張德志

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

甲醇-苯胺-水物系精餾塔的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)

張德志

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

本文利于Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)甲醇-苯胺-水物系精餾分離進(jìn)行了模擬，通過模擬計(jì)算，得出了該精餾塔的最佳操作參數(shù)：理論板數(shù)為26、進(jìn)料位置為第19塊理論板、最佳回流比為4.2、采出比D∶F為0.098，為精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

精餾；Aspen Plus；模擬計(jì)算；甲醇

甲醇作為一種重要的原料，在石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，而且甲醇的純度對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響較大[1-2]，另外，分離得到的重組分中的甲醇含量對(duì)物料的后續(xù)處理起到關(guān)鍵作用。精餾作為一種常用的工藝分離方法在甲醇的分離提純中獲得廣泛的應(yīng)用，精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)可大大提高產(chǎn)品的純度并降低生產(chǎn)能耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計(jì)要求

本文就某企業(yè)生產(chǎn)過程中某工序產(chǎn)生的甲醇-苯胺-水精制系統(tǒng)為模擬依據(jù)，就其中的甲醇苯胺分離塔進(jìn)行模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)[3-4]，以期達(dá)到分離要求，獲得精餾塔的最佳操作和設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 原料參數(shù)及分離要求

1)精餾塔的進(jìn)料量F=28800kg/h，組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：甲醇10%，苯胺62%，水28%。

2)要求塔頂采出的甲醇的純度≥99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，循環(huán)利用；塔釜的甲醇含量≤0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，以便后續(xù)苯胺和水的分離。

3 結(jié)果與討論

3.1 理論板數(shù)的確定

為達(dá)到分離要求，利用Aspen Plus中的精餾塔簡(jiǎn)捷計(jì)算模塊DSTWU對(duì)不同理論板數(shù)所需要的回流比進(jìn)行分析，得到如圖1所示的關(guān)系圖。由圖1可知，隨著理論板數(shù)的增加，要達(dá)到一定的分離要求需要的回流比逐漸減小，當(dāng)理論板數(shù)大于26塊時(shí)，回流比的變化已不明顯，相反再增加理論板數(shù)反而會(huì)使塔的設(shè)備費(fèi)用提高。綜合考慮，確定塔的理論板數(shù)為26(包括冷凝器和再沸器)。

圖1 理論板數(shù)與回流比的關(guān)系Fig.1 Relationship between theoretical plate number and reflux ratio

3.2 最佳進(jìn)料位置的確定

最佳的進(jìn)料位置可以使分離所需的能耗最小并獲得最高的產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過Aspen Plus中的靈敏度分析，模擬得到進(jìn)料位置與塔頂、塔釜甲醇含量以及冷凝器、再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系，如圖2和圖3。由圖2可以看出隨著進(jìn)料位置下移塔頂甲醇含量先增加后減小，塔釜甲醇含量先減小后增加，在第19塊理論板處塔頂和塔底分別達(dá)到最佳的分離效果；同時(shí)由圖3可以看出，隨著進(jìn)料位置下移，塔頂和塔底的所需要的能耗均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且在第19塊理論板處所需能耗最小。綜合考慮，確定第19塊理論板為最佳進(jìn)料位置。

圖2 進(jìn)料位置與塔頂、塔釜甲醇含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between feed location and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

圖3 進(jìn)料位置與冷凝器、再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系Fig.3 Relationship between feed location and heat duty of condenser and reboiler

3.3 塔頂采出比的確定

圖4 采出比與塔頂、塔釜甲醇含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between distillate of feed ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

塔頂采出比(D∶F)直接關(guān)系到塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)量及純度。通過靈敏度分析，模擬得到采出比與塔頂、塔底甲醇含量關(guān)系，如圖4。由圖4可以看出隨著采出比的增大，塔頂甲醇含量先基本不變后逐漸減小，塔底甲醇含量先逐漸減小后基本不變，當(dāng)采出比為0.097時(shí)，塔頂、塔底甲醇含量能滿足工藝要求。

