水力學軟件在吸收塔中的應用及分析

朱興松，王余偉，楊如惠

(1.中國石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900;2.中國石化儀征化纖股份有限公司BDO生產中心，江蘇儀征 211900)

BDO生產工藝中馬來酸酐吸收是非常關鍵的工序。儀征化纖BDO裝置的馬來酸酐吸收塔內共有25塊雙溢流浮閥塔板，1～9塊板為循環塔板，16～25塊板為吸收塔板，有效吸收發生在16～25塊塔板處。對反應氣體中的馬來酸酐組分應進行最大程度的吸收，以減少進余熱鍋爐焚燒的馬來酸酐量［1］。為提高吸收塔的操作性能，有必要對該塔進行計算和分析。

精餾塔的計算通常采用軟件進行建模分析計算。通用流程模擬軟件Aspen Plus含有功能詳細的精餾塔熱力學計算模塊，也能進行水力學計算。美國精餾工程研究中心(FRI)是從事精餾技術研究和應用的機構，通過對塔內件包括分布器、塔板、填料等進行水力學和分離能力測試，得出相應的性能評價數學模型，其中以篩板的研究最為充分、完整，計算模型經過驗證比較準確［2］。KG－Tower是由美國科氏－格利奇公司開發出來的集計算校核于一體的塔設計軟件。筆者以BDO裝置馬來酸酐吸收塔為模型，采用Aspen Plus進行塔內熱力學計算，對比分析了Aspen Plus、FRI、KG－Tower 3種軟件的水力學計算結果。

1 概況

馬來酸酐吸收塔的部分結構參數見表1所示。

表1 塔結構參數

馬來酸酐吸收塔主要工藝流程如圖1所示。

圖1 馬來酸酐吸收塔工藝簡圖

如圖1所示，由反應器產生的高溫氣體在吸收塔塔底第1塊板下方進料，經過25塊板后由塔頂去余熱鍋爐。含貧油液體在吸收塔塔頂上方進料，主要用于吸收氣相中的馬來酸酐，塔釜部分液相出料經換熱器返回第10塊板形成中段回流，部分液相出料進下一道工序。

2 塔內熱力學計算

利用Aspen Plus分離單元模型［3］對馬來酸酐吸收塔進行建模分析，得到馬來酸酐吸收塔的塔板氣液溫度與馬來酸酐濃度分布，見圖2所示。

由圖2可知，10～18塊塔板上氣液溫度基本相同，氣相中馬來酸酐濃度迅速下降，吸收主要發生在這9塊塔板上;19～25塊塔板上方氣相中馬來酸酐的含量很小，且變化不大。

圖3為Aspen軟件計算出的馬來酸酐吸收塔各塔板氣液負荷分布圖。

圖3 塔板氣液相負荷

由圖3可知，在第10塊塔板上方進行了中段回流，從而導致液相負荷驟然增大;而氣體作為被吸收相，被吸收的馬來酸酐只占氣體負荷總量的3.2%，因此氣體負荷基本保持不變。

3 塔內水力學計算

利用Aspen plus模擬所得的熱力學數據進行塔板液泛計算。塔液泛可分為噴射液泛和降液管液泛。利用 Aspen Plus、FRI、KG －Tower軟件對塔內第25塊(塔頂)、第10塊(中段回流板)、第1塊(塔釜)塔板進行水力學分析，并比較不同軟件計算之間的差別。

3.1 利用Aspen Plus核算

Aspen Plus軟件得到的水力學計算數據見表2所示。

由表2可知，由Aspen軟件計算出的第25塊、第10塊、第1塊塔板上的噴射液泛數據均小于80%，可初步推斷在這3塊塔板上方沒有發生噴射液泛。但Aspen填寫參數較為簡單，不需要考慮詳細的塔板浮閥類型及結構帶來的影響，計算的水力學數據存在一定的誤差。

表2 塔板Aspen計算結果

3.2 利用FRI核算

FRI需要輸入詳細的結構參數以及氣液相物理性質。將Aspen Plus軟件模擬出的塔的氣液相負荷、表面張力、氣液相粘度，以及塔板結構參數等數據輸入FRI軟件中，液泛計算結果見表3所示。

