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模生產醋酸乙烯產品[2-3]，在其生產過程中，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%后方可循環使用。這一過程，常規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移到高位熱源的裝置，是一種全世界倍受關注的新能源技術。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。根據所消耗外界能量的不同，熱泵精餾技術分為汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾兩種方式。根據壓縮機工質的不同，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]對醋酸乙烯生產過程中醋酸-水混合體系的分離采用常規精餾技術和熱泵精餾技術分別進行模擬計算，并通過能量對比，提出最合理的醋酸-水混合體系分離技術。

1 模擬部分

1.1 醋酸-水混合體系數據及分離方法選擇

采用乙烯氣相法工藝進行醋酸乙烯生產過程中，醋酸-水混合體系基礎數據及設計要求如表1所示。

表1 醋酸-水混合體系數據及設計要求

在實際工業生產過程中，常采用常規精餾塔進行醋酸-水混合體系的分離，精餾塔塔頂的操作壓力為100 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、水沸點數據和常規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，由于塔內極易發生自聚反應，因此，采用NRTL活度系數方程和能預測聚合體系的Hayden-O'Connell逸度系數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]。

常規精餾技術的模擬計算中，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-水混合體系常規精餾技術模擬流程圖如圖1所示。

圖1 常規精餾技術模擬圖

圖2 熱泵精餾技術模擬圖

熱泵精餾技術是將塔頂餾出蒸汽經壓縮后與塔底餾出液體換熱，換熱后，物流經節流閥減壓、冷卻器降溫后返回精餾塔頂，根據熱泵技術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、節流閥采用VALVE模塊、分流器采用FSPLIT模塊。

3 模擬結果與討論

3.1 常規精餾技術模擬結果

常規精餾技術的模擬思路為：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模擬計算結果

表3(續)

3.1.2 RadFrac模擬結果及能耗結果

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、質量分數及常規精餾技術的能量消耗如表4所示。

表4 RadFrac模擬結果及常規精餾技術能量消耗

3.2 熱泵精餾技術模擬結果

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果及能量消耗如表6所示。

表5 熱泵精餾技術設計模塊輸入值

表6 熱泵精餾模擬結果及能量消耗

3.3 常規精餾技術和熱泵精餾技術能量消耗對比

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精餾技術和熱泵精餾技術進行模擬計算，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，由于常規精餾技術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，相比于常規精餾技術，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術，可節約冷能耗87.03%、熱能耗55.77%，總能耗達71.50%，節能效果較為顯著。

圖3 醋酸-水混合體系采用兩種不同分離技術的能耗對比圖

4 結論

采用Aspen Plus軟件，對醋酸乙烯生產過程中醋酸回收工段中醋酸-水混合體系分別采用常規精餾塔技術和熱泵精餾塔技術進行分離，在滿足相同分離要求的條件下，對兩種分離技術中的能量消耗情況進行了對比。從模擬結果可明顯的看出：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具有好的節能效果。