基于ASPENPLUS的丙酮回收系統(tǒng)的模擬優(yōu)化

1、第 30卷 第 1期 2011年 2月 V o l . 30N o . 1F e b . 201183J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 基于 A S P E N P L U S 的 丙酮回收 系 統(tǒng) 的 模 擬優(yōu) 化 張 治 山 , 張 苗苗 , 李 敏(山 東 科 技大學(xué) 化 學(xué)與環(huán)境工程學(xué) 院 , 山 東 青 島 266510摘 要 :以 水 作 為 吸 收 劑 , 利用 A S P E N P L U S 軟 件 對 丙 酮 回

2、 收 系 統(tǒng) 進 行 了 優(yōu) 化 分 析 , 其 結(jié) 果 為 :吸 收 塔 塔 板 數(shù) 為 10, 吸 收 劑 流量為 2. 30k m o l /h , 吸 收 劑 溫 度 為 20 ; 蒸餾 塔 理 論 板 數(shù)為 17, 回 流比為 1. 5, 進 料位 置 為 第 10塊 , 再 沸 器 熱負荷 為 -32. 21k W , 冷 凝 負荷 324. 63k W , 在 保 證 丙酮純 度 和 收 率的 前 提下 , 有效 地 降 低 了設(shè) 備 費 用和 操 作 費 用 , 可 為實 際裝置 的 運 行提 供 一定 指 導(dǎo) 。 關(guān)鍵詞 :丙酮 回 收 ; 模 擬 ; 優(yōu) 化中圖分類號 :T

3、 Q 018 文獻標(biāo)志碼 :A 文章編號 :1672-3767(2011 01-0083-05T h e S i m u l a t i o n a n d O p t i m i z a t i o n o f A c e t o n e R e c o v e r y S y s t e m B a s e d o n A S P E N P L U S Z HA N G Z h i s h a n , Z HA N G M i a o m i a o , L I M i n (C o l l e g e o f C h e m i c a l a n d E n v i r o n m

4、e n t a l E n g i n e e r i n g , S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Q i n g d a o , S h a n d o n g 266510, C h i n a A b s t r a c t :T a k i n g w a t e r a s a c e t o n e a b s o r b e n t , t h e o p t i m i z a t i o n a n a l y s i s o f a c e t

5、 o n e r e c o v e r y s y s t e m w a s c o n d u c t e d w i t h A S P E N P L U S . T h e r e s u l t s a r e a s f o l l o w s :t h e n u m b e r o f t o w e r p l a t e s i n a b s o r p t i o n t o w e r i s 10, t h e a b s o r b e n t f l o w a n d t h e a b s o r b e n t t e m p e r a t u r

6、e i n a b s o r p t i o n t o w e r a r e 230k m o l /h a n d 20 , r e s p e c t i v e l y. I n d i s t i l l a t i o n t o w e r , t h e n u m b e r o f t h e o r e t i c a l p l a t e s i s 17, t h e r e f l u x r a t i o i s 1. 5, t h e f e e d s t a g e i s a t 10t h pl a t e , a n d t h e h e a

7、 t d u -t i e s a r e-33. 85k W (a t t h e t o p a n d 317. 30k W (a t t h e b o t t o m . E q u i p m e n t a n d o p e r a t i n g c o s t s w e r e e f f e c t i v e l y r e d u c e d , p r o v i d i n g t h e g u i d a n c e f o r p r a c t i c a l e q u i p m e n t o p e r a t i o n s w i t h t

8、 h e s a t i s f a c t o r y p u r i t y a n d y i e l d o f a c e t o n e . K e y w o r d s :a c e t o n e r e c o v e r y ; s i m u l a t i o n ; o p t i m i z a t i o n 收稿日期 :2010-07-21作者簡介 :張 治 山 (1975 , 男 , 山 東 德 州 人 , 博士 , 副教授 , 主要從事化學(xué)工程模 擬與 優(yōu) 化方面的研究 . E -m a i l :t jz z a 163. c o m. 丙酮 是 一種