表3 塔板FRI計算結果

通過表3可知，第25塊板由于液相負荷較小，而氣相負荷較大，從而導致噴射液泛、降液管液泛、液流強度均較小，同時由于液相負荷較小從而導致降液管清液層流速較小;第10塊板由于中段回流的存在，導致液相負荷驟然增大，氣相負荷基本不變，使得噴射液泛、降液管液泛、液流強度均大于塔上部的塔板，而液相負荷的增大導致清液層液體流速加快。根據FRI核算可確定塔內各段不發生噴射液泛、降液管液泛的概率為99.9%，表明不會發生噴射液泛和降液管液泛。

3.3 利用KG－Tower核算

KG－Tower使用比較簡單，只需塔內氣液相負荷、塔徑、浮閥類型、塔盤結構等數據即可初步估算塔內液泛［4］。將Aspen Plus軟件模擬數據導入KG－Tower軟件中，液泛計算結果見表4所示。

從表4中的數據可以看出，第25塊板降液管液泛、液流強度都比第10塊板低，而降液管流速低則導致第25塊板的降液管停留時間較長，與Aspen Plus、FRI模擬結果基本類似。

3.4 3種軟件核算結果對比

由 Aspen Plus、FRI、KG － Tower計算出來的噴射液泛、降液管液泛、降液管流速、降液管停留時間數據見表5所示。

表4 塔板KG－Tower計算結果

表5 3種軟件部分計算結果

從表5可看出，3種水力學計算軟件均表明吸收塔運行在較好的操作范圍內，但Aspen Plus、FRI和KG－Tower在核算吸收塔水力學方面還是存在差異，這是由各軟件采用不同的計算模型而導致的。Aspen Plus可進行液泛因子、降液管流速、降液管停留時間等水力學計算，其中噴射液泛、降液管液泛、降液管流速與FRI核算結果類似，但降液管停留時間相差較大。FRI有美國精餾研究中心提供數據支持，需要填寫詳細的參數，且對浮閥塔有較好的數據支撐，可選擇不同類型、不同質量的浮閥，所計算得到的水力學結果也較全面，且數據輸入輸出界面較為簡潔，方便軟件使用人員快速查找計算結果。KG－Tower作為校核軟件，其操作界面比較簡單，僅需輸入部分氣液相流速及塔板類型就可得到水力學計算數據，但塔板類型可選種類少，特定浮閥只能利用V－1浮閥替代，導致計算結果有偏差。

4 結論

a)計算結果表明，吸收塔運行在較好的操作范圍內;

b)Aspen Plus軟件用途比較廣泛，對熱力學計算比較全面。利用Aspen計算塔內氣液分離、溫度分布、濃度分布等比較準確，但軟件使用較為復雜;FRI對浮閥塔有較好的支持，計算內容較為全面，計算結果誤差較小，但對原始數據要求較高，在實際計算中要做好數據采集工作，適合現場裝置工藝調優時提前對塔進行校核工作;KG－Tower軟件使用較為簡單，數據缺省也較多，適用于數據缺少但對水力學數據要求不嚴格的計算，例如新塔設計、塔內水力學規律研究等場合;

c)對比 Aspen Plus、KG －Tower、FRI這3款軟件，發現FRI在界面友好及數據完整性方面優于其它軟件，建議先利用Aspen進行塔內熱力學計算，計算結果再輸入FRI進行水力學校核。

［1］ 杭君強.BDO裝置降低貧油消耗的方法［J］.合成技術與應用，2013，28(3):40－43.

［2］ 趙仰華.利用FRI軟件分析醋酸脫水塔運轉狀態［J］.應用化工，2007:36(10).

［3］ William L Luyben，Distillation Design and Control Using Aspen Simulation［M］.Canada:JOHN WILEY ＆ SONS，INC.2006:27－85.

［4］ 葛仁祥.KG－TOWER在浮閥塔水力學計算中的應用［J］.醫藥工程設計，2011，32(5).