甲醇常壓精餾塔的模擬與分析

黃建平，趙　凌

(安陽工學院，河南　安陽　455000)

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甲醇常壓精餾塔的模擬與分析

黃建平，趙凌

(安陽工學院，河南安陽455000)

應用化工流程模擬軟件Aspen Plus對甲醇精餾流程中的常壓塔進行模擬計算。先以甲醇為輕組分，水為重組分，由DSTWU模塊對常壓塔進行簡捷模擬計算，得出塔板數、回流比、進料位置等操作參數。再利用RadFrac模塊進行嚴格計算，并對其回流比和進料位置等操作參數進行優化，進而得到優化參數。優化后產品的質量與產量均有提高，能耗下降。

甲醇；精餾；優化

Aspen Plus是一款功能強大的集化工設計、動態模擬等計算于一體、具有準確單元操作模型和最新計算方法的大型通用流程模擬軟件，由美國Aspen Tech公司研發，是唯一能處理帶有固體、電解質、生物質和常規物料等復雜體系的流程模擬系統[1]。自從1981年推出以來，它用嚴格和最新的計算方法，進行單元和全過程的計算，為企業提供準確的單元操作模型，還可以評價已有裝置的優化操作或新建、改建裝置的優化設計。它具有50多個單元操作模塊和80多個物性和熱力學模型,有多個數據庫,為Aspen Plus的準確模擬提供了依據[2]。由于其功能強大，模擬準確，使用方便等特點，而廣泛用于過程模擬和優化。采用Aspen Plus化工模擬計算軟件對甲醇精餾流程進行模擬和分析，對提高大型煤化工甲醇精餾行業的經濟效益具有重要意義[3]。

在世界基礎有機化工原料中，甲醇消費量僅次于乙烯、丙烯、苯，居第四位。生產甲醇的原料可以是天然氣、煤炭、焦炭、渣油、石腦油、乙炔尾氣等。甲醇是重要的化工基礎原料和清潔液體燃料，廣泛應用于有機合成、染料、醫藥、農藥、涂料、交通和國防等化學工業和能源工業中。甲醇是除合成氨之外，唯一由煤經氣化和天然氣經重整而大規模合成的化學品，是重要的一碳化工基礎產品和有機化工原料，是近年來煤化工和天然氣化工的主要產品。隨著甲醇衍生物及其下游產品的迅速發展，甲醇需求量也越來越大，因此甲醇產品質量和甲醇裝置的節能降耗越來越引起人們的關注[4]。甲醇精餾裝置是甲醇生產的重要后處理工序，其能耗占甲醇生產總能耗的20%左右。甲醇精餾技術的優劣直接決定著甲醇產品的質量及甲醇生產能耗的高低。故本文以甲醇精餾流程中的常壓塔為對象[5]，利用Aspen Plus軟件進行模擬、優化、分析。

1　甲醇精餾流程

圖1　甲醇精餾流程圖

粗甲醇含有十幾種組分，需先進行預處理，所以原料進入塔B1預分離，預分離塔的作用是分離出原料中H2、N2、CH4、CO2等比甲醇輕的組分，甲醇及其他重組分以釜液形式流出預分離塔，經過泵加壓后進入加壓塔B2。加壓塔塔頂產品為精甲醇，剩余甲醇及其他重組分作為釜液流出，作為中壓塔B4進料。中壓塔塔頂產品為精甲醇，釜液流入常壓塔B5繼續進行分離。常壓塔塔頂產品也為精甲醇，釜液排出廢水。

2　進料組分與組成

表1　常壓塔原料組成及分離要求

粗甲醇原料中含有十余種組分，經過預分離塔后由塔頂脫去輕組分雜質，塔底釜液進入高壓塔、中壓塔和常壓塔進一步精制。因為B2和B4兩塔塔頂精甲醇產品的純度都達到0.999wt%，而常壓塔塔頂產品的純度越高，混合后甲醇產品的純度將會越高，故規定常壓塔塔頂甲醇產品的分離要求為0.997wt%。進入常壓塔的原料中包含的組分與組成及分離要求如表1。

