甲醇-苯胺-水物系精馏塔的计算机模拟设计

张德志

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101)

甲醇-苯胺-水物系精馏塔的计算机模拟设计

张德志

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101)

本文利于Aspen Plus 流程模拟软件对甲醇-苯胺-水物系精馏分离进行了模拟，通过模拟计算，得出了该精馏塔的最佳操作参数：理论板数为26、进料位置为第19块理论板、最佳回流比为4.2、采出比D∶F为0.098，为精馏塔的结构设计及工艺设计提供了理论依据。

精馏；Aspen Plus；模拟计算；甲醇

甲醇作为一种重要的原料，在石油、化工、医药等行业得到广泛的应用，而且甲醇的纯度对工业生产影响较大[1-2]，另外，分离得到的重组分中的甲醇含量对物料的后续处理起到关键作用。精馏作为一种常用的工艺分离方法在甲醇的分离提纯中获得广泛的应用，精馏塔的优化设计可大大提高产品的纯度并降低生产能耗，降低企业的生产成本，提高企业的经济效益。

1 设计要求

本文就某企业生产过程中某工序产生的甲醇-苯胺-水精制系统为模拟依据，就其中的甲醇苯胺分离塔进行模拟，优化设计参数[3-4]，以期达到分离要求，获得精馏塔的最佳操作和设计参数。

2 原料参数及分离要求

1)精馏塔的进料量F=28800kg/h，组成(质量分数)为：甲醇10%，苯胺62%，水28%。

2)要求塔顶采出的甲醇的纯度≥99.9%(质量分数)，循环利用；塔釜的甲醇含量≤0.5%(质量分数)，以便后续苯胺和水的分离。

3 结果与讨论

3.1 理论板数的确定

为达到分离要求，利用Aspen Plus中的精馏塔简捷计算模块DSTWU对不同理论板数所需要的回流比进行分析，得到如图1所示的关系图。由图1可知，随着理论板数的增加，要达到一定的分离要求需要的回流比逐渐减小，当理论板数大于26块时，回流比的变化已不明显，相反再增加理论板数反而会使塔的设备费用提高。综合考虑，确定塔的理论板数为26(包括冷凝器和再沸器)。

图1 理论板数与回流比的关系Fig.1 Relationship between theoretical plate number and reflux ratio

3.2 最佳进料位置的确定

最佳的进料位置可以使分离所需的能耗最小并获得最高的产品质量。本文通过Aspen Plus中的灵敏度分析，模拟得到进料位置与塔顶、塔釜甲醇含量以及冷凝器、再沸器热负荷的关系，如图2和图3。由图2可以看出随着进料位置下移塔顶甲醇含量先增加后减小，塔釜甲醇含量先减小后增加，在第19块理论板处塔顶和塔底分别达到最佳的分离效果；同时由图3可以看出，随着进料位置下移，塔顶和塔底的所需要的能耗均呈现先减小后增加的趋势，且在第19块理论板处所需能耗最小。综合考虑，确定第19块理论板为最佳进料位置。

图2 进料位置与塔顶、塔釜甲醇含量的关系Fig.2 Relationship between feed location and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

图3 进料位置与冷凝器、再沸器热负荷的关系Fig.3 Relationship between feed location and heat duty of condenser and reboiler

3.3 塔顶采出比的确定

图4 采出比与塔顶、塔釜甲醇含量的关系Fig.4 Relationship between distillate of feed ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

塔顶采出比(D∶F)直接关系到塔顶产品的产量及纯度。通过灵敏度分析，模拟得到采出比与塔顶、塔底甲醇含量关系，如图4。由图4可以看出随着采出比的增大，塔顶甲醇含量先基本不变后逐渐减小，塔底甲醇含量先逐渐减小后基本不变，当采出比为0.097时，塔顶、塔底甲醇含量能满足工艺要求。

3.4 回流比的确定

回流比是精馏分离的重要参数，回流比的变化直接影响塔顶、塔釜产品组成及冷凝器和再沸器的负荷。增加回流比可以在一定范围内提高产品纯度，但会使塔的能耗增加。本文通过灵敏度分析得到回流比与塔顶、塔底甲醇含量的变化关系，如图5。由图5可以看出，随着回流比的增大，塔顶甲醇含量先增加后趋于稳定，塔底甲醇的含量先减小后趋于稳定，且在回流比R≥4.15时，塔顶和塔底甲醇含量均能满足工艺要求，综合考虑能耗问题，确定最佳回流比为4.15。

图5 回流比与塔顶甲醇含量、塔釜甲醇含量的关系Fig.5 Relationship between reflux ratio and methanol mass fraction at the top and bottom of the tower

通过以上单因素模拟计算、分析，该甲醇分离塔的最佳操作参数为：理论板数N=26(含冷凝器和再沸器)、进料位置NF=19，回流比R=4.15，采出比D∶F=0.097。

4 多因素分析

表1 正交试验结果表Table 1 Results of orthogonal experiments

基于以上单因素分析结果，本文引入多因素正交试验分析方法[5]，对该塔进行多因素分析。

本文选用3因素3水平正交试验表，以塔顶和塔釜总的热负荷作为考察对象。选择的3因素分别为回流比R、进料位置NF和采出比D∶F。选取回流比R的三个水平分别为4.1、4.15和4.2；选取进料位置NF的三个水平分别为17、18、19；选取采出比的三个水平分别为0.096、0.097和0.098。通过各因素各水平之间的组合、计算得到分析结果，见表1。

由表1可知，各因素的极差R大小顺序为R>D∶F>NF，由此可见，在给定的各水平范围内，回流比对塔负荷的影响最大，其次是采出比，进料位置影响最小。且通过该多因素分析可以得到塔的最佳操作参数是：进料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

5 结论

通过计算机模拟，分别采用单因素和多因素分析方法，得到该甲醇分离塔的最佳操作参数为：理论板数N=26(含冷凝器和再沸器)、进料位置NF=19，回流比R=4.2，采出比D∶F=0.098。

[1] 常 虹，王永胜，王东岩，等. 甲醇精馏系统模拟与优化[J]. 计算机与应用化学，2010，27(9)：1283-1288.

[2] 曹会敏，范智勇，张国民，等. 甲醇精馏的研究进展与应用[J]. 化工装备技术，2012，33(4)：48-50.

[3] 唐锦文. 甲醇精馏工艺模拟计算及分析[J]. 化工设计，2006，16(2):13-17.

[4] 罗 青，孙长江. 苯胺精馏过程优化模拟系统[J]. 化工科技，2004，12(2)：50-53.

[5] 杜守成，董宏光，肖 武. 基于正交数值试验的精馏过程参数的优化[J].计算机与应用化学，2009，26(8):989-992.

(本文文献格式：张德志.甲醇-苯胺-水物系精馏塔的计算机模拟设计[J].山东化工,2017,46(5):122-124.)

Simulation Design of Methanol -Aniline-Water Distillation Column with Computer

ZhangDezhi

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.,Ltd., Jinan 250101,China)

In this paper, medium with Methanol-Aniline-Water is simulated with software Aspen Plus. The following optimal operating parameters were obtained according to the simulation∶ number of theoretical plate 26, feed location 19, reflux ratio 4.2 and distillate to feed ratio 0.098. These parameters give the theoretical basis for the design of column structure and the process.

methanol distillation;aspen plus;simulate calculation

2017-01-19

张德志(1989—)，男，山东嘉祥人，助理工程师，硕士学位，主要从事化工工艺、系统方面的研究、设计工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0122-03