氨蒸馏工艺中蒸氨塔的模拟计算

王剑舟

（江苏中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京 210019）

化工设计

氨蒸馏工艺中蒸氨塔的模拟计算

王剑舟

（江苏中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京 210019）

以Aspen Plus软件为平台，对氨蒸馏工艺的蒸氨塔进行了模拟计算。通过对塔板数、进料位置、回流比与进料热状态的模拟，研究了各参数的影响特点。认为塔板数宜取大一些，进料位置靠近塔下端有利，回流比的选择应首先考虑满足产品质量，进料温度接近泡点为佳。确定塔板数8，在第6块塔板处进料，进料温度100℃，回流比1，灵敏板为第7块塔板，得到塔顶液氨产品氨摩尔浓度>99. 5%，塔底残留液氨摩尔浓度<5%，满足设计规定。

蒸氨塔；Aspen Plus；模拟计算；灵敏板

氨是一种重要的工业原料，在农业生产方面，氨用于制造化肥；在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和脲醛树脂等产品。在常温常压下，氨又是一种有毒有害的气体，能刺激人体感官粘膜，空气中含氨大于0.2 mg·m-3时即会引起人体慢性中毒[1]。中小型合成氨厂的合成弛放气、槽车灌氨闪蒸气（统称弛放气）中含有体积浓度15%～30%的氨气[2-3]，回收这些氨组分，一方面提高了企业的经济效益，另一方面也符合环保的要求。回收弛放气中的氨有两种途径[4-7]，一是以水作吸收剂吸收氨气制备浓氨水，二是用水吸收氨增浓氨水后进一步蒸馏氨水制备液氨。液氨的品位较高，用途也较广，如果能以较低的成本制得液氨将为企业创造可观的经济效益。蒸氨塔是氨蒸馏系统最重要的设备，对蒸氨塔进行模拟计算，甄选出最佳的操作变量，可对节能增效产生积极影响。本文以功能强大的Aspen Plus工程软件为平台[5-9]，对氨蒸馏工艺的蒸氨塔进行模拟计算，为工程设计提供基础数据。

1 基础数据

合成氨厂弛放气的组成比较复杂，但主要组分一般可确定，通过归一化处理可得到各组分的含量。氨的回收工艺由吸收和精馏两系统组成，弛放气通过吸收系统后，回收了绝大部分氨，使放空气的氨排放达标，氨水增浓至20%（重量）左右。本文处理的氨水组成和含量均由上游模拟得到，如表1所示。

表1 进料氨水的组成及含量

蒸氨塔的模拟流程如图1所示，蒸氨塔由Radfrac模型B1模拟，其塔顶冷凝器由闪蒸塔B2代替，目的是通过调节闪蒸塔的气体分率除去液氨中含有的微量高沸点杂质，回流比由分流器B3的分流分率决定。出闪蒸塔的气体（流股6）引回吸收系统回收氨组分，蒸馏塔残留液（流股7）也被打回吸收系统循环利用吸收剂。主要参数的初值为[10-12]：蒸氨塔的理论板数10，氨水进料的温度150℃，系统的操作压力1.46 MPa，蒸馏塔塔顶采出量占进料量的31%，闪蒸塔的气体分率0.05，分流器引出分率0.4。设计要求是：塔顶液氨纯度大于99.5%，塔底稀氨水的氨浓度小于5%。

对任何流程模拟，热力学方法的选择都至关重要，因为它影响着模拟结果的准确程度。Aspen Plus有强大的物性支持，它包含很强大的纯组分物性数据库，提供了几十种汽-液或液-液相平衡计算方法和多种传递性质方法供用户选择，对各种物性体系均有相应的计算模型。在氨-水物系中，氨分子和水分子均为极性分子，宜采用活度系数物性方法。经过筛选，本文选用正规双溶液NRTL方法进行模拟计算。

