BDO精馏工段的全程模拟与优化_李浩楠.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：作者简介：李浩楠（），男，硕士研究生，研究方向为化工过程模拟与优化，电话：，：；林发现（），男，教授级高级工程师，通信联系人，：。过程模拟 精馏工段的全程模拟与优化李浩楠，林发现（新疆大学 化工学院，新疆 乌鲁木齐）摘要：利用 软件对 精馏工段的全流程进行模拟，经与工艺包数据中的主要工艺流股对比之后，发现所建立模型与实际工艺流程吻合情况良好。在此基础上，对工艺流程进行优化，优化可分为改变工艺流程的优化和不改变工艺流程的优化，在优化时采用了不改变工艺流程的优化方法，运用 中的灵敏度分析功能，对 精馏工段中的、两个精馏塔的理论塔板数、进料位置、塔底馏出质量分率等操作参数进行工艺优化，经优化之后，塔理论板数由原来的 块降低到了 块，塔的理论塔板数由原来的 块降低到了 块，再沸器负荷的热损耗也由 降低到 ，减少了设备投资，降低了能耗。关键词：；正丁醇；精馏；模拟；优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；，丁二醇简称，其下游产品聚丁二酸丁二醇酯可用于制备生物可降解塑料，对于绿色环保具有重要意义。正丁醇可作为一种新型汽车燃料的添加剂和替代品，近年来也引起了广泛关注。很多学者对 生产过程做过一些相应的模拟与优化研究。赵欢欢等对 精馏塔关键参数进行探讨，分析关键参数对精馏塔的影响。刘尚荣针对 的分离和正丁醇回收流程，设计了新型分离方案，得到初步模拟结果后，再对塔压、回流比、进料位置、采出量等模拟结果进行优化。谢兰梅等针对正丁醇的分离提纯流程，提出了不同的分离流程，并对工艺参数进行了优化分析。虽然不少研究人员都对 精馏工段进行了相当多的模拟和优化工作，但大都只是研究该工段中的某一个塔或某个单元，对全流程精馏模拟研究较少。文中采用化工流程模拟软件 ，以某化工公司 法生产 的装置为蓝本进行全流程的模拟研究，并在此基础上，运用灵敏度分析李浩楠等 精馏工段的全程模拟与优化 投稿平台：功能研究 成品塔 和丁醇塔 的理论塔板数、回流比等操作参数对塔负荷和产品纯度的影响，从而为 精馏工段装置的设计和生产操作提供重要的理论依据。流程简介含水质量分数约 的粗丁二醇产品流股 首先进入闪蒸罐，闪蒸罐塔顶蒸汽 进入 常压塔，塔底物料 进入真空塔。真空塔和常压塔的塔顶馏出物为含有正丁醇的轻组分，两塔的塔顶馏出物流混合为流股 进入丁醇提纯单元。真空塔塔底物流 作为常压塔的进料，常压塔塔底出料 进入闪蒸塔，除去其中的一部分水和低沸物后闪蒸塔塔底物流，进入下一丁二醇脱残渣单元。在丁二醇脱残渣单元，物流 经升膜蒸发器 和降膜蒸发器 两次闪蒸后，和 闪蒸罐的气相流股 和 进入 冷凝，闪蒸后的液相部分仍有一定量的，经薄膜蒸发器 进一步分离后气相部分 进入冷凝器，经 和 冷凝下来的液体进入闪蒸罐 简单闪蒸后液相流股 进入下一单元。在丁二醇精馏单元，物料 进入中间塔 后从中间塔的顶部分离出低沸物，中间塔塔底物流 进入成品塔，从成品塔底部分离出高沸物，成品塔塔顶采出的流股 最终得到的 产品纯度在 以上。来自丁二醇脱水单元的物料，进入丁醇提纯单元的醇塔，从该塔中部侧线采出的气相流股 和丁醇塔 塔顶的蒸汽 混合后经冷凝器 冷凝为液相，后再通过 将物流 冷凝到 后进入丁醇层析器，丁醇层析器中的水相流股 返回醇塔中再次精馏，有机相流股 进入丁醇塔，经丁醇塔精馏后塔底馏出正丁醇产品物料，该精馏过程如图 所示。图 精馏工段全流程模拟 流程的建立和模拟 进料组成进入 精馏工段的流股 中包含水、，丁二醇、甲基，戊二醇（）、丁内酯（）、丁醇、甲醇、四氢呋喃（）、丙醇，以及在高低压加氢过程中，产生的高沸物。实际过程中在高低压加氢阶段发生的反应是复杂的，会生成成分复杂的高沸物，为了在模拟过程中体现高沸物的存化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：在，需要寻找与其物性相似的纯物质来代替。