流程模拟软件在甲醇精馏塔中的应用

高怀　曹志华

摘 要：通过对甲醇常压常规精馏塔模拟，分析了塔板数、回流比对产品纯度的影响，以及塔板数与回流比之间的相互关系。当理论板数为30块、回流比为3、侧线采出在第23块塔板时，可产出满足要求的甲醇产品，同时也给出了最小回流比及最小理论板数；利用隔壁塔对甲醇常压塔进行模拟，同工况下可得到更高纯度的精甲醇，且甲醇中乙醇的含量降低约1倍左右。

关 键 词：精馏塔；分隔壁塔；流程模拟；甲醇

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1426-04

Application of Process Simulation Software in Methanol Distillation

GAO Huai， CAO Zhi-hua

（Baili Engineering Science & Technology Co.，Ltd.， Hunan Yueyang 414007，China）

Abstract： Based on the simulation of methanol atmospheric distillation column， the effect of the number of trays and the ratio of reflux on the purity of the product was analyzed. The results showed that， when the theoretical plate number was 30， the reflux ratio was 3， side streams in twenty-third plate met the requirements of the methanol product， while the minimum reflux ratio and the minimum number of theoretical plates were also determined； The methanol atmospheric tower was simulated by means of DWC. Under the same operating conditions， the high purity methanol was obtained， and the content of ethanol in methanol was decreased about one times.

Key words： Distillation column； Divided wall column； Flow simulation； Methanol

流程模擬是依据化工过程中的工艺流程及工艺参数，利用计算机模拟软件来模拟实际的生产过程，这种模拟再现不涉及实际中的任何物料和设备管道，因此这给技术人员带来很大的自由度，可以某种程度上不受制于现实中的人力、财力和物力等资源的配置。目前过程模拟已经成为研发、设计及生产改造过程中不可缺少的工具，在化工工业生产中起着越来越重要的作用[1]。化工过程模拟软件中应用较广泛的就是Aspen Plus软件[2]，它是一款功能强大的世界上公认的标准化大型化工流程模拟软件，是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的化工软件。

精馏塔是石油化工行业中应用最广泛的分离操作设备之一，是分离液体混合物的一种重要的化工单元操作[3]。由于精馏操作过程中能耗较高且热力学效率又不高，因此该过程一直被作为重要的课题在研究[4]。伴随着各种能源价格的不断上涨，精馏操作过程的节能在化工行业节能中占有越来越重要的地位[5]。为了达到产品纯度及经济效益的预期目的，在精馏塔的设计和校核过程中，研究者们不但在寻找常规精馏塔的合适设计条件及操作条件，同时也有人把目光放在了更节省投资的分隔壁精馏塔（DWC）的研究上[6]。

隔壁塔就是在精馏塔中间垂直加入一块分隔板，使化工原料在精馏塔中分开精馏，即等同于将预分离塔与主精馏塔在同一个塔内完成，相当于两个塔的完全热耦合精馏[7]。Halvorsen 等[8]通过研究发现，与常规精馏塔相比，分隔壁塔在能耗和投资方面均能降低30%左右。但是隔壁塔比普通精馏塔额外的多出了几个自由变量，这就增加了隔壁塔的实际操作难度，操控条件的复杂化也成为该技术在化工生产应用中的瓶颈。近几年国内在分壁塔方面的研究也渐渐多起来，但实际的工业应用案例还较少。汪丹峰等[9]设计了分壁塔的小试实验装置，并且对乙醇-正丙醇-正丁醇三元物系的精馏操作条件进行了研究，分析了分壁式精馏塔的分离特性。本文将利用Aspen Plus软件对甲醇常压精馏塔进行模拟与分析。