2 模拟过程

精馏是最常见的分离操作之一，它利用组分之间挥发度的差异来实现连续的高纯度分离。在精馏塔内，上升的蒸汽和下降的回流液在塔板处进行质量和热量的传递。越往塔顶，重组分有效脱除，得到轻组分；越往塔底，重组分富集，得到重组分。在进行精馏计算时，规定了塔顶塔底的产品质量，由物料衡算式、质量衡算式及传递特征方程，可对精馏塔进行求解。由于塔板上的传递过程特别复杂，要得到传递特征方程并不容易。为了避开这一难题，引入理论板的假设，即所谓理论板是一个气、液两相皆充分混合而且传质和传热过程的阻力皆为零的理想化塔板。这样，塔板上传递过程的特征方程式可简化为泡点方程和相平衡方程。基于这种假设，模拟中的塔板均为理论板，当指导工程设计时，增加板效率是必需的，以得到实际的塔板数[13]。

2.1模拟工具

Aspen Plus工程软件提供了大量的模拟分析工具，其中最常用的有最优化和灵敏度分析。最优化是通过调整决策变量来使一个用户指定的目标函数最大化或最小化，其中目标函数可以是任意含有一个或多个流程变量的数学表达式。灵敏度分析则是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和设计变量反应的一个工具，通过改变一个或多个流程变量并研究该变化对其它流程变量的影响。可以用灵敏度分析来验证一个设计规定的解是否在操作变量的变化范围内，还可以用它做简单的过程优化。本文拟采用灵敏度分析工具对各相关影响因素进行模拟分析。

2.2参数模拟分析

2.2.1塔板数

对于设计型问题，规定了塔顶塔底产品质量后，物料衡算方程确定；再规定操作压强、回流比和进料热状态后，平衡关系和操作方程也随之确定。通过平衡方程和操作方程可得到所需的塔板数。相反，当给定一个塔板数，则对应一组产品质量。很多情况下要求的产品质量是在一个范围之内，这就允许塔板数可调。塔板数增加有时确实提高了产品质量，但代价是增加了设备成本。这就存在一个总费用最低的优化。在灵敏度分析中，逐渐增加塔板数，研究塔顶液氨纯度和塔底稀氨水氨浓度的变化。

2.2.2加料板位置

在精馏计算中，跨过加料板由精馏段进入提馏段，在计算中的表现是以提馏段操作方程代替精馏段操作方程。在最优加料板位置进料可使总塔板数最少。通过改变进料板位置，研究塔顶液氨纯度和塔底稀氨水氨浓度的变化。

2.2.3回流比

增大回流比，既加大了精馏段的液气比，也加大了提馏段的气液比，两者均有利于精馏过程的传质。增大回流比，两条操作线均移向对角线，达到指定的分离要求所需的塔板数减少。但是增大回流比是以增加能耗为代价的。因此，回流比的选择是一个经济最优化问题，即在操作费用和设备费用之间作出权衡。通过改变回流比，研究塔顶液氨纯度和塔底稀氨水氨浓度及冷凝器与再沸器能耗的变化。

2.2.4加料热状态

加料热状态可由q值表征，q值表示加料中饱和液体所占的分率，等于1时为泡点加料，等于0时为饱和蒸汽加料。q值越小，说明进料的温度越高，相当于为精馏提供了越多的热量，必然影响精馏计算。通过改变进料的温度，研究塔顶液氨纯度和塔底稀氨水氨浓度的变化。

3 模拟结果与讨论

3.1塔板数的模拟结果

塔板数由3增至10，每次递增一块，进料板取塔板数的一半向上圆整处，其它条件不变，研究液氨产品与塔底残液氨浓度的变化，其结果如表2所示。可见，整体来讲，随塔板数的增加，塔顶液氨产品的纯度上升，塔底残留液氨含量减少，氨的回收率提高。这是由于塔板数越大，气液传质越充分，轻组分氨在塔顶的富集程度越高，在塔底的脱除越干净。当塔板数增至5时，设计规定得到满足。继续增加塔板数，液氨产品纯度微小变化，残留液氨含量几乎不变。当塔板数增加到8块以上，两个指标几乎恒定，塔板数增加的积极作用消失，只会增加设备费用。考虑到给予其它参数足够的可调范围，可适度趋大取塔板数为8。

