甲醇精餾塔靜態模型分析與仿真設計*

肖東彩，梁楊楊,2，周潤兵，劉曉陽

(1 銀川能源學院，寧夏 銀川 750105；2 寧夏寶豐能源集團股份有限公司，寧夏 銀川 750105)

精餾塔是石油化工行業中應用最廣泛的分離操作設備之一,是分離液體混合物的一種重要的化工單元操作[1]。由于精餾操作過程中能耗較高且熱力學效率又不高，因此該過程一直被作為重要的課題在研究[2]。伴隨著各種能源價格的不斷上漲，精餾操作過程的節能在化工行業節能中占有越來越重要的地位[3]。本研究的甲醇精餾采用四塔雙效工藝流程[4]，主要對塔板間氣液相傳質傳熱過程進行了分析研究，建立了甲醇精餾塔的靜態模型，并利用Kingview進行仿真、Aspen plus進一步驗證運行結果。

1 甲醇精餾塔板模型

1.1 塔板上的換熱過程分析[5-6]

理想理論板可以理解為從塔板下部上升的氣體與從塔板上部下降的液體在塔板內充分混合進行換熱，得到兩個溫度和相平衡相同的氣液相。

對塔板作物料恒衡算得：

(1)

在系統穩定的情況下，氣液相中輕組分摩爾分數滿足相平衡關系，平衡方程為：

Yi,j=Ki,jXi,j

(2)

同時氣液相中的輕組分摩爾分數滿足摩爾歸一方程：

(3)

對塔板進行能量衡算可得：

每層塔板的直徑尺寸完全相等，在常壓狀態下，各層傳質換熱的氣液量相差不大。當重組分和輕組分的汽化潛熱相差不大時，盡管上升氣流量與下降的液流量中的輕組分摩爾分并非完全相同，但是對塔板的能量衡算的結果影響不大，也即在可以允許的：

(4)

在板式塔中，可以近似相互抵消氣、液兩相的汽化潛熱與冷凝潛熱，據理論板的假設，在汽化潛熱相互抵消，只計算溫度的情況下，可將塔板上升氣流量和溢流量視為同一種物質，在對ρ、C等參數取值時，可以取平均值。對式(4)簡化為：

(5)

式中：V——塔板中氣相流量

L——塔板中液相流量

G——塔板中流出的流量總

H——塔板中各部分所帶的焓值

溫度與焓值之間的關系是：

Hj+1=Cj+1·θj+1；Hj-1=Cj-1·θj-1；Hj=Cjθj

式中：V——塔板塔堰中儲存的液體體積，可視為常數，由堰長、堰高等計算求取

r——流體密度，近似為常數

Cj+1——上升蒸汽的比熱容

θj+1——上升蒸汽的溫度

Cj——塔板的平均比熱

θj——塔板的溫度

Cj-1——下降液體比熱容

θj-1——下降液體溫度

則式(5)式變成為：

(6)

根據物料守恒定律，Gj=Lj-1+Vj+1，對時間進行求導，從而得到式(7)：

(7)

微分單元的差分化替換式：

(8)

將式(8)帶入式(7)中，可得：

(9)

以上公式構造了非進料板的溫度數學模型。

1.2 進料板過程分析

無論進入的物料是什么狀態，引入理論進料板假設后可以進行一定簡化。對于進料板可以得到與非進料板相對應的關系式。

物料衡算：

FxF+Vyj+1+Lxj-1=Vyj+Lyj

(10)

相平衡方程：

yj=f(xj)

(11)

進料組成和狀態對提餾段上升的氣流量和精餾段下降的液流量的影響各不相同。因此，在進料板的能量衡算時，應當加上冷凝和氣化潛熱，所以進料板的能量衡算式：

(12)

式中：FjHj表示進口物料的熱量，也就是FjHj=GF·CF·θF；Qj表示冷凝潛熱和汽化潛熱的差值，差分化處理式(12)后，得進料板數學模型為：

(13)

1.3 上升氣量模型

Vj+1=Vj

(14)

1.4 塔板溢流模型

溢流的體積流量為：

(15)

式中：Lw——堰長度

how——堰上方液層高度

D——甲醇精餾塔直徑

1.5 甲醇精餾操作方程

1.5.1 精餾段操作線方程

為算出該段反應上任意層塔板上的上升氣相組成Yn+1與下降液相組成Xn之間的聯系，n塊塔板作為研究對象。

在精餾段任意截面處做物料衡算，上升氣相組成Yn+1與下降液相組成Xn都滿足精餾段操作方程式(16)：

(16)

