多效精馏的模拟与优化

广 东 化 工 2019年 第7期
· 20 · 第46卷总第393期
多效精馏的模拟与优化
余栋梁1，李芳1，张荣莉1，李兴扬1，汪海燕2
(1. 安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖241000；2. 东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230022)
[摘 要]针对传统的精馏分离工艺存在的高耗能问题，以苯-甲苯物系为研究对象，提出了更为节能有效的多效精馏分离工艺流程，采用化工模拟软件Aspen Plus 分别对单塔精馏、双效顺流与逆流精馏、三效顺流与逆流精馏工艺流程进行模拟与优化，以确定适宜的操作条件和优化参数；并将多效精馏工艺流程模拟的结果与单塔精馏相比较，得到各工艺的节能情况。

结果表明，相较于单塔精馏工艺，三效逆流精馏工艺的节能效果最佳，塔釜再沸器加热器能耗节省52.6 %。

[关键词]多效精馏；Aspen Plus ；优化；节能
[中图分类号]TQ241.1 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2019)07-0020-02
Simulation and Optimization of Multi-Effect Distillation
Yu Dongliang 1
, Li Fang 1
, Zhang Rongli 1, Li Xingyang 1, Wang Haiyan 2
(1. College of biological and chemical engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 24100；
2. East China Engineering Science and Technology Co., Ltd., Hefei 230022, China)
Abstract: Aiming at the problem of high energy consumption in traditional distillation separation process, taking benzene-toluene system as the research object, a more energy-saving and effective multi-effect distillation separation process is proposed. The single column distillation, double-effect co-current and counter-current distillation, three-effect co-current and counter-current distillation process are simulated and optimized by using chemical simulation software Aspen Plus to determine the appropriate operating conditions and optimization parameters. The simulation results of multi-effect distillation process are compared with those of single-tower distillation, and the energy saving of each process is obtained. The results show that compared with the single-tower distillation process, the three-effect countercurrent distillation process has the best energy saving effect, and the energy consumption of the reboiler heater in the tower bottom is saved by 52.6 %.
Keywords:
multi-effect distillation ；aspen plus ；optimization ；energy saving
化工过程的核心是反应与分离过程。

精馏在分离单元操作中占有重要的位置，广泛用于均相混合物的分离。

但是，精馏的能耗非常大，在分离单元操作中能耗占比往往达到70 %以上[1-2]。

因此，精馏操作的节能问题一直是研究的热点。

多效精馏是以多塔代替单塔精馏的工艺流程，根据各塔的能位级别不同，使能位较高的塔排出的能量用于能位较低的塔，达到节能的目的[3-5]。

近几年来，它主要以低能耗、低品位热量利用和较高的热力学效率引起了人们的高度重视，较为成功应用的工业案例有甲醇-水的分离[6]、海水脱盐[7]等。

近些年，大型流程模拟软件如ASPEN PLUS 成功应用于指导以化工装置改造、工艺改进及节能降耗等为目的的工业实践[8-9]。

本文选择苯-甲苯体系采用ASPEN PLUS 软件对该体系的分离工艺进行模拟研究，分别对单塔精馏、双效精馏与三效精馏进行工艺模拟与优化，并对比各工艺节能效果，为多效精馏的实际应用提供参考。

1 多效精馏工艺的模拟与优化
1.1 流程的建立与ASPEN 模拟
根据苯-甲苯二元体系的特征，采用IDEAL 热力学模型。

用DSTWU 和Distl 模型估算各塔的最小理论塔板数、进料位置和最小回流比等参数。

选用Aspen Plus 软件中的Radfrac 模块对各流程中精馏塔进行严格计算，计算出各参数。

最后利用灵敏度分析，对塔设备进行优化。

下面工艺流程简述以三效逆流工艺(图1)为例。

在图1中，三个塔从左到右依次为高压塔、中压塔与低压塔。

原料从低压塔进料，低压塔塔釜蒸汽所需热源来自中压塔塔顶蒸汽，这两股物流在单独的换热器H2中进行热量交换；同理，中压塔塔釜蒸汽所需热源来自高压塔塔顶蒸汽，设置换热器H1完成热量的交换。

因此，需要外界热量的只有高压塔塔釜再沸器和低压塔塔顶冷凝器。

三个塔中塔顶均得到苯产品，汇集后在D 股物流出料。

甲苯产品在高压塔塔釜出料。

图1 三效逆流ASPEN 模拟流程图
Fig.1 Three-effect countercurrent ASPEN simulation flow chart
1.2 原料组成与分离规定
为了便于比较各效计算的结果，采用相同的进料热状态、规定相同的分离要求，具体数据见表1(表中的进料组成指的是苯的含量)。