3.4 回流比的確定

回流比是精餾分離的重要參數(shù)，回流比的變化直接影響塔頂、塔釜產(chǎn)品組成及冷凝器和再沸器的負(fù)荷。增加回流比可以在一定范圍內(nèi)提高產(chǎn)品純度，但會(huì)使塔的能耗增加。本文通過靈敏度分析得到回流比與塔頂、塔底甲醇含量的變化關(guān)系，如圖5。由圖5可以看出，隨著回流比的增大，塔頂甲醇含量先增加后趨于穩(wěn)定，塔底甲醇的含量先減小后趨于穩(wěn)定，且在回流比R≥4.15時(shí)，塔頂和塔底甲醇含量均能滿足工藝要求，綜合考慮能耗問題，確定最佳回流比為4.15。

圖5 回流比與塔頂甲醇含量、塔釜甲醇含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between reflux ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

通過以上單因素模擬計(jì)算、分析，該甲醇分離塔的最佳操作參數(shù)為：理論板數(shù)N=26(含冷凝器和再沸器)、進(jìn)料位置NF=19，回流比R=4.15，采出比D∶F=0.097。

4 多因素分析

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 1 Results of orthogonal experiments

基于以上單因素分析結(jié)果，本文引入多因素正交試驗(yàn)分析方法[5]，對(duì)該塔進(jìn)行多因素分析。

本文選用3因素3水平正交試驗(yàn)表，以塔頂和塔釜總的熱負(fù)荷作為考察對(duì)象。選擇的3因素分別為回流比R、進(jìn)料位置NF和采出比D∶F。選取回流比R的三個(gè)水平分別為4.1、4.15和4.2；選取進(jìn)料位置NF的三個(gè)水平分別為17、18、19；選取采出比的三個(gè)水平分別為0.096、0.097和0.098。通過各因素各水平之間的組合、計(jì)算得到分析結(jié)果，見表1。

由表1可知，各因素的極差R大小順序?yàn)镽>D∶F>NF，由此可見，在給定的各水平范圍內(nèi)，回流比對(duì)塔負(fù)荷的影響最大，其次是采出比，進(jìn)料位置影響最小。且通過該多因素分析可以得到塔的最佳操作參數(shù)是：進(jìn)料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

5 結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)模擬，分別采用單因素和多因素分析方法，得到該甲醇分離塔的最佳操作參數(shù)為：理論板數(shù)N=26(含冷凝器和再沸器)、進(jìn)料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

[1] 常 虹，王永勝，王東巖，等. 甲醇精餾系統(tǒng)模擬與優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2010，27(9)：1283-1288.

[2] 曹會(huì)敏，范智勇，張國(guó)民，等. 甲醇精餾的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 化工裝備技術(shù)，2012，33(4)：48-50.

[3] 唐錦文. 甲醇精餾工藝模擬計(jì)算及分析[J]. 化工設(shè)計(jì)，2006，16(2):13-17.

[4] 羅 青，孫長(zhǎng)江. 苯胺精餾過程優(yōu)化模擬系統(tǒng)[J]. 化工科技，2004，12(2)：50-53.

[5] 杜守成，董宏光，肖 武. 基于正交數(shù)值試驗(yàn)的精餾過程參數(shù)的優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26(8):989-992.

(本文文獻(xiàn)格式：張德志.甲醇-苯胺-水物系精餾塔的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)[J].山東化工,2017,46(5):122-124.)

Simulation Design of Methanol -Aniline-Water Distillation Column with Computer

ZhangDezhi

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.,Ltd., Jinan 250101,China)

In this paper, medium with Methanol-Aniline-Water is simulated with software Aspen Plus. The following optimal operating parameters were obtained according to the simulation∶ number of theoretical plate 26, feed location 19, reflux ratio 4.2 and distillate to feed ratio 0.098. These parameters give the theoretical basis for the design of column structure and the process.

methanol distillation;aspen plus;simulate calculation

2017-01-19

張德志(1989—)，男，山東嘉祥人，助理工程師，碩士學(xué)位，主要從事化工工藝、系統(tǒng)方面的研究、設(shè)計(jì)工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0122-03