3　常壓塔模擬

根據表1設計條件，利用DSTWU模塊對常壓塔進行簡捷模擬計算，以甲醇為輕關鍵組分、水為重關鍵組分，物性方法選擇UNIFAC方法，經簡捷計算可得常壓塔的操作參數：共40塊塔板，塔頂冷凝器為第1塊塔板，塔釜為第40塊塔板，進料位置在第27塊塔板，摩爾回流比為0.55，塔頂壓力為1atm。再根據簡捷計算結果利用RadFrac模塊進行嚴格模擬。模擬結果見表1(只列出塔頂與塔釜各3塊塔板)和圖2。

從模擬結果可以看出，甲醇在塔頂餾出液中的質量分數為0.9775，還沒有達到0.997。同時得到塔頂餾出液流量為53117.55 kg/h。

表1　各組分在各板上組成分布　(wt%)

圖2　甲醇、水組成分布

4　回流比優化

因為塔頂產品中甲醇的質量分數未達到規定的要求，需進行優化。在普通精餾塔中，可通過提高回流比的方法增大塔頂易揮發組分的組成，故現利用Aspen Plus的設計規定功能，對常壓塔的回流比進行優化。

規定塔頂產品中甲醇的質量分數為0.997，規定回流比變化范圍為0.55～2。經過設計規定模擬計算，得回流比為0.89，組成結果見表2和圖3。

表2　R=0.89時各組分在各板上組成分布　(wt%)

圖3　R=0.89時甲醇、水組成分布

從表2可以看出塔頂產品中甲醇的質量分數已經達到0.997，滿足規定的分離要求。同時得到新的塔頂餾出液流量為53777.55 kg/h高于原流量53117.55 kg/h。說明R=0.89時，不僅塔頂產品符合要求，產品的產量也有所提高。此時，塔釜再沸器的熱負荷為28663.28 kW。

5　靈敏度分析

經過設計規定計算出新的回流比之后，精餾塔再沸器熱負荷發生變化，而進料位置的變化也會使再沸器熱負荷發生變化，為了使再沸器熱負荷降低，可對進料位置進行優化。

在此對進料位置和塔板數對再沸器熱負荷的影響進行靈敏度分析，從而確定最佳的進料位置與塔板數。

在靈敏度分析工具下，定義再沸器熱負荷，操縱變量為塔板數和進料位置。定義塔板數從35增加到40，增量為1，進料位置從20變到30，增量為1。模擬結果見圖3。

從模擬結果可得，當理論板數為40，進料位置為22時，再沸器熱負荷最小，為25739.2756 kW(即圖3中22.131794 Gcal/h)。

圖3　不同理論板數時再沸器熱負荷隨進料位置的變化

6　結　論

利用RadFrac模塊對甲醇精餾流程中的常壓塔進行模擬計算與優化，優化后理論板數40塊，進料位置從27塊調整到22塊，操作回流比由0.55調整為0.89。餾出液流量由53117.55 kg/h增加到53777.55 kg/h，再沸器熱負荷從28663.28 kW降低到25739.2756 kW。優化后產品的質量與產量均有提高，能耗下降。

[1]孫蘭義.化工流程模擬實訓—Aspen Plus教程[M].化學工業出版社,2012:2.

[2]李清元,史賢林.ASPEN PLUS在甲醇加壓精餾塔中的應用[J].安徽化工,2008,34(3):30.

[3]譚恒俊.淺談大型煤化工甲醇精餾過程模擬與仿真[J].中國石油和化工標準與質量,2012,33(10):21.

[4]劉兵,駱樂.甲醇精餾過程的模擬及優化[J].廣東化工,2012,39(6):201-202.

[5]黃風林,向小鳳.甲醇精餾過程四塔流程模擬分析[J].石油與天然氣化工,2007,36(1):18-21.

Simulation and Analysis of the Normal Pressure Column in Methanol Distillation Process

HUANG Jian-ping,ZHAO Ling

(Anyang Institute of Technology,Henan Anyang 455000,China)

The normal pressure column in the methanol distillation process was simulated and calculated by using chemical process simulation software Aspen Plus.The DSTWU module was used to simulate calculate the normal pressure column by taking methanol as the light component and water as the heavy component,and the results such as the stage number,reflux ratio,feed stage and other operating parameters were got.The RadFrac module was used to the strict calculation,the operation parameters were optimized and the optimized parameters were obtained.After optimization,the quality and output of the products were improved,and the energy consumption was decreased.

methanol;distillation;simulation

黃建平(1978-)，男，安陽工學院化學與環境工程學院，碩士，講師，主要從事化工過程計算機模擬方面的研究。

TQ223.1

A

1001-9677(2016)04-0134-03