Aspen Plus软件在醋酸-水体系热泵精馏中的应用

沈博文,潘建敏,夏国政,邹琳玲,晋 梅

(江汉大学 化学与环境工程学院,湖北 武汉 430056)

醋酸乙烯是一种世界前五十大化工原料之一，可作为聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、共聚树脂和醋酸乙烯-氯乙烯共聚物等的原料[1]。目前常采用乙烯气相法大规模生产醋酸乙烯产品[2-3]，在其生产过程中，从反应过程和醋酸乙烯吸收过程中都会涉及到使用过量的醋酸，因此，若要将该部分醋酸进行回收，则需将醋酸-水混合体系进行分离，满足醋酸纯度为99.9%后方可循环使用。这一过程，常规分离方法是采用普通精馏塔进行分离，而该分离过程中需要使用公用工程换热，导致该分离过程成为整个工艺过程中能量消耗较大的一部分。

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，是一种全世界倍受关注的新能源技术。热泵精馏是将塔顶蒸汽加压升温，作为塔底再沸热源，回收塔顶蒸汽潜热的一种能量利用方式，即通过外加功将低温蒸汽提高到更高的品位的热源，比便利用其潜热。根据所消耗外界能量的不同，热泵精馏技术分为汽相压缩式热泵精馏和吸收式热泵精馏两种方式。根据压缩机工质的不同，汽相压缩式热泵精馏又可分为塔顶汽相直接压缩式、塔底液体闪蒸式和间接蒸汽压缩式三种类型[4]。

在满足分离要求的条件下，本文采用Aspen Plus软件[5-6]对醋酸乙烯生产过程中醋酸-水混合体系的分离采用常规精馏技术和热泵精馏技术分别进行模拟计算，并通过能量对比，提出最合理的醋酸-水混合体系分离技术。

1 模拟部分

1.1 醋酸-水混合体系数据及分离方法选择

采用乙烯气相法工艺进行醋酸乙烯生产过程中，醋酸-水混合体系基础数据及设计要求如表1所示。

表1 醋酸-水混合体系数据及设计要求

在实际工业生产过程中，常采用常规精馏塔进行醋酸-水混合体系的分离，精馏塔塔顶的操作压力为100 kPa，塔底压力为120 kPa，塔顶温度和塔底温度分别为100 ℃和123.45 ℃。另外，从表1中醋酸、水沸点数据和常规精馏塔的操作条件中可得：塔的操作压力为常压，塔顶塔底温差较小，且醋酸和水的沸点相近，因此，本文提出采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术进行该混合物系的分离。

1.2 物性方法与模块选择

Aspen Plus软件物性方法中NRTL方程适用于二元和多元汽液平衡体系，能准确模拟非理想汽液和液液平衡。但对于醋酸-水混合体系而言，由于塔内极易发生自聚反应，因此，采用NRTL活度系数方程和能预测聚合体系的Hayden-O'Connell逸度系数方程分别作为液相和气相的热力学模型更为合理，即采用NRTL-HOC混合模型[7]。

常规精馏技术的模拟计算中，常用模型有DSTWU和RadFrac等[8]，其中DSTWU为简捷计算模型，RadFrac为用于模拟各种类型的多级气液分馏操作的严格计算模型。醋酸-水混合体系常规精馏技术模拟流程图如图1所示。

图1 常规精馏技术模拟图

图2 热泵精馏技术模拟图

热泵精馏技术是将塔顶馏出蒸汽经压缩后与塔底馏出液体换热，换热后，物流经节流阀减压、冷却器降温后返回精馏塔顶，根据热泵技术建立的塔顶蒸汽压缩式热泵精馏模拟图如图2所示。在热泵精馏技术模拟计算中，除精馏塔常用模型外，压缩机采用COMPR模块、换热器采用HEATX模块、冷却器采用HEATER模块、节流阀采用VALVE模块、分流器采用FSPLIT模块。

3 模拟结果与讨论

3.1 常规精馏技术模拟结果

常规精馏技术的模拟思路为：首先采用DSTWU模块对精馏塔进行快速设计，由于存在一定的计算误差，因此，再利用RadFrac模块对设计结果进行校核。

3.1.1 DSTWU模拟

DSTWU设计模块输入值如表2所示，模拟结果如表3中DSTWU模拟值所示。

表2 DSTWU设计模块输入值

表3 DSTWU和RadFrac模拟计算结果

表3(续)

3.1.2 RadFrac模拟结果及能耗结果

将表3中DSTWU简捷计算模拟值作为初值进行RadFrac模拟计算，可获得表3中RadFrac模拟结果，同时在满足醋酸分离精度要求条件下的塔顶塔底组分量、质量分数及常规精馏技术的能量消耗如表4所示。

表4 RadFrac模拟结果及常规精馏技术能量消耗

3.2 热泵精馏技术模拟结果

热泵精馏模拟的设计模块输入如表5所示，在满足醋酸分离要求的条件下的模拟结果及能量消耗如表6所示。

表5 热泵精馏技术设计模块输入值

表6 热泵精馏模拟结果及能量消耗

3.3 常规精馏技术和热泵精馏技术能量消耗对比

采用Aspen Plus软件，对进料量为54227.30 kg/h的醋酸-水混合体系中分别采用常规精馏技术和热泵精馏技术进行模拟计算，在满足分离要求的情况下，塔顶冷能耗、塔顶热能耗和总能耗的对比如图3所示。

从图3可知：在醋酸-水混合体系中，由于常规精馏技术中塔顶塔底温差较小，且醋酸和水两组分沸点较为接近(相差17.9 ℃)，因此，相比于常规精馏技术，采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术，可节约冷能耗87.03%、热能耗55.77%，总能耗达71.50%，节能效果较为显著。

图3 醋酸-水混合体系采用两种不同分离技术的能耗对比图

4 结论

采用Aspen Plus软件，对醋酸乙烯生产过程中醋酸回收工段中醋酸-水混合体系分别采用常规精馏塔技术和热泵精馏塔技术进行分离，在满足相同分离要求的条件下，对两种分离技术中的能量消耗情况进行了对比。从模拟结果可明显的看出：对于精馏塔为常压下操作，且塔顶塔底温差较小，分离两组分沸点接近的醋酸-水混合体系而言，采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术具有好的节能效果。