9、無 色透 明 液 體 ,有 特 殊 的 辛 辣 氣 味 , 易 燃 、 易 揮 發(fā) , 化學(xué) 性質(zhì) 較 活 潑 , 是化學(xué) 制 藥 行 業(yè)和 精 細 化工 行 業(yè)中的 一種 非 常 重要的 溶劑 1-2。 由于 丙酮 易 揮 發(fā) , 在 使 用及生 產(chǎn) 過 程中 會與 空 氣 形 成 混 合 氣 體 , 這 既 浪 費 了 原 料 又 污 染 了環(huán) 境 。 所 以 , 對 丙酮 回 收 系 統(tǒng)進行 模 擬 優(yōu) 化研究 具有 重要 意義 。鑒 于 丙酮 廣泛 且 大量的 使 用 , 丙酮 空 氣混 合 氣 的 來 源 亦 非 常 廣泛 , 丙酮 的 回 收 一 般 采用 吸 附 解 吸 或 吸

10、收解 吸 技術(shù) 。 醋 纖 長 絲 生 產(chǎn) 工 藝 中 , 采 用 活 性 炭 吸 附 蒸 汽 解 吸 技 術(shù) 精 餾 回 收 丙 酮 3。 高 前 進 4用 A S P E N P L U S 模 擬 了 煙 用 二 醋 酸 纖 維 素 絲 束 生 產(chǎn) 過 程中 ,吸 附 蒸 餾 技術(shù) 的 丙 酮 回 收 系 統(tǒng) 。 M ár k i 等 5在 實驗 室中 采用 吸 收 -滲 透 汽 化 技術(shù) , 回 收 丙酮 空 氣混 合 氣 中的 丙酮 , 得到了 很 好 的 分 離 效 果 。以 水 作 吸 收 劑吸 收 丙酮蒸汽 , 可 以得到滿 意 的 分 離 效率 5。 本 文 以 水

11、 為 吸 收 劑 , 吸 收 丙酮蒸汽 后 的 稀 丙酮溶液 , 必 須 進行 蒸餾 回 收 丙酮 。 蒸餾 塔 底 部 水 溶液 (含 一 定量 丙酮 , 經(jīng) 冷 卻 后直接 排 放 , 不進行 處理 。1 問題 描述現(xiàn) 有空 氣 、 丙酮蒸汽 混 合 氣 , 流 量為 14. 014k m o l /h , 其 中 丙酮蒸汽 的 摩 爾 分 數(shù)為 2. 6%, 溫 度 T =20 , 壓 強 P =101k P a ; 要 求 以 水 作為 吸 收 劑 (進 塔 吸 收 劑 的 溫 度 為 20 , 采用 吸 收 塔 和 蒸餾 塔 對 混 合 氣 中 丙酮 進 行 回 收 , 回 收 率

12、要 求 達到 96%。84第 30卷 第 1期2011年 2月 V o l . 30N o . 1 F e b . 2011吸 收 塔 和 蒸餾 塔 之 間具有 強 耦 合 性 , 在 保 證 丙酮 回 收 要 求 (回 收 率 、 回 收 純 度 的 前提 下 , 為 降 低 投 資和 運行成 本 , 需 對 吸 收 塔塔 板 數(shù) 、 吸 收 塔 進 料 流 量 、 進 料 溫 度 、 蒸餾 塔塔 板 數(shù) 、 進 料 位置 、 回 流比 等 參 數(shù) 進行 優(yōu) 化 。2 流程 優(yōu) 化 分析2. 1 模型 建 立丙酮 回 收 系 統(tǒng) 模 擬 流 程 如 圖 1所示 。 丙酮 回 收 系 統(tǒng) 包括

13、 吸 收 塔 、 蒸餾 塔 和 預(yù) 熱 器 三 個 部 分 , 吸 收 塔 底 的 物 料 經(jīng) 預(yù) 熱 器 加 熱 后 進 入 蒸餾 塔 。 吸 收 劑 在 吸 收 塔 B 1內(nèi) 吸 收 丙酮 后 得到 稀 丙酮溶液 , 稀 液 經(jīng) 加 熱 器 B 2加 熱 后再 進 入 蒸餾 再 生 塔 B 3, 為 避免 空 氣 的 積累 , 蒸餾 塔 冷 凝 器 采用分 凝 器 。 經(jīng) 分 離 回 收 后 , 吸 收 塔塔 頂 的 凈 化 氣 體 中主要是 空 氣 、 少 量 丙酮 和 水 蒸汽 , 蒸餾 塔塔 頂 可 獲得 一 定 純 度 的 丙酮 , 塔 底 廢液冷 卻 后直接 排 放 或 進行 污

