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        基于Aspen Plus的吡啶與3-甲基吡啶分離模擬

        2020-10-16 06:27:42吳李瑞黃齊華張令偉史清平劉典典李文兵
        安徽化工 2020年5期

        吳李瑞,黃齊華,張令偉,史清平,劉典典,李文兵

        (安徽國星生物化學(xué)有限公司,安徽省雜環(huán)重點實驗室,安徽馬鞍山243100)

        吡啶與3-甲基吡啶具有良好的互溶性,在常壓下,吡啶沸點是115℃,3-甲基吡啶沸點是143℃,兩者沸點相差不大,工業(yè)生產(chǎn)欲分離提純這兩種物質(zhì),需進行精餾操作。

        1 精餾塔的簡捷設(shè)計

        首先用Aspen Plus中的DSTWU模塊簡單設(shè)計精餾塔[1]。為符合生產(chǎn)條件,設(shè)定精餾塔為單股進料1 000 kg/h,進料股中吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,現(xiàn)要求塔頂產(chǎn)品吡啶含量不低于95%,塔底3-甲基吡啶含量不低于80%。在進料股溫度120℃,常壓條件下,操作回流比選取為最小回流比的1.2倍。根據(jù)物料衡算,我們在Aspen Plus中設(shè)置塔頂產(chǎn)品中輕組分吡啶的摩爾回收率為90.5%,重組分3-甲基吡啶的摩爾回收率為88.8%,模擬選用NRTL模型。簡捷法計算結(jié)果如表1所示,初步滿足了塔頂塔底各組分組成要求。

        表1 DSTWU簡捷計算結(jié)果

        2 精餾塔的嚴(yán)格核算

        依據(jù)簡捷法計算的結(jié)果在RADFRAC模塊中進行精餾塔核算。精餾塔的操作壓力為0.1 MPa,120℃進料,物性方法使用NRTL,全塔板數(shù)12塊(包括塔頂冷凝器和塔底再沸器),進料塔板數(shù)為第8塊,回流比為0.958,塔頂餾出液占進料液的分率為0.689,在Aspen Plus中進行模擬,得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 嚴(yán)格核算結(jié)果

        由表2可知,在上述操作條件下,塔頂餾出液中吡啶含量能夠達(dá)到93.9%,塔底餾出液中3-甲基吡啶含量能達(dá)到77.3%。若要將塔頂餾出液中吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到95%,塔底餾出液中3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%,需要對精餾塔進行優(yōu)化。

        為了提高分離效果,降低能耗,以表1數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ),分別以塔底采出3-甲基吡啶和塔頂采出吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、塔頂和塔底熱負(fù)荷為目標(biāo)參數(shù),運用軟件中的Sensitivity模塊分析原料進料位置、回流比以及塔頂采出流量等參數(shù)對分離效果和能耗的影響,尋求更優(yōu)的操作條件。

        2.1 塔板進料位置的影響

        進料塔板數(shù)的不同影響塔板的分離效果以及再沸器和冷凝器負(fù)荷,因此利用原料進料位置對塔底采出中3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔頂中吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù),冷凝器和再沸器熱負(fù)荷做靈敏度分析,其結(jié)果如表3和表4所示,找出最佳的進料位置。

        表3 進料塔板數(shù)與分離效果關(guān)系

        表4 進料塔板數(shù)與塔熱負(fù)荷關(guān)系

        從表3和表4中看出,當(dāng)進料板位置在6~8塊時,分離效果較好,且冷凝器和再沸器總熱能耗較少。進料位置為第7塊時,塔頂采出吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.3%,塔底采出3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.7%,冷凝器負(fù)荷為160.46 kW,再沸器負(fù)荷為161.56 kW。因此確定最佳進料位置為第7塊板。

        2.2 回流比的影響

        在精餾塔操作中,回流比是一個關(guān)鍵參數(shù),直接影響到分離效果和熱負(fù)荷?;亓鞅葘λ撞沙鲋?-甲基吡啶和塔頂中吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù),冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的影響見表5和表6。

        表5 摩爾回流比與分離效果關(guān)系

        表6 摩爾回流比與熱負(fù)荷關(guān)系

        由表5可知,分離效果隨回流比增大而提高,但當(dāng)回流比大于1.1時,回流比對分離效果的影響逐漸趨緩。

        由表6可知,回流比的增加使冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷呈線性增加。當(dāng)回流比為1.1時,塔頂采出吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.0%,塔底采出3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.0%,滿足分離要求。冷凝器負(fù)荷為171.96 kW,再沸器負(fù)荷為173.11 kW,為滿足要求的最小低能耗。

        綜合考慮工藝和經(jīng)濟要求,回流比設(shè)置成1.1較為合適。

        2.3 塔板數(shù)的影響

        精餾塔板數(shù)對精餾塔產(chǎn)品有重要意義,塔板數(shù)越多,精餾效果越好,但能耗越高,因此選擇正確的塔板數(shù)至關(guān)重要,塔板數(shù)對產(chǎn)品的采出影響和能耗見表7和表8。

        表7 塔板數(shù)與分離效果關(guān)系

        表8 塔板數(shù)與熱負(fù)荷關(guān)系

        從表7可知,精餾塔塔板數(shù)在8~14之間,隨著塔板數(shù)的增加,吡啶和3-甲基吡啶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,精餾塔分離效果明顯;塔板數(shù)大于14時,隨著塔板數(shù)的增加,精餾塔的分離效果不顯著,吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在96%,3-甲基吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在80%。

        從表8可知,塔頂冷凝器和塔底再沸器負(fù)荷隨著塔板數(shù)的增加而逐漸降低,當(dāng)塔板數(shù)在8~15之間,隨著塔板數(shù)的增加,冷凝器和塔底再沸器負(fù)荷減少幅度較大;塔板數(shù)大于15時,隨著塔板數(shù)的增加,冷凝器和塔底再沸器負(fù)荷減少幅度較慢。

        因此綜合產(chǎn)品分離效果和設(shè)備能耗,塔板數(shù)為14較為合適。

        3 結(jié)論

        通過上述模擬計算可知,原料進料位置、回流比、塔板數(shù)均能影響精餾塔的分離效率和能耗,需要選擇合適的操作條件,才能滿足生產(chǎn)和經(jīng)濟兩方面的要求。根據(jù)模擬計算結(jié)果,得到的優(yōu)化方案參數(shù)如下:理論塔板數(shù)為14塊,進料位置為第7塊,摩爾回流比為1.1。在優(yōu)化參數(shù)下模擬計算結(jié)果見表9。

        表9 優(yōu)化后計算結(jié)果

        比較表9與表2可知,經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后,塔頂吡啶采出量由93.9%提高到95.8%;塔底3-甲基吡啶采出量由77.3%提高到80.6%。塔頂冷凝器的熱負(fù)荷增加11.2 kW,塔底再沸器的熱負(fù)荷增加11.3 kW;在熱負(fù)荷增加約7.0%的條件下,精餾塔能夠滿足產(chǎn)品的分離要求。

        本文對吡啶和3-甲基吡啶的精餾塔操作條件進行了靈敏度分析,確定較優(yōu)的操作參數(shù),提高了精餾塔的操作彈性和分離效果。

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