常壓甲醇精餾塔的Aspen Plus模擬

高 懷 ， 曹志華

(湖南百利工程科技股份有限公司 ， 湖南 岳陽 414007)

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常壓甲醇精餾塔的Aspen Plus模擬

高 懷 ， 曹志華

(湖南百利工程科技股份有限公司 ， 湖南 岳陽 414007)

對甲醇精餾塔進行了建模及分析，研究了精餾塔回流比與塔板數之間的相互變化關系，精餾塔回流比和塔板數的變化對塔頂產品純度的影響，以及精餾塔在有無側線采出時產品純度的變化。表明當精餾塔回流比為3，理論板數為30，側線采出物料在第23塊塔板時，常壓精餾塔可產出工業用甲醇一級品標準的精甲醇產品，同時本文也給出了本工況下的最小回流比及最小理論板數。

精餾塔 ； 甲醇 ； Aspen Plus

0 前言

流程模擬是依據化工過程中的工藝參數及流程，利用計算機模擬軟件來模擬實際的化工生產過程，這種模擬再現不涉及實際中的任何物料和設備管道，因此這給技術人員帶來很大的自由度，可以某種程度上不受制于現實中的人力、財力和物力等資源的配置。目前過程模擬已經成為研發、設計及生產改造過程中不可缺少的工具，在化工工業生產中起著越來越重要的作用[1-3]。化工過程模擬軟件中應用較廣泛的就是Aspen Plus軟件，Aspen Plus軟件是美國Aspen Tech公司20世紀80年代推向市場的。它是一款功能強大的世界上公認的標準化大型化工流程模擬軟件，是基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價的化工軟件[4]。

精餾是石油化工行業中應用最廣泛的分離操作之一，是分離液體混合物的一種重要的化工單元操作，石油化工行業又是整個化工行業中能耗最大的[5-6]。由于精餾操作過程中能耗較高且熱力學效率又不高，因此該過程一直被作為重要的課題在研究，也一直是化工設計中的重要環節[7]。伴隨著各種能源價格的不斷上漲，精餾操作過程的節能在化工行業節能中占據越來越重要的地位[8]。為了達到產品純度及經濟效益的預期目的，在精餾塔的設計和校核過程中，研究者們在不斷地尋找精餾塔的合適設計條件及操作條件，分析當某一操作條件改變時精餾塔的分離效果變化。本文將利用Aspen Plus流程模擬軟件對甲醇常壓精餾塔進行模擬與分析。

1 甲醇常壓精餾塔模型的建立

甲醇是C1化工的母體，其下游產品廣泛應用于化工石化醫藥等領域。目前大部分甲醇生產企業都采用三塔精餾工藝流程來代替傳統的雙塔工藝流程，即采用預精餾塔、加壓精餾塔和常壓塔。粗甲醇首先被送入預精餾塔中部進行預精餾；預精餾后的粗甲醇由預塔底出來，再經加壓塔進料泵加壓后通過加壓塔預熱器被送至加壓精餾塔中部進行精餾，加壓塔塔頂甲醇蒸氣進入常壓塔再沸器作為常壓精餾塔的塔底熱源，并產生一部分精甲醇，由加壓塔塔底排出的甲醇溶液經過加壓塔進料預熱器換熱后送往常壓精餾塔；常壓精餾塔塔頂產生的甲醇蒸氣經冷凝后成為精甲醇。

甲醇精餾過程中，利用加壓塔塔頂甲醇蒸氣的冷凝熱作為常壓塔塔底再沸器的加熱源，從而使整個甲醇精餾工段的能耗減少。甲醇精餾工段中，大約有60%的成品精甲醇是由常壓精餾塔制得的，因此常壓精餾塔裝置是保證甲醇產品純度、提高原料利用率、節能減排的關鍵設備[9-10]。現以某企業生產規模為年產30萬t的甲醇三塔精餾裝置中的常壓塔作為研究對象，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus對其進行模擬。該項目常壓精餾塔粗甲醇進料的主要成分(質量分數)如表1所示，進料流量為32 200 kg/h，進口物料溫度為110 ℃，塔頂精餾出甲醇成品22 485 kg/h，產品中精甲醇質量滿足國標GB338-2011《工業用甲醇》一級品的要求，即甲醇純度達到99.93% 以上。

表1 常壓精餾塔粗甲醇進料組成

根據粗甲醇進料條件及產品要求等設計條件，首先利用Aspen Plus模擬軟件中精餾塔的簡捷設計模塊DSTWU 對甲醇常壓精餾塔進行模擬計算，流程簡圖如圖1所示。其中以甲醇為輕關鍵組分，水為重關鍵組分，選用的物性方法為UNIFAC方法，經簡捷計算可得甲醇常壓塔的設計參數為: 總塔板數為30塊，塔頂冷凝器為第1塊塔板，粗甲醇進料位置在精餾塔的第21塊塔板上，塔頂質量回流比為3，塔頂壓力為105 kPa。然后再依據簡捷計算結果，利用 Aspen Plus軟件中的精餾塔嚴格計算模塊RadFrac對常壓塔進行了嚴格模擬計算。