14、 水 處理。 圖 1 丙酮回 收 系 統(tǒng) 模 擬 流程圖F i g . 1 T h e s i m u l a t i o n f l o w c h a r t o f a c e t o n e r e c o v e r y s y s t e m 表 1 吸 收 塔 主 要 物 流 參 數(shù)表T a b . 1 T h e m a i n pa r a m e t e r s o f m a t e r i a l c i r c u l a t i o n i n a b s o r p t i o n t o w e r 進 料 流 量 /(k m o l /h摩 爾 分 數(shù) /%溫

15、 度 / 壓 強 /k P a 丙酮 空 氣混 合 氣59. 36丙酮 :1. 82 35101N 2:73. 55O 2:20. 74水 :3. 89水229(估 算 初 值 10020101蒸餾 塔 進 料 預(yù) 熱 器 與 再 沸 器 所 需 要的 總 能 量 基 本 上 是 個 常 數(shù) , 一 般 會 用 預(yù) 熱 器 加 熱 進 料 , 因 為 可 以 利 用 需 要 冷 卻 的 熱 過 程 物 流 來 作 為 熱 源 , 而不需 要 另 外 提 供 水 蒸汽 6。 2. 2 吸 收 塔 的 優(yōu) 化 分析對 于 水 、 醇 、 酮 、 醚 、 酯 和 有機 酸 等 極 性物質(zhì) , 采 用

16、 狀 態(tài) 方 程 和 活 度 系 數(shù) 方程 相 結(jié) 合 的 方 法 ,即 氣 相 采 用 狀 態(tài) 方程 , 液 相 逸 度采用 活 度 系 數(shù) 法 計 算 7; 活 度 系 數(shù) 法 中 最 常 用 的方程 有 W i l s o n 方 程 、 N R T L 方 程 和 U N I -F A C 方程 。 一 般 來 說 , 丙酮 回 收 系 統(tǒng) 均 采用 N R T L 物性 方 法 。 吸 收 塔 主要 物 流參 數(shù) 如 表 1所示 ,吸 收 塔 模 型的 輸 入 參 數(shù) 如 表 2所示 。在 吸 收 塔 模型中 , 為 吸 收 劑 水流 量 提 供 一個 估 計 值 , 吸 收 塔塔

17、板 數(shù)從 2開始 逐 漸 增 加 , 增 幅 為 1, 得 出 塔 板 數(shù) 對 應(yīng) 吸 收 塔 底 丙酮 富 液 負 荷 的模 擬 結(jié) 果 , 如 圖 2所示 。由 圖 2可 知 , 塔 板 數(shù) N >7時 , 隨 著 塔 板 數(shù)的 增 加 , 塔 底 丙酮 的 摩 爾 流 量 增 幅很 小 , 當(dāng) 塔 板 數(shù)為 10時 , 塔 底 丙酮 摩 爾 流 量為 1. 08k m o l /h , 煙 氣 中 丙酮 幾 乎 全 被 吸 收 , 吸 收 塔 吸 收 率 為 100%。 故 取 N =10。吸 收 劑 進 口 溫 度 , 對 吸 收 塔 的 吸 收 效率 也 會產(chǎn) 生 一 定的影

18、響 , 圖 3為 吸 收 劑 進 口 溫 度 從 5 變 化 至 41 的 過 程中 塔 底 丙酮 富 液 負 荷 的 變 化 。張 治 山 等基于 A S P E N P L U S 的 丙酮 回 收 系 統(tǒng) 的 模 擬 優(yōu) 化 85J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y表 2 吸 收 塔 模型的 輸 入 參 數(shù)表T a b . 2 T h e i n p u t p a r a m e t e r s o f a b s o r p t

