周 凱，侯國安，馬少寧

(銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750100)

化工設(shè)計

基于Aspen plus對甲醇精制工段的模擬與優(yōu)化

周 凱，侯國安，馬少寧

(銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750100)

以神話寧煤集團(tuán)甲醇精致裝置為研究對象，利用先進(jìn)的Aspen Plus工程設(shè)計軟件對甲醇精致工段進(jìn)行全流程模擬，分析了模擬結(jié)果，并通過軟件中"Sensitivity"功能對精餾塔的回流比、進(jìn)料位置等操作條件進(jìn)行優(yōu)化，從而指導(dǎo)實際生產(chǎn)，為工藝方案比對，優(yōu)化設(shè)計提供模擬和預(yù)測。

甲醇精餾；流程模擬；Aspen plus；系統(tǒng)優(yōu)化

從20世紀(jì)70年代美國麻省理工研發(fā)Aspen plus流程模擬軟件并后續(xù)將其推入市場投其化工生產(chǎn)中到現(xiàn)在為止，在這期間，甲醇精餾在化工生產(chǎn)中的發(fā)展需求隨著Aspen plus模擬的發(fā)展而更加的迅速，準(zhǔn)確[1]。從第一次將Aspen plus模擬應(yīng)用于精餾工藝中到近年來，人類鍥而不舍的改良軟件的功能特性，對精餾的模擬方法進(jìn)行深入的研究。

現(xiàn)如今，利用Aspen plus模擬精餾工段早已出現(xiàn)，但是國外憑借已有多年的開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上又推出了更多的化工流程模擬并且迅速的應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，然而，近幾年來，國內(nèi)才開始重視并且將其應(yīng)用，尚未普遍、廣泛的應(yīng)用于各大企業(yè)[2]。 本文采用神華寧煤集團(tuán)甲醇精制四塔精餾工藝，通過實際生產(chǎn)和流程模擬進(jìn)行相互結(jié)合，包括預(yù)塔、加壓塔、常壓塔及回收塔，預(yù)塔的目的除去粗甲醇中的溶解氣體及低沸點組分；加壓塔和常壓塔主要的目的是除去水及高沸點雜質(zhì)獲得純度較高的甲醇；回收塔的目的為了減少廢水排放進(jìn)一步回收甲醇，同時也減少了廢水中甲醇的含量[4]。

1 模擬計算

1.1 模擬流程概述

來自甲醇合成工段的粗甲醇首先進(jìn)入粗甲醇換熱器(E-1001)，換熱至72℃后進(jìn)入預(yù)精餾塔(T-1001)，預(yù)精餾塔中設(shè)置的冷凝器將塔內(nèi)上升氣中的甲醇大部分冷凝下來后到塔底，未被冷凝的甲醇蒸汽、不凝氣及輕組分再次被繼續(xù)冷卻。預(yù)精餾塔底的甲醇水溶液經(jīng)加壓泵送至加壓塔(T-1002)，和預(yù)精餾塔精餾過程相似，塔頂甲醇蒸汽進(jìn)入冷凝器/再沸器，作為常壓熱源。被冷凝的甲醇蒸汽進(jìn)入加壓塔回流槽被冷卻，一部分由加壓回流泵升壓送至塔頂作回流，其余經(jīng)冷卻器(E-1004)冷卻至40℃以下作為AA級精甲醇送至甲醇槽。由加壓塔底排出的甲醇液降溫進(jìn)入常壓塔(T-1003)，由常壓塔頂甲醇蒸汽經(jīng)冷凝器(E-1003)冷凝至40℃以下進(jìn)入常壓塔回流槽，后經(jīng)回流泵加壓，一部分送至常壓回流，其余作為GB級產(chǎn)品送出。常壓塔產(chǎn)品-含有乙醇及其他雜質(zhì)的甲醇水溶液，從下部塔板上出來經(jīng)換熱器進(jìn)入回收塔(T-1004)，并經(jīng)過回收塔進(jìn)料泵加壓作為回收塔原料?；厥账斦羝?jīng)冷卻器冷卻至40℃，進(jìn)入回流槽， 一部分送至汽提塔頂回流，其余部分作為產(chǎn)品送至精甲醇槽。