1 甲醇常压常规精馏塔模型的建立及其模拟

1.1 甲醇精馏塔模型的建立

甲醇是C1化工的母体，其下游产品广泛应用于化工石化医药等领域。目前大部分甲醇生产企业都采用三塔精馏加回收塔的四塔工艺流程来代替传统的双塔工艺流程，利用加压塔塔顶甲醇蒸汽的冷凝热作为常压塔塔底再沸器的加热源，从而使整个甲醇精馏工段的能耗减少的。甲醇精馏工段中，大约有60%的成品精甲醇是由常压精馏塔制得的，因此常压精馏塔装置是保证甲醇产品纯度、提高原料利用率、节能减排的关键设备[10]。现以某企业生产规模为年产30万t的甲醇三塔精馏装置中的常压塔为研究对象，利用化工流程模拟软件Aspen Plus对其进行模拟分析。常压精馏塔粗甲醇进料的主要成分（质量分数）如表1所示，进料流量为32 200 kg/h，进口物料温度为110 ℃，塔顶精馏出甲醇成品22 485 kg/h，产品中精甲醇质量满足国标GB338-

2011《工业用甲醇》一级品的要求，即甲醇纯度达到99.93% 以上。

根据粗甲醇进料条件及产品要求等设计条件，首先利用Aspen Plus模拟软件中精馏塔的简捷简捷设计模块DSTWU 对甲醇常压精馏塔进行模拟计算。其中以甲醇为轻关键组分、水为重关键组分，选用的物性方法为UNIFAC方法，经简捷计算可得甲醇常压塔的设计参数为： 总塔板数为30块，塔顶冷凝器为第1块塔板，粗甲醇进料位置在精馏塔的第21块塔板上，塔顶质量回流比为3，塔顶压力为105KPa。然后再依据简捷计算结果，利用 Aspen Plus软件中的精馏塔严格计算模块RadFrac对常压塔进行了严格模拟计算。

1.2 精馏塔塔板数对塔顶产品纯度的影响

为了分析精馏塔塔板数对塔顶馏出物料甲醇产品纯度的影响，通过甲醇常压塔的严格精馏模拟，且利用Aspen Plus软件中的灵敏度分析模块对其进行了分析模拟，分析结果见图1所示。从图中可见，在保持其他工况条件不变的情况下（粗甲醇进口板位置和精馏塔总理论板数的比值保持恒定），随着精馏塔理论板数的增加，塔顶产品的甲醇纯度是逐渐升高的，25块塔板以后变化开始变缓，65块塔板以上甲醇纯度变化趋势更加缓慢。这说明随塔板数的增加塔顶塔底分离的更好，塔顶采出组分变得更轻，塔釜采出变重，即采出纯度更高。由模拟数据结果可知，当甲醇常压精馏塔理论板数为30时，塔顶产品甲醇质量纯度为0.999 302，已达到了工业用甲醇一级品的要求。

1.3 精馏塔回流比对塔顶产品纯度的影响

精馏塔回流比是影响精馏操作费用的一个重要因素。在保持其他工况条件不变的情况下，利用模拟软件对甲醇常压塔进行严格精馏模拟，并用灵敏度分析模块对其进行分析，精馏塔回流比对塔顶产品纯度的影响模拟结果见图2。从图中可见随着回流比的增大，塔顶产品纯度在提高，回流比较小时变化比较迅速，在1.5后塔顶馏出甲醇纯度的变化趋势开始变缓，特别是回流比增大到一定程度时，塔顶产品纯度将趋于稳定。模拟数据结果显示，当回流比为3时塔顶甲醇质量纯度为0.999 301 7，满足了工业用甲醇一级品的要求。回流比的增加，塔顶产品纯度可以得到提高，但这也不可避免的增加了精馏塔塔釜的热负荷，这也意味着精馏塔的能耗在增加，甚至需要牺牲塔顶产品的产量，因此回流比应根据实际工况控制在一定范围内。

1.4 精馏塔回流比对塔板数的影响

在化工项目中，为了取得较好的效益，必须要考虑项目成本。在对精馏塔的经济研究分析中，一般总费用包括操作费用和设备费用兩部分，精馏塔回流比增加则意味着操作费用的增加，精馏塔理论板数则决定着设备投资部分的费用。为了找到合适的回流比对应的理论塔板数，在保持其他工况条件不变（粗甲醇进口板位置和精馏塔总理论板数的比值保持恒定），对精馏塔回流比与理论塔板数之间的相互关系进行灵敏度模拟分析，把分析模拟结果绘制成图，如图3所示。