19、 i o n t o w e r m o d e lB 1類 型 :R a d F r a c冷 凝 器 無再 沸 器 無溫 度 / 40壓 強 /k P a 101壓 降 0塔 板 數(shù) N (2, 3, 物 流 1進 口 位置 A b o v e s e g m e n t 1物 流 3進 口 位置 A b o v e s e g m e n t N +1圖 2 吸 收 塔 底 丙酮 富 液負荷隨 塔 板 數(shù)的 變 化 圖 F i g . 2 T h e v a r i a t i o n o f a c e t o n e l o a d w i t h N i n t h e b o t

20、 t o m o f a b s o r b e r圖 3 吸 收 劑 進 口 溫 度對 塔 底富 液丙酮負荷 的 影 響 圖 F i g . 3 T h e i m p a c t o f a b s o r b e n t i n l e t t e m p e r a t u r e o n a c e t o n e l o a d i n t h e b o t t o m o f a b s o r b e r表 3 吸 收 塔 和 蒸餾 塔 耦 合系 統(tǒng) 模型的 輸 入 參 數(shù)表T a b . 3 T h e i n p u t p a r a m e t e r s o f c

21、 o u p l i n g s y s t e m m o d e l o f a b s o r p t i o n t o w e r a n d d i s t i l l a t i o n t o w e rB 2出 口 溫 度 / 40類 型 :H e a t e r 壓 力 降 0B 3類 型 :R a d F r a c冷 凝 器 類 型 P a r t i a l -V a p o r -L i q u i d 再 沸 器 類 型 k e t t l e壓 強 /k P a 101塔 板 數(shù) N (3, 4, 塔 頂 回 流比 R (初 始 值 0. 8塔 內(nèi) 壓 力 降

22、0餾 出 液 流 量 /(k m o l /h 1. 3608圖 4 蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙酮摩爾 分 率 隨 塔 板 數(shù)的 變 化 圖 F i g . 4 T h e v a r i a t i o n o f a c e t o n e p u r i t y o f s t r e a m 6w i t h N由 圖 3可 知 , 吸 收 劑 進 口 溫 度在 5 41 的 變 化 過 程中 , 塔 底 丙酮 富 液 負 荷 變 化 僅 為 0. 01011k m o l /h , 變 化 很 小 , 說明 吸 收 劑 進 口 溫 度 對 吸 收 的影 響 不 是 很 大 。 但

23、 是 , 吸 收 劑 的 進 口 溫 度 影 響 著 塔 底 富 液 的 溫 度 , 進 而 影 響 加 熱 器 負 荷 或 蒸餾 塔 再 沸 器 負 荷 。 故 選 取 吸 收 劑 進 口 溫 度 為 20 。2. 3 吸 收 塔 和 蒸餾 塔 耦 合 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 化 分析吸 收 塔 的 塔 底 富 液 經(jīng) 加 熱 器 加 熱 后 , 即 為 蒸 餾 塔 的 進 料 物 流 。 對 蒸 餾 塔 來 說 , 塔 板 數(shù) 、 進 料 位置 、 回 流比 、 再 沸 器 負 荷 是重要的模 型 參 數(shù) , 影 響 塔 頂 丙 酮 純 度 和 丙酮 回 收 率 。 蒸餾 塔 的 控制與 優(yōu) 化目

24、 標(biāo) :在 保 證 產(chǎn) 品 質(zhì) 量的 前提 下 , 使 回 收 率 最 高和 能 耗 最 低 , 即 使 整 個 塔 的 總 成 本 最 低 , 總 經(jīng) 濟 效 益 最 大 8。 表 3是 吸 收 塔 和 蒸餾 塔 耦 合 系 統(tǒng) 模型的 輸 入 參 數(shù) 表 。2. 3. 1 蒸餾 塔 模型 參 數(shù)的 確 定1 蒸餾 塔塔 板 數(shù) N與 吸 收 塔 類 似 , 蒸 餾 塔 從 塔 板 數(shù) 為 2開始 增 加 , 增 幅 為 1, 得 出 塔 板 數(shù) 對 應(yīng) 塔 頂 物 流 6中 丙 酮 純 度 的 模 擬 結(jié) 果 , 如 圖 4所示 。由 圖 4可 知 , 塔 板 數(shù) N 在 311之 間 ,