查阅文献，刘绍波针对 法生产 的工艺中选取了一种与高沸物沸点、密度、黏度等性质近似的纯物质正十七烷来代替高沸物，文中高沸物也选取该种物质代替。精馏工段的进料流股 总流量为 ，温度为，压强为 ，相态为液相。其中进料各物质组分的质量分数如表 所示。表 进料组成 进料流股 组分水，丁二醇甲基，戊二醇丁内酯质量分数 进料流股 组分丁醇甲醇高沸物四氢呋喃丙醇质量分数 物性方法的选择 中内置了大量的热力学物性计算方法，对不同的物系应选用不同的物性计算方法，查阅有关文献与资料后，根据文中所研究物系的物理与化学性质可知本文应选用活度系数模型，又因为本系统含有大量的水等极性物质，而 方程对于含水的系统具有较高的精确度，所以本文选用 方程进行热力学性质的计算。模型的建立在精馏工段所涉及到的主要设备有精馏塔、换热器、闪蒸罐、层析器等。模拟时精馏塔选用 模块，换热器用 和 模块，闪蒸罐用 模块，层析器用 模块。在进行精馏操作时，精馏塔是最重要的设备，在该流程中共有 个精馏塔：真空塔、常压塔、中间塔、成品塔、醇塔、丁醇塔，在模拟时各塔的主要参数设置如表 所示。运用 模拟软件建立的全流程工艺流程图如图 所示。循环物流的设置 在模拟计算时默认的计算方法为序贯模块法，该方法是目前应用最广的流程模拟计算方法，文中在模拟时采用该种方法。在流程中如果物流只是逐单元的向后面的单元模块传递，不存在物流从后面的单元模块向前面单元模块传递的情况，此时使用序贯模块法是十分方便的。但在实际工艺流程中，比较常见的情况是流程中往往会存在循环回路，即有物流从后面的单元模块向前面单元模块传递。循环回路的类型有：独立循环回路、嵌套循环回路和交叉循环回路。表 精馏塔主要参数及控制指标 操作参数 理论板数回流比 塔顶温度 塔底温度 塔顶压力 塔底压力 对于存在循环回路的工艺流程在进行模拟计算时需要设置撕裂物流，即在循环物流处将流股隔断，形成逐个单元模块依次计算的局面，通常情况下，一个循环回路需设置一个撕裂物流，当工艺流程复杂，存在较多循环回路时，若使用 默认的撕裂物流和收敛模块，往往会造成流程不收敛，此时可人为规定撕裂物流、收敛模块与计算顺序从而使流程更容易收敛。文中全流程模拟时设置丁二醇脱水单元的撕裂流股为、，丁二醇脱残渣与丁二醇精馏单元的撕裂流股为、，丁醇提纯单元的撕裂流股为。以上单元分别自定义收敛模块、，其参数设置如表 所示。表 收敛模块参数设置 收敛模块收敛方法收敛方法主要参数设置最大求值次数 值下限 值上限 值为 法的加速参数。模型模拟结果和可靠性验证在对 精馏工段进行全流程模拟后，主要物流模拟结果和工艺包数据对比如表 所示，由表中数据可知模拟结果和工艺包数据吻合情况良好，可以利用该模型对工艺流程进行下一步的优化。李浩楠等 精馏工段的全程模拟与优化 投稿平台：表 精馏工段主要流股模拟结果（质量分数）（）组分 塔塔釜物流 塔塔釜物流 罐罐底物流 塔塔顶物流 塔塔底物流 实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值甲醇 四氢呋喃丙醇 水 丁醇 甲基，戊二醇 丁内酯 ，丁二醇 高沸物 工艺参数的优化 塔理论板数的优化由图 可知，随着理论塔板数的增加，从第 块板到第 块板时，产品流股 纯度不断增加，在第 块板时 产品流股 的纯度（质量分数）为 ，此时 产品纯度满足大于国家标准中 优等品纯度 的要求，在第 块理论塔板数之后随着理论塔板数的不断增加，产品流股的纯度基本不再变化。再沸器负荷的变化情况与产品流股纯度的变化情况基本相同，从第 块板到第 块板时，再沸器负荷不断增加，但再沸器负荷的增加量很小约为 ，第 块理论板之后，随着理论板数的不断增加，再沸器的负荷也基本上不再变化，综上分析，最终选择 塔的理论塔板数为 块。图 理论板数对再沸器负荷与产品纯度的影响 塔进料位置的优化由图 可知，随着进料流股 位置的下移，从第 块板进料到第 块板进料时再沸器负荷和产品纯度的变化趋势均为先增大，在第 块板进料时，再沸器负荷和产品纯度达到最大值，此时产品流股 的纯度为 。从第 块板之后，随着进料位置继续下移，再沸器负荷和产品纯度开始减小。