三塔甲醇精餾流程的模擬與優(yōu)化王永勝;劉志丹【摘要】運用Aspenplus軟件搭建甲醇精餾三塔模擬流程.設(shè)定合適的參數(shù)保證加壓塔頂冷凝器熱負(fù)荷和常壓塔釜再沸器熱負(fù)荷相匹配，兩塔實現(xiàn)雙效精餾，能量得到集成利用利用設(shè)計靈敏度分析工具對塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比和D/F等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定合理的運行和操作條件，為工廠的實際生產(chǎn)提供參考和指導(dǎo).模擬與優(yōu)化結(jié)果表明:三塔流程生產(chǎn)的精甲醇的純度可以達(dá)到99.9%以上，滿足國標(biāo)精甲醇質(zhì)量指標(biāo).【期刊名稱】《化肥設(shè)計》【年(卷)，期】2019(057)003【總頁數(shù)】4頁(P13-16)【關(guān)鍵詞】甲醇精餾;流程模擬;設(shè)計優(yōu)化【作者】王永勝瀏志丹【作者單位】哈密廣匯環(huán)?？萍加邢薰?，新疆哈密839303；哈密廣匯環(huán)保科技有限公司，新疆哈密839303【正文語種】中文【中圖分類】TQ223.121甲醇是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，也是性能優(yōu)良的能源，可以用于生產(chǎn)二甲醚、甲醛、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品，也可生產(chǎn)甲醇燃料電池、汽油辛烷值助推劑等。目前，國內(nèi)夕卜生產(chǎn)甲醇的技術(shù)或?qū)＠毯芏?，國外甲醇技術(shù)主要有莊信萬豐（Davy公司）、德國Lurgi、丹麥Tops^e和瑞士casele公司技術(shù)等，國內(nèi)甲醇技術(shù)主要有華東理工大學(xué)、南京國昌、四川天一等公司，這些技術(shù)均應(yīng)用比較廣泛。無論采用哪種工藝技術(shù)，甲醇合成工序生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)品都是粗甲醇（甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在85%~95%）,除了水還含有醚、酮、酯等雜質(zhì)，為了滿足甲醇的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，必須對粗甲醇進(jìn)行精制。甲醇精餾過程所需能耗占甲醇生產(chǎn)總能耗的10%-20%，降低甲醇精餾過程的能耗，對于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。1甲醇精餾技術(shù)粗甲醇的精制一般采用精餾法。現(xiàn)代甲醇精餾法主要依據(jù)甲醇生產(chǎn)規(guī)模、甲醇精餾消耗、甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量以及精餾投資而綜合考慮選擇不同的甲醇精餾工藝流程，常見的有單塔流程、雙塔流程、三塔流程等。單塔流程即用一個精餾塔來精餾甲醇，但是該方法得到的甲醇純度較低、回收率不高，一般用來生產(chǎn)燃料級甲醇或MTO級甲醇。雙塔流程設(shè)置預(yù)精餾塔和產(chǎn)品塔兩個精餾塔。預(yù)精餾塔除去輕組分和氣體，產(chǎn)品塔產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品。雙塔流程簡單，產(chǎn)出的甲醇能夠滿足工業(yè)使用。但收率低，能耗也相對較大，一般適用于小規(guī)模生產(chǎn)，常見于傳統(tǒng)的氨醇聯(lián)合生產(chǎn)流程。三塔流程采用預(yù)分離塔、加壓塔和常壓塔三個精餾塔，在預(yù)分離塔中除去沸點低于甲醇沸點的雜質(zhì)，在加壓塔、常壓塔中除去沸點高于甲醇的雜質(zhì)，同時采出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的精甲醇［1］。將塔頂較高溫度的甲醇蒸氣作為常壓塔再沸器的熱源，無需設(shè)置常壓塔再沸器，這樣就節(jié)約了蒸汽。加壓塔頂冷凝的甲醇作為產(chǎn)品輸出，塔底液作為常壓塔進(jìn)料。常壓塔頂產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品，塔底產(chǎn)出廢水和重組分。三塔流程的設(shè)計實現(xiàn)了雙效精餾，可以有效地降低精餾過程中所需的能耗，是現(xiàn)代甲醇工業(yè)應(yīng)用最廣泛的精餾工藝。典型的甲醇精餾三塔流程見圖1。圖1典型的甲醇精餾三塔流程2模型建立本文依據(jù)三塔雙效甲醇精餾流程，通過Aspenplus建立模型。以表1典型粗甲醇組分為輸入數(shù)據(jù)，通過Aspenplus程序的靈敏度分析工具、設(shè)計規(guī)定工具來設(shè)計、優(yōu)化各個精餾塔的操作參數(shù)。