25、 蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙 酮 的 摩 爾 分 率 很 低 , 且?guī)?乎 不變 ; 塔 板 數(shù) N 在 1117之 間 , 其 值 急 劇 增 大 至 94%以 上 , 塔 板 數(shù)大 于 17之后 , 其值 基本 無 變 化 。 故 取 N =17。86第 30卷 第 1期2011年 2月 V o l . 30N o . 1 F e b . 2011 2進 料 位置 圖 5 蒸餾 塔 進 料 位 置 對 塔 頂 物 流 6中 丙酮摩爾 分 率 的 影 響 圖 F i g . 5 T h e i m p a c t o f f e e d s t a g e o n a c e t o n

26、 e p u r i t y o f s t r e a m 6圖 6 回 流 比對 蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙酮摩爾 分 率 的 影 響 圖 F i g . 6 T h e i m p a c t o f r e f l u x r a t i o o n a c e t o n e p u r i t y o f s t r e a m 6圖 7 吸 收 劑 流量 對 蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙酮摩爾 分 率 的 影 響 圖F i g . 7 T h e i m pa c t o f a b s o r b e n t m o l e f l o w o n a c e t o n

27、 e p u r i t y o f s t r e a m 6蒸餾 塔 進 料 位置與 塔 頂 物 流 6中 丙 酮純 度 的 關(guān)系 如 圖 5所示 。由 圖 5可 知 , 當(dāng) 進 料 位置 為 第 10塊 塔 板時 , 塔 頂 物 流 6中 丙 酮 純 度 達 到 最 大 值 , 故 第 10塊 塔 板 (含 冷 凝 器 是 適宜 的 進 料 位置 。3回 流比 R 回 流比 R 也 是 影 響 塔 頂 物 流 6中 丙酮純 度 的 一個 重要 參 數(shù) , 回 流比 R 與 其 的 關(guān)系 , 如 圖 6所示 。由 圖 6可 知 , 回 流比 R 在 0. 82. 0之 間 , 蒸餾 塔 頂

28、 物 流 6中 丙 酮 摩 爾 分 率 由 93. 7%增 加到 95%以 上 ; 而 回 流比 在 210之 間 , 其 值 不 超 過 96%, 變 化 很 小 。 綜 合 考 慮 丙 酮 的 純 度 、 回 收 率 及 再 沸 器 、 冷 凝 器 負 荷 , 取 R =1. 5。 2. 3. 2 吸 收 劑 流 量 對 蒸餾 塔 的影 響吸 收 劑 流 量 對 蒸 餾 塔 的 影 響 表 現(xiàn) 為 :對 塔 頂 物 流 6中 丙 酮 純 度 的 影 響 以 及 對再 沸 器 負 荷 的影 響 。 圖 7為 蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙酮 的 摩 爾 分率隨 吸 收 塔 吸 收 劑 流 量

29、的 變 化 情況 。由 圖 7可 知 , 吸 收 劑 流 量 在 136230k m o l /h 之 間 ,蒸餾 塔 頂 物 流 6中 丙 酮 摩 爾 分率由 83%增 加 為 95%以 上 , 之 后 , 隨 著 吸 收 劑 流 量的 變 化 , 其值 幾 乎 不 變 。另 外 , 由 模 擬 可 知 , 吸 收 劑 流 量 與 再 沸 器 負 荷 的 關(guān)系 表 現(xiàn) 為 線 性 , 即 隨 著 吸 收 劑 流 量的 增 加 , 再 沸 器 負 荷 呈 直 線 增 長 ; 回 流比 R 對再 沸 器 負 荷 的影 響 也 表 現(xiàn) 為 線 性關(guān)系 , 再 沸 器 負 荷 隨 回 流 比 的 增