[收稿日期] 2019-04-02
[基金项目] 国家自然科学基金(No 21504001)
[作者简介] 余栋梁(1996-)，男，安徽安庆人，安徽工程大学在校本科生，主要研究方向为工程设计。

表1 进料液组成与分离规定
Tab.1 Provisions on composition and separation of feed liquid 序号项目符号符号
1 进料流量 F 100 kg/h
2 进料组成x i,f60ω/%
3 进料状态q 1
4 苯纯度P ur0.99
5 苯回收率R ec0.99
2 结果与讨论
2.1 单塔精馏模拟结果
对单个精馏塔进行模拟与优化，得到单塔精馏模拟结果如表2所示。

表2 单塔精馏最优工艺参数
Tab.2 Optimal Process Parameters for Single Tower Distillation
进料温度/℃操作压
力/kPa
理论板数
进料
塔板数
回流比
总能
耗/kW
20 101.325 21 15 0.93 424.485
2.2 双效顺流与逆流工艺的模拟与优化
根据分离任务，以顺流工艺为例，首先对两塔系统进行总物料衡算，然后借助一个辅助双塔系统，确定B1塔塔顶流率值。

借助设计规定通过调整B1塔塔顶出料量使得该塔冷凝器负荷与B2塔再沸器热负荷绝对值相等，从而得到B1塔塔顶蒸汽出料量。

最后将得到的初值带入进行模拟。

并对双效精馏塔进行模拟与优化，最终得到双效顺流严格计算结果如表3所示。

同理，双效逆流严格计算结果如表4所示。

由表3及表4可见，苯的纯度达到设计规定的要求，摩尔分率均在0.99以上。

表3 双效顺流塔严格模拟结果
Tab.3 Strict simulation results of double-effect downstream tower 项目数据
塔分类B1高压塔B2低压塔
物流代号F1 D1 B1 F2 D2 B2
温度/℃40.0 142.9 168.5 168.5 82.9 119.5
压力/kPa 550 500 520 520 110 130
流率/(kg/h)
苯
甲苯
摩尔分率
苯
甲苯
80 44.7 35.2 35.2 34.8 0.4
120 0.3 119.8 119.8 0.2 119.6
0.4 0.994 0.227 0.227 0.994 0.993
0.6 0.6 0.773 0.773 0.6 0.7
表4 双效逆流严格计算模拟结果
Tab.4 Double-effect countercurrent rigorous calculation simulation
results
项目数据
塔分类B1高压塔B2低压塔
物流代号F1 D1 B1 F2 D2 B2
温度/℃107.0 143.2 179.6 40.0 82.9 107.0
压力/kPa 550 500 520 550 110 130
流率/(kg/h)
苯
甲苯
摩尔分率
苯
甲苯
45.2 44.0 1.2 80.0 34.7 45.3
119.8 1.0 118.8 120.0 0.26 119.7
0.278 0.978 0.1 0.4 0.992 0.274
0.726 0.022 0.99 0.6 0.8 0.726
2.3 三效顺流与逆流工艺的模拟与优化
同双效顺流工艺类似，建立一个辅助三塔系统。