在確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足GB338—2011工業(yè)甲醇中優(yōu)等品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時，實現(xiàn)甲醇精餾的能量集成利用。2.1模型建立的基礎(chǔ)條件粗甲醇典型組成。粗甲醇典型組成見表1。表1粗甲醇典型組成組分CO2CH3OCH3HCOOCH3H2OCH3OHC2H5OH摩爾分?jǐn)?shù)/%1.961.870.9523.1476.801.88粗甲醇原料參數(shù)。粗甲醇總摩爾流量：6942.77kmol/h;溫度：25°C;壓力：0.550MPa。⑶產(chǎn)品質(zhì)量要求。精甲醇質(zhì)量滿足GB338—2011工業(yè)甲醇中優(yōu)等品；精甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)＞99.9%；甲醇的摩爾回收率299.5%。2.2單元操作模型及精餾系統(tǒng)建模Aspenplus中提供精餾塔RadFrac模塊，該模塊屬于多組分多平衡級計算分離模型，每一塊塔板都到達(dá)氣液相平衡，該模型計算比較精確。此外，Aspen中還提供DSTWU模塊對普通精餾進(jìn)行簡捷計算，初步確定出最小/實際回流比、最小/實際理論板數(shù)、進(jìn)料位置等操作參數(shù)，可以為RadFrac模塊提供初值。2.3物性方法的選擇Aspenplus中提供了多種物性方法計算混合物的各種物化性質(zhì)，粗甲醇組分中甲醇和水含量所占比例較高，甲醇分子和水分子之間具有較強的作用力，是典型的非理想極性物系，NRTL-RK或NRTL物性方法對該物系較為適合。3甲醇精餾模擬流程本文在Aspenplus中建立三塔精餾模擬流程，分別用DSTWU模塊進(jìn)行初步模擬，得到初值，然后輸入到RadFrac模塊中，并適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行精確模擬。其中，選用RadFrac模塊，建立甲醇精餾三塔精餾模擬流程見圖2。圖2甲醇精餾三塔精餾模擬流程注：1—預(yù)熱器：2一預(yù)分離塔；3—壓縮機(jī)；4-冷凝器；5—閃蒸罐；6—加壓泵；7—換熱器；8—加壓塔；9—常壓塔4模型計算與優(yōu)化4.1加壓塔T0102操作參數(shù)設(shè)定先用DSTWU簡捷計算模型算出初值，輸入到RadFrac模型中。用Aspenplus所帶的設(shè)計工具規(guī)定加壓塔T0102的設(shè)計。其中，目標(biāo)變量Molepurity是指加壓塔塔頂流股甲醇的摩爾純度；ABS(QCON/QREB)指加壓塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷/常壓塔塔釜再沸器熱負(fù)荷。加壓塔和常壓塔要實現(xiàn)雙效精餾，所以加壓塔QCON和常壓塔QREB的應(yīng)該相等。采集變量Refluxratio和D:F分別是指加壓塔的摩爾回流比和塔頂餾出物的摩爾流量/進(jìn)料的摩爾流量(以下流量均為摩爾流量)。計算結(jié)果見表2。表2加壓塔T0102的設(shè)計規(guī)定和計算結(jié)果設(shè)計規(guī)定目標(biāo)變量目標(biāo)值采集變量采集變量計算值DS-1Molepurity0.999Refluxratio2.06DS-2ABS(QCON/QREB)1.00D:F0.457經(jīng)過模型計算得到加壓塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷QCON為-84930.37kW，常壓塔塔釜再沸器熱負(fù)荷QREB為84934.05kW，表明兩者熱負(fù)荷匹配。加壓塔進(jìn)料位置也會對甲醇的純度和塔釜熱負(fù)荷有一定的影響。為了確定流股＜0118＞的進(jìn)料位置，分別選用加壓塔塔頂甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)和塔釜熱負(fù)荷為因變量，以流股＜0118＞進(jìn)料位置為自變量做靈敏度分析(見圖3、圖4)。圖3流股＜0118＞的進(jìn)料位置與甲醇摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖4流股＜0118＞的進(jìn)料位置與熱負(fù)荷的關(guān)系從圖3和圖4可以看出，隨著進(jìn)料塔板數(shù)進(jìn)料位置的增加（塔頂為第一塊板），甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)大于20塊板時趨近于不變。雖然當(dāng)進(jìn)料位置為第15塊（理論板數(shù)，以下皆為理論板）時耗能最低，但是產(chǎn)品純度并未達(dá)到要求。綜合考慮取進(jìn)料位置為第20塊。加壓塔T0102操作參數(shù)的具體設(shè)置見表3。