Aspen Plus軟件在醋酸-水體系熱泵精餾中的應用

沈博文,潘建敏,夏國政,鄒琳玲,晉 梅

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院,湖北 武漢 430056)

醋酸乙烯是一種世界前五十大化工原料之一，可作為聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、共聚樹脂和醋酸乙烯-氯乙烯共聚物等的原料[1]。目前常采用乙烯氣相法大規(guī)模生產(chǎn)醋酸乙烯產(chǎn)品[2-3]，在其生產(chǎn)過程中，從反應過程和醋酸乙烯吸收過程中都會涉及到使用過量的醋酸，因此，若要將該部分醋酸進行回收，則需將醋酸-水混合體系進行分離，滿足醋酸純度為99.9%后方可循環(huán)使用。這一過程，常規(guī)分離方法是采用普通精餾塔進行分離，而該分離過程中需要使用公用工程換熱，導致該分離過程成為整個工藝過程中能量消耗較大的一部分。

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，是一種全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵精餾是將塔頂蒸汽加壓升溫，作為塔底再沸熱源，回收塔頂蒸汽潛熱的一種能量利用方式，即通過外加功將低溫蒸汽提高到更高的品位的熱源，比便利用其潛熱。根據(jù)所消耗外界能量的不同，熱泵精餾技術(shù)分為汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾兩種方式。根據(jù)壓縮機工質(zhì)的不同，汽相壓縮式熱泵精餾又可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液體閃蒸式和間接蒸汽壓縮式三種類型[4]。

在滿足分離要求的條件下，本文采用Aspen Plus軟件[5-6]對醋酸乙烯生產(chǎn)過程中醋酸-水混合體系的分離采用常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)分別進行模擬計算，并通過能量對比，提出最合理的醋酸-水混合體系分離技術(shù)。

1 模擬部分

1.1 醋酸-水混合體系數(shù)據(jù)及分離方法選擇

采用乙烯氣相法工藝進行醋酸乙烯生產(chǎn)過程中，醋酸-水混合體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及設計要求如表1所示。

表1 醋酸-水混合體系數(shù)據(jù)及設計要求

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，常采用常規(guī)精餾塔進行醋酸-水混合體系的分離，精餾塔塔頂?shù)牟僮鲏毫?00 kPa，塔底壓力為120 kPa，塔頂溫度和塔底溫度分別為100 ℃和123.45 ℃。另外，從表1中醋酸、水沸點數(shù)據(jù)和常規(guī)精餾塔的操作條件中可得：塔的操作壓力為常壓，塔頂塔底溫差較小，且醋酸和水的沸點相近，因此，本文提出采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)進行該混合物系的分離。

1.2 物性方法與模塊選擇

Aspen Plus軟件物性方法中NRTL方程適用于二元和多元汽液平衡體系，能準確模擬非理想汽液和液液平衡。但對于醋酸-水混合體系而言，由于塔內(nèi)極易發(fā)生自聚反應，因此，采用NRTL活度系數(shù)方程和能預測聚合體系的Hayden-O'Connell逸度系數(shù)方程分別作為液相和氣相的熱力學模型更為合理，即采用NRTL-HOC混合模型[7]。

常規(guī)精餾技術(shù)的模擬計算中，常用模型有DSTWU和RadFrac等[8]，其中DSTWU為簡捷計算模型，RadFrac為用于模擬各種類型的多級氣液分餾操作的嚴格計算模型。醋酸-水混合體系常規(guī)精餾技術(shù)模擬流程圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬圖

圖2 熱泵精餾技術(shù)模擬圖

熱泵精餾技術(shù)是將塔頂餾出蒸汽經(jīng)壓縮后與塔底餾出液體換熱，換熱后，物流經(jīng)節(jié)流閥減壓、冷卻器降溫后返回精餾塔頂，根據(jù)熱泵技術(shù)建立的塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾模擬圖如圖2所示。在熱泵精餾技術(shù)模擬計算中，除精餾塔常用模型外，壓縮機采用COMPR模塊、換熱器采用HEATX模塊、冷卻器采用HEATER模塊、節(jié)流閥采用VALVE模塊、分流器采用FSPLIT模塊。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

常規(guī)精餾技術(shù)的模擬思路為：首先采用DSTWU模塊對精餾塔進行快速設計，由于存在一定的計算誤差，因此，再利用RadFrac模塊對設計結(jié)果進行校核。

3.1.1 DSTWU模擬

DSTWU設計模塊輸入值如表2所示，模擬結(jié)果如表3中DSTWU模擬值所示。

表2 DSTWU設計模塊輸入值

表3 DSTWU和RadFrac模擬計算結(jié)果

表3(續(xù))

3.1.2 RadFrac模擬結(jié)果及能耗結(jié)果

將表3中DSTWU簡捷計算模擬值作為初值進行RadFrac模擬計算，可獲得表3中RadFrac模擬結(jié)果，同時在滿足醋酸分離精度要求條件下的塔頂塔底組分量、質(zhì)量分數(shù)及常規(guī)精餾技術(shù)的能量消耗如表4所示。

表4 RadFrac模擬結(jié)果及常規(guī)精餾技術(shù)能量消耗

3.2 熱泵精餾技術(shù)模擬結(jié)果

熱泵精餾模擬的設計模塊輸入如表5所示，在滿足醋酸分離要求的條件下的模擬結(jié)果及能量消耗如表6所示。

表5 熱泵精餾技術(shù)設計模塊輸入值

表6 熱泵精餾模擬結(jié)果及能量消耗

3.3 常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)能量消耗對比

采用Aspen Plus軟件，對進料量為54227.30 kg/h的醋酸-水混合體系中分別采用常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)進行模擬計算，在滿足分離要求的情況下，塔頂冷能耗、塔頂熱能耗和總能耗的對比如圖3所示。

從圖3可知：在醋酸-水混合體系中，由于常規(guī)精餾技術(shù)中塔頂塔底溫差較小，且醋酸和水兩組分沸點較為接近(相差17.9 ℃)，因此，相比于常規(guī)精餾技術(shù)，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)，可節(jié)約冷能耗87.03%、熱能耗55.77%，總能耗達71.50%，節(jié)能效果較為顯著。

圖3 醋酸-水混合體系采用兩種不同分離技術(shù)的能耗對比圖

4 結(jié)論

采用Aspen Plus軟件，對醋酸乙烯生產(chǎn)過程中醋酸回收工段中醋酸-水混合體系分別采用常規(guī)精餾塔技術(shù)和熱泵精餾塔技術(shù)進行分離，在滿足相同分離要求的條件下，對兩種分離技術(shù)中的能量消耗情況進行了對比。從模擬結(jié)果可明顯的看出：對于精餾塔為常壓下操作，且塔頂塔底溫差較小，分離兩組分沸點接近的醋酸-水混合體系而言，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)具有好的節(jié)能效果。