1.2 模塊及物性方法的選擇

在Aspen plus中有很多種精餾模塊：例如DSTWU、Distil、RadFrac等等。RadFrac是嚴(yán)格精餾計算模型，用于模擬多種類型的多級汽液精餾操作，主要包括：吸收、精餾、萃取等。

物性方法的選擇與模擬的準(zhǔn)確性在很大程度上相關(guān)，也就是說它的選擇是流程模擬能否準(zhǔn)確的關(guān)鍵決定部分。所以Aspen plus也提供了適合很多體系的方法，通過應(yīng)用不同的物性方法模擬結(jié)果對比，選出最適合的物性方法。在本文的模擬中，粗甲醇體系成分中，甲醇和水以高含量占據(jù)主要部分，所以，首先考慮甲醇和水之間的二元汽液平衡數(shù)據(jù)。鑒于甲醇與水體系存在較強(qiáng)的分子間相互作用，形成的是非理想的極性物系，而且在精餾工段中所有流程中的操作壓力都在10bar以下。綜合以上綜述內(nèi)容，確定在本論文的所有模擬塔中，其物性方法選用NRTL-RK進(jìn)行操作。

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 模擬參數(shù)輸入

甲醇精餾模擬系統(tǒng)的設(shè)計是以神華寧煤集團(tuán)的工藝數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。模擬的初始參數(shù)如表1,2所示。

表1 原料初始數(shù)據(jù)

表2 設(shè)備操作參數(shù)

2.2 甲醇精餾系統(tǒng)模擬與優(yōu)化

2.2.1 預(yù)塔的模擬及優(yōu)化

將預(yù)塔數(shù)據(jù)輸入Aspen plus進(jìn)行流程模擬，得出模擬結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)精餾塔模擬結(jié)果

通過Aspen plus軟件中的“Sensitivity”分別對預(yù)塔溫度、壓力、回流比及蒸餾速率進(jìn)行靈敏度分析，得出結(jié)果如圖2-1，2-2，2-3，2-4所示。

圖1 預(yù)塔塔頂溫度和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3 預(yù)塔甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蒸餾速率的關(guān)系

圖2 預(yù)塔塔頂壓力和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖4 預(yù)塔回流比與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由以上圖分析得出結(jié)論：預(yù)塔的溫度、壓力、蒸餾速率和回流比都對出口甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，通過數(shù)據(jù)顯示，在溫度為51℃，蒸餾速率為720kg/h，選擇合適的回流比和壓力，可以對預(yù)塔的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 加壓塔的模擬結(jié)果與優(yōu)化

將加壓塔數(shù)據(jù)輸入Aspen plus進(jìn)行流程模擬，得出模擬結(jié)果如表4所示。

表4 加壓塔模擬結(jié)果

表4(續(xù))

通過Aspen plus軟件中的“Sensitivity”分別對加壓塔溫度、壓力、回流比及蒸餾速率進(jìn)行靈敏度分析，得出結(jié)果如圖5，6，7，8所示。

圖5 加壓塔塔頂溫度和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖7 加壓塔蒸餾速率和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖6 加壓塔塔頂壓力和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖8 加壓塔回流比和甲醇流量的關(guān)系

由以上圖分析得出結(jié)論：加壓塔的溫度、壓力、蒸餾速率和回流比都對出口甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響。通過數(shù)據(jù)顯示，在溫度為136℃，壓力為5.52bar，選擇合適的回流比和蒸餾速率，可以對加壓塔的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 常壓塔的模擬結(jié)果與優(yōu)化

將常壓塔數(shù)據(jù)輸入Aspen plus進(jìn)行流程模擬，得出模擬結(jié)果如表5所示。

表5 常壓塔模擬結(jié)果

通過Aspen plus軟件中的“Sensitivity”分別對常壓塔溫度、壓力、回流比及蒸餾速率進(jìn)行靈敏度分析，得出結(jié)果如圖9，10，11，12所示。