从图中可见回流比随塔板数的增加而减少，塔板数较少时变化较大，塔板数较大时回流比趋于稳定。从图中也可很容易看出本工况的最小回流比约为0.6，最小理论塔板数为20。考虑到精甲醇产品纯度等综合因素，本文总理论塔板数取30，塔顶回流比取3。在实际工况中要找到合适的回流比对应的理论塔板数，且使其相互适应才能取得较佳的经济效益。

2 甲醇分隔壁精馏塔模型的建立及其模拟

2.1 甲醇隔壁精馏塔模型的建立

为了提高甲醇产品的质量等级要求，除满足其质量纯度不低于0.999 3外，乙醇在甲醇中的含量也应很低。为了使产品中乙醇含量更低，大部分研究者采取了在甲醇常压塔侧线的适当位置对物料进行采出，以排除乙醇等杂质，达到减少乙醇在塔顶甲醇中的含量的目的。在其他工况不变的情况下，本文利用模拟软件在第23块塔板的位置进行侧线采出物料的模拟。另外由于DWC塔具有一般侧线精馏塔所不具备的优势，本文也尝试利用隔壁塔精馏模型对甲醇常压精馏塔进行模拟。

本文采用分隔壁在中间的隔壁塔（DWCM）的等效形式进行模拟，即利用两个严格精馏塔RadFrac模块相互耦合的方式来模拟隔壁塔，具体如图4所示。其中预分馏塔的塔板数为15块塔板，塔顶和塔釜不设冷凝器和再沸器，塔顶的出口气相物料和主塔的第10块塔板相连，塔顶的进口液相物料和主塔的第9块塔板相连；塔釜的出口液相物料和主塔的第24块塔板连接，进口气相物料和主塔的第25块塔板相连。侧线采出物料设在主塔的第23块塔板上。其他工况条件和常压常规精馏塔条件一致。

2.2 甲醇隔壁塔模拟结果

利用隔壁塔的等效形式，根据以上工况条件对甲醇常压精馏塔进行了模拟。把分隔壁塔的模拟结果和侧线采出精馏塔及未设侧线采出精馏塔的塔顶产品甲醇及乙醇质量含量对比见表2。从模拟结果可知，在其他工况相同的情况下，用分隔壁塔获得的塔顶甲醇纯度最高，乙醇含量最低，且乙醇含量降低约一倍左右，其次是有侧线采出的精馏塔。可见，由于分壁塔具有独特的结构，与常规精馏塔相比，在降低能耗方面具有较大优势，当塔底负荷相同时，可得到更高纯度的产品。但是分壁塔增加了精馏塔的自由变量，较难找到分隔壁处合适的气液分量，这给操作上带来了较大困难，也成为制约其发展的主要原因。

3 结束语

通过对甲醇常压常规精馏塔的模拟分析，针对本工况当精馏塔理论板数设为30块，回流比为3，粗甲醇进料位置为第21块塔板，侧线采出物料在第23块塔板时，精馏塔顶部可产出满足工业用甲醇一级品要求的精甲醇产品。

模拟过程中也发现本工况最小回流比约为0.6，最小理论塔板数为20。在实际具体的工况中要找到合适的回流比对应的理论塔板数，且使它们之间相会适应，这样才能取得较佳的经济效益。

隔壁塔在模拟有侧线采出物料的精馏塔时有独特优势，只要设置好合适的操作参数，就能取得较高纯度的产品。在同样工况下对甲醇常压塔进行模拟，可取得更高纯度的精甲醇，且甲醇中乙醇的含量降低约1倍左右。分壁塔增加了精馏塔的自由变量，这给操作上带来了困难，但这不影响学者们对隔壁塔的探索研究。

参考文献：

[1] 陆恩锡，著.化工过程模拟[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] 孙兰义，主编.化工流程模拟实训：Aspen Plus教程[M].北京：化学工业出版社，2011.

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[10]秦杰，许新乐.300 kt/a甲醇精馏装置常压精馏塔变工况模拟分析与优化[J].青海大学学报，2016，34（2） ：32-34.