程的傳質。增大回流比，兩條操作線均移向對角線，達到指定的分離要求所需的塔板數減少。但是增大回流比是以增加能耗為代價的。因此，回流比的選擇是一個經濟最優化問題，即在操作費用和設備費用之間作出權衡。通過改變回流比，研究塔頂液氨純度和塔底稀氨水氨濃度及冷凝器與再沸器能耗的變化。

2.2.4加料熱狀態

加料熱狀態可由q值表征，q值表示加料中飽和液體所占的分率，等于1時為泡點加料，等于0時為飽和蒸汽加料。q值越小，說明進料的溫度越高，相當于為精餾提供了越多的熱量，必然影響精餾計算。通過改變進料的溫度，研究塔頂液氨純度和塔底稀氨水氨濃度的變化。

3 模擬結果與討論

3.1塔板數的模擬結果

塔板數由3增至10，每次遞增一塊，進料板取塔板數的一半向上圓整處，其它條件不變，研究液氨產品與塔底殘液氨濃度的變化，其結果如表2所示。可見，整體來講，隨塔板數的增加，塔頂液氨產品的純度上升，塔底殘留液氨含量減少，氨的回收率提高。這是由于塔板數越大，氣液傳質越充分，輕組分氨在塔頂的富集程度越高，在塔底的脫除越干凈。當塔板數增至5時，設計規定得到滿足。繼續增加塔板數，液氨產品純度微小變化，殘留液氨含量幾乎不變。當塔板數增加到8塊以上，兩個指標幾乎恒定，塔板數增加的積極作用消失，只會增加設備費用。考慮到給予其它參數足夠的可調范圍，可適度趨大取塔板數為8。

表2 塔板數的模擬結果

3.2加料板位置的模擬結果

確定塔板數為8后，進料板由1逐板變化到8，其它條件不變，研究液氨產品與塔底殘液氨濃度的變化，其結果如表3所示。可見，隨進料位置的下移，液氨產品的氨摩爾濃度首先上升，當在第6塊塔板進料時，達到最大，隨后則下降。受物料平衡的約束，殘留液氨摩爾濃度變化與液氨產品的剛好相反，先降后升，出現最小值。可以認為，第6塊塔板處為最優進料位置。在最優進料板位置進料，并假設全塔液氣比恒定，且取為最下面一塊塔板處的液氣比，得到精餾段操作線和提餾段操作線，如圖2所示，其交點對應的橫坐標xq在0.6~0.7之間。由模擬結果得到，進料板（第6塊）處液相中氨的摩爾濃度為0.65195129/(mol/L)，與xq非常接近。驗證了最優加料 板位置是該板的液相組成最接近xq處的結論。

表3 加料板位置的模擬結果

3.3回流比的模擬結果

由于蒸餾塔的冷凝器為閃蒸塔，回流比R定義為流股4的流量與流股2減去流股4流量之差的比值，即R=F(流股4)/(F(流股2)-F(流股4))。回流比的變化通過調節分流器B2的分流分率實現。塔板數為8，在第6塊塔板處進料，分流器B2對流股5（液氨產品）的分流分率由0.1至0.8，研究產品質量、閃蒸塔能耗及再沸器能耗的變化，其結果如表4所示。可見，增加回流比，液氨產品氨摩爾濃度先增后降，而殘留液的氨摩爾濃度一直增大。說明增加回流比可提高液氨產品的質量，但氨的回收率要下降。這是由于回流高濃度液氨時，抬升了整塔液相的氨摩爾濃度。增加回流比，閃蒸塔所需冷量減少，再沸器的能耗也下降。這是由于增加回流比，增加了物系的氨濃度，而氨濃度越大，物系沸點減小，特別是高濃度區，減小明顯，如圖3所示[14]，整塔溫度便要降低，導致所需能耗下降。可以認為，回流比對產品質量有明顯影響，而對能耗的影響不大。選擇回流比應首先考慮滿足液氨產品的質量，兼顧氨的一次回收率。這樣，可選取回收率為1左右，相對應的分流器對流股5的分流分率為0.4。