30、 加 呈 線 性 增 加 。在 保 證 丙酮純 度 和 回 收 率 的 前提 下 , 選擇 最小 的 吸 收 劑 流 量和 回 流比 , 即 可 保 證再 沸 器 負 荷 最小 , 選 取 吸 收 塔 進 塔 吸 收 劑 流 量為 230k m o l /h 。 表 4 優(yōu) 化 后 的 參 數(shù)表T a b . 4 T h e p a r a m e t e r s a f t e r o pt i m i z a t i o n 吸 收 塔理 論 塔 板 數(shù) :10吸 收 劑 流 量 :230k m o l /h 吸 收 劑 溫 度 :20 蒸餾 塔理 論 塔 板 數(shù) :17進 料 位置 :1

31、0回 流比 :1. 52. 4 優(yōu) 化 結(jié)果上 述 吸 收 塔 和 蒸餾 塔 的 優(yōu) 化 參 數(shù) 總 結(jié)如 表 4所示 。 以 優(yōu) 化 參 數(shù) 對 丙酮 回 收 系 統(tǒng)進行 模 擬 , 結(jié) 果 如 表 5所示 。 由 表 5模 擬 結(jié) 果可 以 看 出 , 吸 收 塔 丙酮 的 回 收 率 是 100%(吸 收 塔 頂 端 物 流 2中 丙酮 摩 爾 分率 為 10-9數(shù)量 級 , 可 忽 略 , 蒸餾 塔 回 收 率 是 96. 67%(丙酮純 度 為 95. 6% , 塔 底 流 出 的 貧 液 幾 乎 為 純 水 , 塔 頂 物 流 8損 失 的 丙酮 約 為 1. 3%左右 , 滿 足

32、 回 收 要 求 。張 治 山 等 基于 A S P E N P L U S 的 丙酮 回 收 系 統(tǒng) 的 模 擬 優(yōu) 化 87J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 表 5 丙酮回 收 系 統(tǒng) 模 擬 結(jié)果 匯總 表T a b . 5 T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f a c e t o n e r e c o v e r y s y s t e m w i t h o p t i m

33、 a l p a r a m e t e r s 物 流項目吸 收 塔蒸餾 塔4 2 5 6 7 8總 摩 爾 流 量 /(k m o l /h 236. 392 57. 047 236. 392 1. 092 230. 949 0. 269丙酮 摩 爾 流 量 /(k m o l /h1. 080<0. 000451. 0801. 0440. 0050. 031丙酮 摩 爾 分 數(shù) 0. 005 4. 55×10-70. 005 0. 956 2. 4×10-50. 115H 2O 摩 爾 分 數(shù) 0. 9440. 023 0. 9440. 0431. 0008.

34、40×10-4N 2摩 爾 分 數(shù) 7. 62×10-40. 762 7. 62×10-48. 33×10-4T R A C E 0. 655O 2摩 爾 分 數(shù)2. 68×10-4 0. 2152. 68×10-4 3. 79×10-4 T R A C E 0. 230丙酮 回 收 率 /%10096. 67丙酮純 度 /%0. 00595. 6熱 負 荷 /k W -32. 21(塔 頂 324. 63(塔 底 3 結(jié) 論丙酮 回 收 系 統(tǒng) 經(jīng) 過參 數(shù) 優(yōu) 化 后 , 丙酮 回 收 率 和 純 度分 別 為 96.

35、6%和 95. 6%, 同 時 實 現(xiàn) 了 塔 板 數(shù) 最 少 , 吸 收 劑 流 量 、 回 流比最小 , 再 沸 器 負 荷 最優(yōu) , 有效 地 降 低了 設(shè) 備 費 用 和 操 作費 用 , 為實 際 裝 置 的 運行提 供 參 考 。 參考 文獻 :1李 群 生 . 新 型 高效 丙酮 精 餾 塔 的 研究 與應(yīng)用 J . 北京 化 工大學(xué)學(xué) 報 , 1998, 25(2 :1-5. L I Q u n s h e n g . A r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e n e w t y p e h i g h e f f i c i e n c y a c e t o n d i s t i l l a t i o n c o l u m n J . J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y , 1998, 25(2 :1-5. 2汪 煥 心 . 中 國 丙酮 的市 場 分析 J . 廣州 化 工 , 2009, 37(3 :2.WA N G