溫志堅(jiān) 程建芳 顧偉鋒
(浙江新和成股份有限公司,浙江 新昌 312500)
Advanced System for Process Engineering簡稱Aspen,是在1976~1981年由MIT主持、能源部贊助、55個(gè)高校和公司共同參與開發(fā)的一款基于序貫?zāi)K法的穩(wěn)態(tài)模擬軟件。
Aspen Plus擁有最完善的物性數(shù)據(jù)庫、包含有近6000種純組分的物性數(shù)據(jù),擁有強(qiáng)大的熱力學(xué)物性計(jì)算系統(tǒng),以及各種單元操作模塊。Aspen Plus在整個(gè)工藝裝置從研發(fā)、工程到生產(chǎn)的生命周期中,提供了經(jīng)過驗(yàn)證的巨大的經(jīng)濟(jì)效益。它將穩(wěn)態(tài)模型的功能帶到工程桌面,傳遞著無與倫比的模型功能和方便使用的組合。
Aspen Plus已廣泛地應(yīng)用于工廠設(shè)計(jì)、工藝方案比較、老裝置改造、裝置標(biāo)定、開車指導(dǎo)、可行性研究、脫瓶頸分析、工程技術(shù)人員和操作人員的培訓(xùn)等領(lǐng)域,協(xié)助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)裝置,降低生產(chǎn)成本和操作費(fèi)用,以及節(jié)能降耗等,以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
公司在生產(chǎn)產(chǎn)品的過程中,每天會產(chǎn)生近35t的廢醋酸混合溶劑,為了降低生產(chǎn)成本,需要從上述混合溶劑中提純醋酸進(jìn)行套用。從節(jié)約投資方向考慮,準(zhǔn)備利用原有閑置精餾塔進(jìn)行改造,應(yīng)用Aspen Plus軟件對精餾過程進(jìn)行模擬計(jì)算,判定塔的改造方式以及尋找合適的操作條件。
原閑置塔的參數(shù)為塔徑φ1200mm,提餾段高度為3000mm,精餾段高度為3000mm,填料為BX陶瓷板波紋填料.
要求塔的處理能力滿足進(jìn)料量為1500kg/h的廢醋酸溶液。廢醋酸溶液的組份分別為64%(w%)醋酐、34%(w%)醋酸及2%(w%)腳料(主要為硬脂酸丁酯)。通過精餾塔回收,使塔頂?shù)拇姿岷俊?8%,進(jìn)而進(jìn)行套用。
工藝流程見圖1。
圖1 醋酸精餾工藝流程示意圖
Aspen Plus中有DSTWU、Distl、RadFrac、Batchsep等塔模型來計(jì)算和模擬精餾塔,其中RadFrac是一個(gè)嚴(yán)格的用于模擬各種類型的多級汽液分餾操作的模型,可以同時(shí)聯(lián)解物料平衡、能量平衡和相平衡關(guān)系,用逐板計(jì)算方法求解給定塔設(shè)備的操作結(jié)果。因此選取此模塊進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)態(tài)模擬。
一般在相平衡模擬計(jì)算中常用的活度系數(shù)模型有WILSON方程、NRTL方程等。NRTL方程在表示二元和多元的汽液平衡方面是相當(dāng)好的,能有效的關(guān)聯(lián)化學(xué)品系統(tǒng)在低壓下的性質(zhì),適用于完全互溶和部分互溶體系,同時(shí)能夠準(zhǔn)確的模擬非理想溶液汽液和液液平衡。
利用Aspen Plus中的模塊庫,選擇RadFrac模塊,定義流程涉及組分,選擇熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法,輸入進(jìn)料條件和產(chǎn)品條件。
利用RadFrac模型帶有內(nèi)部的設(shè)計(jì)規(guī)定功能,通過設(shè)計(jì)規(guī)定(Design Specs):塔頂出餾物中醋酸含量≥98%;變化(Vary):回流比從0.5~3.5自動計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖2,從圖中可看到Reflux Ratio=2.68時(shí),比較合理。
通過逐板計(jì)算,可以得出R=2.68時(shí),塔內(nèi)的溫度分布、塔內(nèi)氣相組成、塔內(nèi)液相組成,見圖3~圖6。
圖3 R=2.68塔內(nèi)壓力分布
圖4 R=2.68塔內(nèi)溫度分布
從圖3中可以看到,R=2.68時(shí),塔頂壓力為Ptop=0.2bar,塔釜壓力為Pbottom==0.258bar。從圖4中可以看到,R=2.68時(shí),塔頂溫度為Ttop=76.3℃、塔釜溫度為Tbottom=102.9℃。
圖5 R=2.68塔內(nèi)液相組成
圖6 R=2.68塔內(nèi)氣相組成
從圖5~圖6中分別可以看到,R=2.68時(shí),塔頂出料組成,醋酸含量(w%)=98%醋酐含量(w%)=2%。
(1)該塔經(jīng)工程安裝投產(chǎn)后,實(shí)際操作數(shù)據(jù)為塔釜控制溫度100℃,塔頂操作壓力0.2bar,塔頂醋酸含量為98.1%,將實(shí)際記錄的操作數(shù)據(jù)與模擬值(98%)進(jìn)行比較,數(shù)據(jù)吻合良好。
(2)通過實(shí)踐證明,采用Aspen軟件中的NRTL模型能夠很好的適用于醋酸-醋酐汽-液平衡體系。
(3)回流比變化,塔板溫度、熱負(fù)荷、醋酸濃度都發(fā)生變化,在滿足醋酸質(zhì)量的情況下,可以通過調(diào)節(jié)回流比來模擬操作工況,以便確定更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定的操作條件,對實(shí)際生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)作用。
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