水力学软件在吸收塔中的应用及分析

朱兴松，王余伟，杨如惠

(1.中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900;2.中国石化仪征化纤股份有限公司BDO生产中心，江苏仪征 211900)

BDO生产工艺中马来酸酐吸收是非常关键的工序。仪征化纤BDO装置的马来酸酐吸收塔内共有25块双溢流浮阀塔板，1～9块板为循环塔板，16～25块板为吸收塔板，有效吸收发生在16～25块塔板处。对反应气体中的马来酸酐组分应进行最大程度的吸收，以减少进余热锅炉焚烧的马来酸酐量［1］。为提高吸收塔的操作性能，有必要对该塔进行计算和分析。

精馏塔的计算通常采用软件进行建模分析计算。通用流程模拟软件Aspen Plus含有功能详细的精馏塔热力学计算模块，也能进行水力学计算。美国精馏工程研究中心(FRI)是从事精馏技术研究和应用的机构，通过对塔内件包括分布器、塔板、填料等进行水力学和分离能力测试，得出相应的性能评价数学模型，其中以筛板的研究最为充分、完整，计算模型经过验证比较准确［2］。KG－Tower是由美国科氏－格利奇公司开发出来的集计算校核于一体的塔设计软件。笔者以BDO装置马来酸酐吸收塔为模型，采用Aspen Plus进行塔内热力学计算，对比分析了Aspen Plus、FRI、KG－Tower 3种软件的水力学计算结果。

1 概况

马来酸酐吸收塔的部分结构参数见表1所示。

表1 塔结构参数

马来酸酐吸收塔主要工艺流程如图1所示。

图1 马来酸酐吸收塔工艺简图

如图1所示，由反应器产生的高温气体在吸收塔塔底第1块板下方进料，经过25块板后由塔顶去余热锅炉。含贫油液体在吸收塔塔顶上方进料，主要用于吸收气相中的马来酸酐，塔釜部分液相出料经换热器返回第10块板形成中段回流，部分液相出料进下一道工序。

2 塔内热力学计算

利用Aspen Plus分离单元模型［3］对马来酸酐吸收塔进行建模分析，得到马来酸酐吸收塔的塔板气液温度与马来酸酐浓度分布，见图2所示。

由图2可知，10～18块塔板上气液温度基本相同，气相中马来酸酐浓度迅速下降，吸收主要发生在这9块塔板上;19～25块塔板上方气相中马来酸酐的含量很小，且变化不大。

图3为Aspen软件计算出的马来酸酐吸收塔各塔板气液负荷分布图。

图3 塔板气液相负荷

由图3可知，在第10块塔板上方进行了中段回流，从而导致液相负荷骤然增大;而气体作为被吸收相，被吸收的马来酸酐只占气体负荷总量的3.2%，因此气体负荷基本保持不变。

3 塔内水力学计算

利用Aspen plus模拟所得的热力学数据进行塔板液泛计算。塔液泛可分为喷射液泛和降液管液泛。利用 Aspen Plus、FRI、KG －Tower软件对塔内第25块(塔顶)、第10块(中段回流板)、第1块(塔釜)塔板进行水力学分析，并比较不同软件计算之间的差别。

3.1 利用Aspen Plus核算

Aspen Plus软件得到的水力学计算数据见表2所示。

由表2可知，由Aspen软件计算出的第25块、第10块、第1块塔板上的喷射液泛数据均小于80%，可初步推断在这3块塔板上方没有发生喷射液泛。但Aspen填写参数较为简单，不需要考虑详细的塔板浮阀类型及结构带来的影响，计算的水力学数据存在一定的误差。

表2 塔板Aspen计算结果

3.2 利用FRI核算

FRI需要输入详细的结构参数以及气液相物理性质。将Aspen Plus软件模拟出的塔的气液相负荷、表面张力、气液相粘度，以及塔板结构参数等数据输入FRI软件中，液泛计算结果见表3所示。

表3 塔板FRI计算结果

通过表3可知，第25块板由于液相负荷较小，而气相负荷较大，从而导致喷射液泛、降液管液泛、液流强度均较小，同时由于液相负荷较小从而导致降液管清液层流速较小;第10块板由于中段回流的存在，导致液相负荷骤然增大，气相负荷基本不变，使得喷射液泛、降液管液泛、液流强度均大于塔上部的塔板，而液相负荷的增大导致清液层液体流速加快。根据FRI核算可确定塔内各段不发生喷射液泛、降液管液泛的概率为99.9%，表明不会发生喷射液泛和降液管液泛。

3.3 利用KG－Tower核算

KG－Tower使用比较简单，只需塔内气液相负荷、塔径、浮阀类型、塔盘结构等数据即可初步估算塔内液泛［4］。将Aspen Plus软件模拟数据导入KG－Tower软件中，液泛计算结果见表4所示。

从表4中的数据可以看出，第25块板降液管液泛、液流强度都比第10块板低，而降液管流速低则导致第25块板的降液管停留时间较长，与Aspen Plus、FRI模拟结果基本类似。

3.4 3种软件核算结果对比

由 Aspen Plus、FRI、KG － Tower计算出来的喷射液泛、降液管液泛、降液管流速、降液管停留时间数据见表5所示。

表4 塔板KG－Tower计算结果

表5 3种软件部分计算结果

从表5可看出，3种水力学计算软件均表明吸收塔运行在较好的操作范围内，但Aspen Plus、FRI和KG－Tower在核算吸收塔水力学方面还是存在差异，这是由各软件采用不同的计算模型而导致的。Aspen Plus可进行液泛因子、降液管流速、降液管停留时间等水力学计算，其中喷射液泛、降液管液泛、降液管流速与FRI核算结果类似，但降液管停留时间相差较大。FRI有美国精馏研究中心提供数据支持，需要填写详细的参数，且对浮阀塔有较好的数据支撑，可选择不同类型、不同质量的浮阀，所计算得到的水力学结果也较全面，且数据输入输出界面较为简洁，方便软件使用人员快速查找计算结果。KG－Tower作为校核软件，其操作界面比较简单，仅需输入部分气液相流速及塔板类型就可得到水力学计算数据，但塔板类型可选种类少，特定浮阀只能利用V－1浮阀替代，导致计算结果有偏差。

4 结论

a)计算结果表明，吸收塔运行在较好的操作范围内;

b)Aspen Plus软件用途比较广泛，对热力学计算比较全面。利用Aspen计算塔内气液分离、温度分布、浓度分布等比较准确，但软件使用较为复杂;FRI对浮阀塔有较好的支持，计算内容较为全面，计算结果误差较小，但对原始数据要求较高，在实际计算中要做好数据采集工作，适合现场装置工艺调优时提前对塔进行校核工作;KG－Tower软件使用较为简单，数据缺省也较多，适用于数据缺少但对水力学数据要求不严格的计算，例如新塔设计、塔内水力学规律研究等场合;

c)对比 Aspen Plus、KG －Tower、FRI这3款软件，发现FRI在界面友好及数据完整性方面优于其它软件，建议先利用Aspen进行塔内热力学计算，计算结果再输入FRI进行水力学校核。

［1］ 杭君强.BDO装置降低贫油消耗的方法［J］.合成技术与应用，2013，28(3):40－43.

［2］ 赵仰华.利用FRI软件分析醋酸脱水塔运转状态［J］.应用化工，2007:36(10).

［3］ William L Luyben，Distillation Design and Control Using Aspen Simulation［M］.Canada:JOHN WILEY ＆ SONS，INC.2006:27－85.

［4］ 葛仁祥.KG－TOWER在浮阀塔水力学计算中的应用［J］.医药工程设计，2011，32(5).