表3加壓塔T0102操作參數(shù)塔板數(shù)進(jìn)料位置回流比D:F塔壓/MPa再沸器熱負(fù)荷/kW35202.060.4570.55084606.414.2常壓塔T0103操作參數(shù)設(shè)定加壓塔塔釜液＜0119＞進(jìn)入常壓塔T0103中，在常壓塔中盡可能地把剩余的甲醇全部精餾出來，確保甲醇回收率達(dá)到較大值。D:F是影響塔頂甲醇流量最關(guān)鍵的操作參數(shù)，為了確定合適的塔頂餾出物摩爾流量/進(jìn)料摩爾流量（D:F）需做設(shè)計規(guī)定，具體指定方法與計算結(jié)果見表4。表4常壓塔T0103的設(shè)計規(guī)定和計算結(jié)果設(shè)計規(guī)定目標(biāo)變量目標(biāo)值采集變量目標(biāo)變量計算值采集變量計算值DS-1MFLOW2161.00D:F2157.240.573從表4可以看出，甲醇流量的計算值并未達(dá)到所規(guī)定的目標(biāo)值，這是因為當(dāng)甲醇的含量非常少時，甲醇和水很難分離，有痕量的甲醇會留在水中。將D:F調(diào)整成0.573可以確保精餾出的甲醇量達(dá)到最大值。由此確定常壓塔D:F值后，通過靈敏度分析工具進(jìn)一步確定最優(yōu)的塔板數(shù)和最優(yōu)的進(jìn)料位置。以常壓塔塔板數(shù)為自變量，塔頂流股＜0109＞甲醇的摩爾流量為因變量做靈敏度分析（見圖5）。從圖5可以看出當(dāng)塔板數(shù)小于17塊時，隨著塔板數(shù)的增多，甲醇的流量逐漸增多，當(dāng)大于17塊時甲醇的流量基本保持不變。以此判斷常壓塔塔板數(shù)應(yīng)為17塊以上。為了確保塔頂甲醇濃度達(dá)到質(zhì)量要求、塔底廢水中甲醇含量達(dá)到較低值，工程設(shè)計中一般提高塔板數(shù)進(jìn)行保守設(shè)計。圖5常壓塔塔板數(shù)和塔頂甲醇流量的關(guān)系為了確定合適的進(jìn)料位置，分別以塔頂甲醇的摩爾流量和塔釜再沸器熱負(fù)荷為因變量，以流股<0119>的進(jìn)料位置為自變量得做靈敏度分析圖(見圖6、圖7)。從圖6可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置小于第13塊板時，隨著進(jìn)料位置的增加，塔頂甲醇的摩爾流量逐漸增加；當(dāng)大于13塊時，隨著進(jìn)料位置的增加，甲醇的摩爾流量不再增加。由圖7可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置在第12塊塔板時再沸器的熱負(fù)荷最低，但是塔頂甲醇的含量較低，綜合考慮可以選擇第13塊板為進(jìn)料位置。圖6常壓塔進(jìn)料流股位置和塔頂甲醇流量的關(guān)系圖7常壓塔進(jìn)料流股位置和塔釜熱負(fù)荷的關(guān)系常壓塔T0103操作參數(shù)的具體設(shè)置見表5。表5常壓塔T0103操作參數(shù)塔板數(shù)進(jìn)料位置回流比D:F塔壓/MPa冷凝器熱負(fù)荷/kW17133.000.5730.101-84650.524.3預(yù)分離塔T0101操作參數(shù)設(shè)定預(yù)分離塔主要作用是分離出粗甲醇中的醚、酯等輕組分，預(yù)分離塔操作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果見表6。表6預(yù)分離塔T0101操作參數(shù)塔板數(shù)進(jìn)料位置回流比D:F塔壓/MPa冷凝器熱負(fù)荷/kW再沸器熱負(fù)荷/kW1263.000.0060.101-1114.561527.955關(guān)鍵流股的模擬結(jié)果精甲醇流股<0107>、<0109>和廢水流股<0110>模擬結(jié)果見表7。表7精甲醇與廢水流股的模擬結(jié)果流股溫度/1壓強/MPa摩爾流>/(kmol-h-1)摩爾分?jǐn)?shù)/%CO2CH3OCH3HCOOCH3CH3OHH2OC2H5OH精甲醇<0107>114.70.5503172.110.001<0.005<0.00599.9270.027<0.001精甲醇<0109>64.50.1012158.7400099.9300.0170.052廢水<0110>99.500.1011609.040000.23799.7600.019從模擬結(jié)果可以看出加壓塔和常壓塔精甲醇中甲醇摩爾分?jǐn)?shù)都達(dá)到99.9%，全精餾系統(tǒng)計算甲醇回收率達(dá)99.5%以上。6結(jié)語本文運用Aspenplus軟件模擬了甲醇精餾三塔工藝流程，通過設(shè)計規(guī)定和靈敏度分析工具確定了各個塔的最優(yōu)操作參數(shù)。經(jīng)過模型計算，三塔雙效精餾工藝生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)品純度達(dá)到99.9%，甲醇回收率達(dá)99%以上。三塔流程加壓塔和常壓塔實現(xiàn)兩塔之間的雙效精餾。雖然三塔精餾工藝