圖9 常壓塔塔頂溫度和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖10 常壓塔塔頂壓力和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖11 常壓塔蒸餾速率和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖12 常壓塔回流比和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由以上圖分析得出結(jié)論：常壓塔的溫度、壓力、蒸餾速率和回流比都對出口甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響。通過數(shù)據(jù)顯示，在壓力為5.52bar，選擇合適的溫度、回流比和蒸餾速率，可以對加壓塔的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.7 回收塔的模擬結(jié)果與分析

將回收塔數(shù)據(jù)輸入Aspen plus進(jìn)行流程模擬，得出模擬結(jié)果如表6所示。

表6 回收塔模擬結(jié)果

通過Aspen plus軟件中的“Sensitivity”分別對回收塔溫度、壓力、回流比及蒸餾速率進(jìn)行靈敏度分析，得出結(jié)果如圖13，14，15，16所示。

圖13 回收塔塔頂溫度和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖14 回收塔塔頂壓力和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖15 回收塔蒸餾速率和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖16 回收塔回流比和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由以上圖分析得出結(jié)論：回收塔的溫度、壓力、蒸餾速率和回流比都對出口甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響。通過數(shù)據(jù)顯示，在壓力為5.52bar，選擇合適的溫度、回流比和蒸餾速率，可以對加壓塔的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 全流程模擬結(jié)果及分析

圖17 甲醇精致工藝流程圖

以下是參考神華寧煤甲醇精致工段的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，見表7所示。

表7 實際數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)輸入Aspen Plus進(jìn)行流程模擬，得到模擬數(shù)據(jù)見表8所示。

3 結(jié)論

(1)本文以神華寧煤集團(tuán)有限公司甲醇精致工段為研究對象，利用Aspen plus軟件進(jìn)行全流程模擬，模擬結(jié)果中回收塔產(chǎn)品中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.3%，而實際生產(chǎn)企業(yè)中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近100%，其模擬結(jié)果誤差小于2.7%。因此Aspen plus模擬甲醇精制工藝的理論數(shù)據(jù)對其工藝提供了有力的支持，同時，將其應(yīng)用于實際生產(chǎn)具有理論性的指導(dǎo)意義。

(2)考慮到精餾塔溫度、壓力、回流比、蒸餾速率等各種因素對精餾結(jié)果產(chǎn)生影響，從以上各因素出發(fā)進(jìn)行各個塔的靈敏度分析，通過相對應(yīng)的曲線說明相關(guān)的結(jié)論，并結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)性得出最優(yōu)的操作條件。

[1] 宋維仁. 大型煤化工甲醇精餾過程模擬與仿真[D].上海：華東理工大學(xué),2012.

[2] 朱明明. 甲醇精餾裝置的流程模擬與優(yōu)化[D].上海：華東理工大學(xué),2016.

[3] 常 虹.甲醇精餾系統(tǒng)模擬與優(yōu)化[D]. 大連：大連理工大學(xué),2010.

[4] 王紹云. 甲醇精餾系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化研究[D]. 北京：北京化工大學(xué),2014.

[5] 張治山,楊超龍. Aspen Plus在化工中的應(yīng)用[J]. 廣東化工,2012(03):77-78.

[6] 許桂忠. 合成甲醇精制過程的優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

[7] 樊艷良. 用Aspen Plus對反應(yīng)精餾的模擬計算[J]. 上?；?2007,(05):14-19.

[8] 張士金. 德國魯奇60萬噸甲醇合成工藝產(chǎn)能提高的研究[D]. 西安：西北大學(xué),2013.

[9] 李 峰,趙新堂,萬寶鋒. 流程模擬軟件Aspen Plus在精餾塔設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 浙江化工,2014,(09):48-51，55.

[10] 朱曉蕓. 甲醇三塔精餾過程控制及仿真[D].上海：華東理工大學(xué),2014.

2017-09-14

周 凱，教師，主要從事流程模擬仿真和自動控制。

TQ223.121

A

1008-021X(2017)22-0114-05

(本文文獻(xiàn)格式：周凱，侯國安，馬少寧.基于Aspen plus對甲醇精制工段的模擬與優(yōu)化[J].山東化工，2017，46(22)：114-118，122.)