表4 回流比的模擬結果

3.4加料熱狀態的模擬結果

由圖3可知，進料組成的泡點溫度約為116℃，露點溫度約為188℃，低于116℃為過冷加料，高于188℃為過熱加料，而高于116℃且低于188℃為氣液混合加料。設置多個溫度點，研究其對產品質量的影響，結果如表5所示。可見，隨進料溫度增加，液氨產品氨摩爾濃度下降，殘留液氨摩爾濃度則上升，也就是說，若要使產品達標，所需塔板數隨進料溫度的增加而增加。這是因為在進行全塔熱量衡算時，塔底加熱量、進料帶入熱量與塔頂冷凝量三者之間有一定關系，當回流比R固定即塔頂的冷凝量不變，進料帶熱愈多，塔底供熱則愈少，塔釜上升的蒸汽量亦愈少，使提餾段的操作線斜率增大，所需塔板數增多。在熱耗一定的情況下，熱量應盡可能在塔底輸入，使氣相回流在全塔發揮作用。因此，進料溫度不宜高，接近泡點的過冷進料為佳，可選擇100℃的進料。

表5 加料熱狀態的模擬結果

3.5靈敏板的確定

一個正常操作的精餾塔當受到某一外界因素的干擾，全塔各板的組成將發生變動，全塔的溫度分布也將發生相應的變化。因此，有可能用測量溫度的方法預示塔內組成尤其是塔頂餾出液組成的變化。仔細分析操作條件變動前后溫度分布的變化，即可發現在精餾段或提餾段的某些板上，溫度變化最為顯著。或者說，這些塔板的溫度對外界干擾因素的反應最靈敏，故將這些塔板稱之為靈敏板。在操作上，根據靈敏板的溫度變化采取調節手段，穩定餾出液組成。通過改變回流比，研究每塊塔板上溫度的變化，變化最大處的塔板即為靈敏板，結果如圖4所示。可見，整塔溫度分布很廣，精餾段溫度較低，提餾段溫度較高。回流比由1變化至3，在第7塊塔板處的溫度變化最大。所以，位于加料板偏下的第7塊塔板為靈敏板。這樣，可以在第7塊塔板處安裝感溫元件，監測組成的波動。

4 結論

通過模擬計算，得出以下結論：塔板數為結構參數，確定后不好改動，宜取大一些；為滿足塔頂產品的高純度，進料位置靠近塔下端有利；回流比較大地影響著產品質量，而對能耗影響較小，應首先考慮滿足產品質量；進料溫度不要太高，接近泡點為佳；靈敏板為進料板偏下位置，可方便預測塔頂產品組成的波動；確定塔板數為8，回流比為1，在第6塊塔板處進料，進料溫度100℃，塔頂液氨產品氨摩爾濃度0.997，塔底殘液氨摩爾濃度0.037，均符合設計規定。

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The Simulation for Ammonia Rectification Columnin Ammonia Rectifying Process

WANG Jian-zhou
(Jiangsu China Nuclear Industry Huawei Enginearing Design&Research Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China)

This paper simulated the ammonia rectification column in ammonia rectifying process by Aspen Plus software as the platform.Through the simulation for stage numbers,feeding stage,reflux ratio and feed heat state, did a research for the influence feature of every parameter.Concluded that a little more stage numbers is better, feeding stage took advantage while approaching the bottom,reflux ratio was fixed on by product quality firstly,feed temperature near bubble point had better.Set stage number 8,feeding stage number 6,feed temperature 100℃, reflux retio 1,sensitive stage 7,got the result of ammonia mole fraction in liquid ammonia from the column top>99.5%, and that of residual liquid from the column bottom<5%,which exactly conformed to design specification.

ammonia rectification column；Aspen Plus；simulation；sensitive stage

1006-4184（2012）05-0029-05

2011-10-24

王劍舟（1983-），男，江西贛州人，華東理工大學碩士畢業，現從事工藝設計工作。