圖1 簡捷設計模塊DSTWU模擬

2 甲醇常壓精餾塔的模擬分析

2.1 甲醇常壓精餾塔回流比對塔板數的影響

化工精餾塔的經濟研究分析中，一般總費用包括操作費用和設備費用兩部分，回流比增加則意味著操作費用的增加，精餾塔板數決定著設備投資部分的費用。為了找到合適的回流比對應的理論塔板數，在保持其他工況條件不變(粗甲醇進口板位置和精餾塔總理論板數的比值保持恒定)，對精餾塔回流比與塔板數之間的相互關系進行靈敏度分析，模擬結果如圖2所示。從圖2中可見，回流比隨塔板數的增加而減少，塔板數較少時變化較大，塔板數較大時回流比趨于穩定。模擬結果也顯示本工況的最小回流比約為0.6，最小理論塔板數為20。在實際工況中要找到合適的回流比對應的理論塔板數，使其相互適應才能取得較佳的經濟效益。

圖2 塔板數隨回流比的變化趨勢

2.2 甲醇精餾塔回流比及塔板數與甲醇純度的相互影響

在精餾塔的生產操作過程中，回流比是影響精餾操作費用的一個重要因素。在保持其他工況條件不變的情況下，利用模擬軟件對甲醇常壓塔進行嚴格精餾模擬，并用靈敏度分析模塊對其進行分析，模擬結果顯示：隨著回流比的增大，塔頂產品純度在提高，回流比較小時變化較迅速，在回流比為1.5后塔頂餾出甲醇純度變化趨勢開始變緩，特別是回流比增大到一定程度，塔頂產品純度將趨于穩定。另外，當回流比為3塔頂甲醇質量純度為99.930 17%，滿足了工業用甲醇一級品的要求。回流比的增加，塔頂產品純度可以得到提高，但這也不可避免地增加了精餾塔塔釜的熱負荷，這也意味著精餾塔能耗的增加，甚至需要犧牲塔頂產品的產量，因此回流比應根據實際工況控制在一定范圍內。

為了分析精餾塔塔板數對塔頂餾出物料甲醇產品純度的影響，通過甲醇常壓塔的嚴格精餾模擬，且利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對其進行了分析模擬，分析結果見圖3。

圖3 理論塔板數隨甲醇純度的變化趨勢

從圖3可知，在保持其他工況條件不變的情況下(粗甲醇進口板位置和精餾塔總理論板數的比值保持恒定)，隨著精餾塔理論板數的增加，塔頂產品的甲醇純度逐漸升高，25塊塔板以后變化開始變緩，65塊塔板以上甲醇純度變化趨勢更加緩慢。這說明隨塔板數的增加，塔頂、塔底分離得更好，塔頂采出組分變得更輕，塔釜采出變重，即采出純度更高。由模擬數據結果可知，當甲醇常壓精餾塔理論板數為30時，塔頂產品甲醇質量純度為99.930 2%，已達到了工業用甲醇一級品的要求。

2.3 有側線采出時甲醇精餾塔的模擬分析

為了提高甲醇產品的質量等級要求，除滿足其質量純度≥99.93%外，乙醇等輕組分在甲醇中的含量也應較低。大部分研究者嘗試采取在常壓塔側線的適當位置對物料進行采出，以排除乙醇等雜質來減少其在塔頂產品甲醇中的含量。在其他工況不變的情況下，利用模擬軟件在第23塊塔板的位置進行側線采出物料的流程模擬。側線采出精餾塔及未設側線采出精餾塔的塔頂產品甲醇及乙醇質量含量對比見表2。從模擬結果可知，在其他工況相同的情況下，有側線采出的精餾塔的塔頂產品中乙醇含量要低一些。

表2 有無側線采出精餾塔甲醇乙醇含量對比 %

3 結語

由甲醇常壓精餾塔的模擬分析，針對本工況可得出以下結論：當精餾塔理論板數設為30塊，回流比為3，粗甲醇進料位置為第21塊塔板，側線采出物料在第23塊塔板時，精餾塔頂部可產出滿足工業用甲醇一級品要求的精甲醇產品；模擬過程中也發現本工況最小回流比約為0.6，最小理論塔板數為20。在實際具體的工況中要找到合適的回流比對應的理論塔板數，且使它們之間相互適應，這樣才能取得最佳的經濟效益。

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2017-03-27

高 懷(1984-)，男，工程師，注冊化工工程師，從事石油化工工程設計工作，電話：18573005034。

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