综上分析，选择 塔的进料位置为第 块理论板。图 进料位置对再沸器负荷与产品纯度的影响 塔理论板数的优化由图 可知，随着理论塔板数的增加，从第 块板到第 块板时，正丁醇产品纯度不断增加，在第 块板时，产品流股的纯度为 ，满足国家标准 中分析纯的标准要求，从第 块之后随塔板数的增加，产品流股 的纯度增加比较缓慢，变化较小。而精馏塔再沸器的化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：热负荷随着理论塔板数从第 块板增加到第 块板时，再沸器负荷不断减小，从第 块之后，理论塔板数不断增加时，再沸器热负荷的下降不太明显，变化趋势趋于平缓。综上分析，在保证产品纯度达标的基本要求下，同时考虑到精馏塔能耗和设备投资的关系，将理论塔板数定为 块。图 理论板数对再沸器负荷与产品纯度的影响 塔塔底液流率与进料流率质量比的优化由图 可知，当该变量从 增大到 时，产品流股 中正丁醇的质量分数不断降低，达到 时，产品流股 的纯度为 ，仍然满足大于正丁醇国家标准中分析纯 的要求。另外在该变量增大过程中再沸器的热负荷也由.降低到 ，再沸器的热负荷的减小量是非常明显的。综上分析，在既能降低再沸器热负荷又能使产品纯度达标的情况下，最终选择 塔的塔底液流率与进料流率的质量比为。图 塔底液流率与进料流率质量比对再沸器负荷与产品纯度的影响 模拟优化结果 塔及 塔优化前后模拟结果见表。表 优化前后模拟结果 项目优化前优化后 塔理论板数 塔进料位置 塔再沸器负荷 塔理论板数 塔塔底馏出质量分率 塔再沸器负荷 纯度 正丁醇纯度 结论（）运用 软件对 精馏工段的全流程进行模拟，模拟结果与工艺包数据中的主要工艺流股数据对比发现吻合情况良好，可以用于后续工艺流程的优化研究。（）在全流程模拟的基础上，运用 的灵敏度分析功能，对 塔的理论塔板数和进料位置和 塔的理论塔板数和塔底液流率与进料流率的质量比进行了优化分析，优化完成后两塔在保证 和正丁醇产品纯度达标的情况下，塔理论板数由原来的 块降低到了 块，塔的理论塔板数由原来的 块降低到了 块，再沸器负荷的热损耗也由 降低到 。通过灵敏度分析优化，减少了精馏塔的理论塔板数，降低了再沸器的热负荷。参考文献：黄佩佩，丁二醇的生产现状和发展 当代化工研究，（）：，（）：，：赵欢欢，丁家万，雷宁 精馏塔操作中各参数对产品质量的影响 广东化工，（）：【下转第 页】化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：率清单构建研究 上海：上海交通大学，孔志伟 基于 燃煤电站脱硫系统建模优化研究 南京：东南大学，（）：，（）：，：（），（）：陈保奎，孙奉仲，高明，等 湿法脱硫塔一维传热传质性能模型理论与试验 山东大学学报：工学版，（）：曹建宗，刘琦，陈文通，等 典型湿法脱硫系统存在的问题及人工智能在优化运行中的应用 化工进展，（）：范昊鹏，夏凤毅，包军宇，等 基于 预测的燃煤机组脱硫优化控制 动力工程学报，（）：汪鑫 基于 神经网络的脱硫系统运行策略研究 中国环境科学学会 年科学技术年会 环境工程技术创新与应用分会场论文集（三）北京：环境工程编辑部，郑茗友，王伟，赵文杰，等 基于 算法的电站湿法脱硫出口 浓度预测 华北电力大学学报：自然科学版，（）：马利君，尚江峰，王涛，等 基于 算法的脱硫系统出口 排放浓度目标值预测 热能动力工程，（）：苏翔鹏，刁永发，杨青杰 基于 神经网络的双碱法脱硫塔 排放量预测方法 热力发电，（）：康英伟，周昊，郭为民，等 基于模糊关联规则的脱硫系统运行优化 热能动力工程，（）：徐遵义，刘文慧，张旭冉，等 基于数据驱动的浆液循环泵运行优化研究 中国电力，（）：，（）：，：，（）：华伟，崔晓波，帅云峰，等 组态化预测控制及其在脱硫 值控制中的仿真研究 动力工程学报，（）：，（）：【上接第 页】刘尚荣，丁二醇的分离模拟与副产物的回收 西安：西安科技大学，谢兰梅，丁二醇生产中副产物正丁醇的分离提纯流程及其模拟 杭州：浙江大学，张进华，褚雅志，郭建全，等 装置丁醇回收工艺优化与改造 化学工程，（）：刘绍波 重