最终得到的三效顺流与逆流结果分别见表5与表6。

由表5与表6可见，三效顺流与逆流模拟结果中各塔苯及甲苯的纯度均达到分离要求。

表5 三效顺流塔严格计算结果
Tab.5 Strict calculation results of three-effect downstream tower 项目数据
塔分类B1高压塔B2中压塔B3低压塔
物流代号F1 D1 B1 F2 D2 B2 F3 D3 B3 温度/℃40 143 166 166 110 138 138 59 98 压力/kPa 550 500 520 520 230 250 250 50 70 流率/(kg/h)
苯甲苯80 29.8 50.2 50.2 29.8 20.4 20.4 19.9 0.6 120 0.2 119.8 119.8 0.2 119.6 119.6 0.1 119.4
摩尔分率
苯甲苯0.4 0.993 20.295 0.295 0.992 0.146 0.146 0.994 0.005 0.6 0.007 0.705 0.705 0.008 0.854 0.854 0.06 0.995
表6 三效逆流塔严格计算模拟结果
Tab.6 Strict Calculation and Simulation Results of Three-effect Countercurrent Tower 项目数据
塔分类B1高压塔B2中压塔B3低压塔
物流代号F1 D1 B1 F2 D2 B2 F3 D3 B3 温度/℃138 143 180 85 110 138 40 59 85 压力/kPa 550 500 520 270 230 250 550 50 70 流率/(kg/h)
苯
甲苯摩尔分率
苯
甲苯20.4 19.9 0.6 50.2 29.8 20.4 80 29.8 50.2
119.6 0.1 119.4 119.8 0.2 119.6 120 0.2 119.8
0.146 0.994 0.005 0.295 0.992 0.146 0.40 0.992 0.295
0.854 0.006 0.995 0.705 0.008 0.854 0.6 0.008 0.705
(下转第41页)
表4 三棱素A、B、C对角叉菜胶致大鼠肿胀的影响
Tab.4 The effect of Sparganin A, B and C on carrageenan-induced swelling in rats
组别剂量/(g·kg-1)
致炎后不同时间足跖肿胀率/%
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h
三棱素A 0.06068 11.17±2.87*19.23±3.09*21.21±3.45 14.58±3.37*9.93±4.08*
0.03034 11.84±3.04 19.54±4.52*21.77±3.49 14.99±4.31 10.69±3.56*
0.01517 12.73±4.88 20.35±2.41 22.46±3.70 15.73±3.56 11.30±4.72
三棱素B 0.0344 11.88±3.84 21.58±3.25 23.83±3.29 16.44±4.83 11.66±3.90
0.0172 10.94±3.63 14.63±4.18*16.34±3.91*10.85±4.24*9.72±3.63*
0.0086 9.37±3.74*12.42±3.99*15.16±3.38*9.91±3.65*8.64±3.52*
三棱素C 0.0432 9.45±3.58*17.67±4.29*20.34±3.70*13.76±4.38*9.21±3.97*
0.0216 10.63±3.87*18.54±4.09*20.15±3.67*14.58±4.35*9.90±3.56*
0.01086 11.76±4.25 20.25±4.99 22.50±3.83 15.91±3.22 10.49±4.13*
阴性组- 12.48±3.87 21.73±4.09 23.18±3.90 16.58±3.25 11.91±3.77 阿司匹林组0.5 6.83±6.27*8.95±3.51*10.83±3.69*11.93±3.94*9.59±4.12*注：与模型组相比，*P＜0.05
4 讨论
炎症是机体对于刺激的一种防御反应，主要表现为红、肿、热、痛，炎症可能会引起疼痛[8]，疼痛通常是由组织损伤的伤害性刺激引起的，和疼痛之间存在一定的联系，炎症往往是对人体有益的，是机体的防御反应，发炎一般会伴随发热、白细胞增多、功能障碍等相关反应。

环境因素、遗传因素、微生物因素、免疫性因素都可能导致炎症的发生，
三棱具有治疗气血凝滞、心腹疼痛，疮肿坚硬的功效，有很多的研究者发现三棱总黄酮具有镇痛的作用，从三棱提取到的三种环二肽，通过实验表明在一定剂量下具有抗炎、镇痛的功效，能够减少小鼠的扭体次数，还能够抑制小鼠耳廓的肿胀度。

然而具体的抗炎、镇痛的机制有待进一步的研究。

参考文献
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(本文文献格式：宋伟群，李蕴，许晓丽，等．三棱素A、B、C 的抗炎镇痛实验研究[J]．广东化工，2019，46(7)：39-41)
(上接第21页)
2.5 节能计算
由前面多效精馏ASPEN模拟模块所得高压塔塔顶冷凝器与再沸器热负荷数据来计算不同精馏方案的节能效果，结果如表7所示。

表7 各精馏流程精馏塔能耗数据
Tab.7 Energy Consumption Data of Distillation Columns in
Various Distillation Processes
项目数据
能耗再沸器热负荷/kW 冷凝器热负荷/kW 常规单塔精馏41.35 26.61
双效顺流29.55 20.89
双效逆流25.90 16.32
三效顺流22.38 12.55
三效逆流19.60 6.53
从表7可以计算得出，用多效精馏分离苯-甲苯比常规精馏节能，其中三效逆流精馏最节能，其塔底再沸器加热能耗比常规单塔精馏节能52.6 %，塔顶冷凝水能耗比常规单塔精馏节能75.46 %。

3 结论
苯-甲苯体系的分离采用普通单塔能耗较高，采用多效精馏工艺，利用一塔塔顶蒸汽为相邻塔塔釜再沸器提供热源，可降低分离过程中的能耗。

在对单塔、双效逆流与顺流、三效逆流与顺流模拟的基础上，发现双效与三效精馏都具有节能效果，其中三效逆流精馏节省能耗最多，与单塔精馏相比，塔釜再沸器节能52.6 %，塔顶冷凝器节能75.46 %。

对双效及三效各个精馏塔参数进行了优化，其中，三效逆流工艺各塔较优工艺参数为：高压塔进料位置第15块塔板、理论板数29，回流比7.8；中压塔进料位置第14块塔板、理论板数27，回流比2.2；低压塔进料位置第12块塔板、理论板数24，回流比1.6。

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(本文文献格式：余栋梁，李芳，张荣莉，等．多效精馏的模拟与优化[J]．广东化工，2019，46(7)：20-21)。