1.5.2 提餾段操作線方程

提餾段操作方程算法類似于精餾段操作方程算法，計算時，取任意塔板到塔釜為一個整體。

在提餾段任任意截面處做物料衡算，上升蒸相組成Yn+1與下降液相組成Xn都滿足式(17)，該公式也稱為提餾段操作方程。

(17)

2 甲醇精餾塔靜態仿真與驗證

2.1 基于Kingview的甲醇精餾塔靜態仿真程序設計[6]

本設計使用Kingview6.55為仿真平臺，同時應用程序命令語言編寫仿真程序，可在操作界面上實時修改系統參數，部分應用程序命令語言和運行結果如圖1、表1所示。

圖1 Kingview部分腳本圖Fig.1 Kingview part script diagram

表1 Kingview靜態模型運行結果明細表Table 1 Kingview static model running results list

程序運行后，可在參數設置功能中對常壓甲醇精餾塔參數進行優化，如進料參數、進料流量、總塔板數、進料板數等甲醇精餾塔操作中必需實時更改的參數。通過Kingview值輸入功能寫入的參數經過腳本語言的處理，賦值到其對應的腳本中進行甲醇精餾塔的計算。

讀取參數設置后，參照程序流程框圖2進行運算。

確定塔板類型后，可以正常運算出甲醇精餾塔各層塔板的溫度、摩爾分數等參數，仿真結果通過腳本程序在實時報表中顯示，程序流程圖如圖3所示。

實時數據從報表的第3行第2列開始寫入，當第1組數據寫到報表中后，對塔板編號與總塔板數進行比較，若塔板號小于塔板總數，則塔板編號加1，下層塔板的數據寫入下一行表格中，一直循環，直到塔板號大于塔板總數跳出循環，實時數據記錄完成。摩爾分數、Q等參數過程都是相同的，僅以T為例。在參數設置頁面中設置甲醇精餾塔參數，其中進料T=45 ℃，甲醇含量為0.14、H2、CO等混合物。Q進料=1000 mol/s，P=1 atm，采用全冷凝器，泡點回流，R=3.07，總塔板數等于7層，進料板為第5層塔板，假設甲醇精餾塔運行時塔內壓力恒定，基于以上環境對甲醇精餾塔靜態模型進行仿真，仿真結果如表2所示。

圖3 報表程序流程圖Fig.3 Flow chart of report program

表2 45 ℃進料時靜態模型仿真結果明細表 Table 2 Simulation results of static model at 45 ℃ feeding

保持其他參數不變，升高T=55 ℃進行模擬，仿真運行結果如表3所示。

表3 55 ℃進料時靜態模型仿真結果明細表Table 3 Static model simulation results at 55 ℃ feeding

2.2 Aspen plus穩態模擬

使用軟件建立穩態模擬模型，軟件中的RadFrac窗口中有各種類型的精餾塔，本文使用完全塔模塊進行仿真。

本文模擬使用的原料T=45 ℃的甲醇水溶液，yA=48%，Q進料=1000 mol/s，P進料=1 atm。最后設置冷凝器類型、塔板類型以及塔板效率，即可進行精餾計算。仿真結果如表4 所示。

表4 T=45 ℃，進料時Aspen Plus仿真結果明細表Table 4 Simulation results of Aspen Plus at 45 ℃ feeding

進料溫度T=55 ℃，其余條件不變，Aspen plus仿真結果如表5所示。

表5 T=55 ℃，進料時Aspen plus仿真結果明細表Table 5 Details of simulation results of Aspen Plus at 55 ℃ feeding

由表2～表5對比可以看出，Kingview模型和Aspenplus模型運行結果數值相差較小，通過對比結果顯示Kingview模型也具有一定的準確性，可以在甲醇精餾塔實時仿真中應用。

3 結 論

本模擬實驗設計基于理想理論板，并根據能量守恒、物料守恒、氣液平衡等方程分別建立了靜態模型。同時使用Kingview、Aspenplus在進料量溫度為45℃和55℃下進行了甲醇精餾塔靜態模擬，運行的數據結果相差較小，驗證了甲醇精餾塔靜態模型的準確性，對于精餾過程的分析以及控制的深入研究有一定的意義。