表2 塔板数的模拟结果

3.2加料板位置的模拟结果

确定塔板数为8后，进料板由1逐板变化到8，其它条件不变，研究液氨产品与塔底残液氨浓度的变化，其结果如表3所示。可见，随进料位置的下移，液氨产品的氨摩尔浓度首先上升，当在第6块塔板进料时，达到最大，随后则下降。受物料平衡的约束，残留液氨摩尔浓度变化与液氨产品的刚好相反，先降后升，出现最小值。可以认为，第6块塔板处为最优进料位置。在最优进料板位置进料，并假设全塔液气比恒定，且取为最下面一块塔板处的液气比，得到精馏段操作线和提馏段操作线，如图2所示，其交点对应的横坐标xq在0.6~0.7之间。由模拟结果得到，进料板（第6块）处液相中氨的摩尔浓度为0.65195129/(mol/L)，与xq非常接近。验证了最优加料 板位置是该板的液相组成最接近xq处的结论。

表3 加料板位置的模拟结果

3.3回流比的模拟结果

由于蒸馏塔的冷凝器为闪蒸塔，回流比R定义为流股4的流量与流股2减去流股4流量之差的比值，即R=F(流股4)/(F(流股2)-F(流股4))。回流比的变化通过调节分流器B2的分流分率实现。塔板数为8，在第6块塔板处进料，分流器B2对流股5（液氨产品）的分流分率由0.1至0.8，研究产品质量、闪蒸塔能耗及再沸器能耗的变化，其结果如表4所示。可见，增加回流比，液氨产品氨摩尔浓度先增后降，而残留液的氨摩尔浓度一直增大。说明增加回流比可提高液氨产品的质量，但氨的回收率要下降。这是由于回流高浓度液氨时，抬升了整塔液相的氨摩尔浓度。增加回流比，闪蒸塔所需冷量减少，再沸器的能耗也下降。这是由于增加回流比，增加了物系的氨浓度，而氨浓度越大，物系沸点减小，特别是高浓度区，减小明显，如图3所示[14]，整塔温度便要降低，导致所需能耗下降。可以认为，回流比对产品质量有明显影响，而对能耗的影响不大。选择回流比应首先考虑满足液氨产品的质量，兼顾氨的一次回收率。这样，可选取回收率为1左右，相对应的分流器对流股5的分流分率为0.4。

表4 回流比的模拟结果

3.4加料热状态的模拟结果

由图3可知，进料组成的泡点温度约为116℃，露点温度约为188℃，低于116℃为过冷加料，高于188℃为过热加料，而高于116℃且低于188℃为气液混合加料。设置多个温度点，研究其对产品质量的影响，结果如表5所示。可见，随进料温度增加，液氨产品氨摩尔浓度下降，残留液氨摩尔浓度则上升，也就是说，若要使产品达标，所需塔板数随进料温度的增加而增加。这是因为在进行全塔热量衡算时，塔底加热量、进料带入热量与塔顶冷凝量三者之间有一定关系，当回流比R固定即塔顶的冷凝量不变，进料带热愈多，塔底供热则愈少，塔釜上升的蒸汽量亦愈少，使提馏段的操作线斜率增大，所需塔板数增多。在热耗一定的情况下，热量应尽可能在塔底输入，使气相回流在全塔发挥作用。因此，进料温度不宜高，接近泡点的过冷进料为佳，可选择100℃的进料。

表5 加料热状态的模拟结果

3.5灵敏板的确定

一个正常操作的精馏塔当受到某一外界因素的干扰，全塔各板的组成将发生变动，全塔的温度分布也将发生相应的变化。因此，有可能用测量温度的方法预示塔内组成尤其是塔顶馏出液组成的变化。仔细分析操作条件变动前后温度分布的变化，即可发现在精馏段或提馏段的某些板上，温度变化最为显著。或者说，这些塔板的温度对外界干扰因素的反应最灵敏，故将这些塔板称之为灵敏板。在操作上，根据灵敏板的温度变化采取调节手段，稳定馏出液组成。通过改变回流比，研究每块塔板上温度的变化，变化最大处的塔板即为灵敏板，结果如图4所示。可见，整塔温度分布很广，精馏段温度较低，提馏段温度较高。回流比由1变化至3，在第7块塔板处的温度变化最大。所以，位于加料板偏下的第7块塔板为灵敏板。这样，可以在第7块塔板处安装感温元件，监测组成的波动。

4 结论

通过模拟计算，得出以下结论：塔板数为结构参数，确定后不好改动，宜取大一些；为满足塔顶产品的高纯度，进料位置靠近塔下端有利；回流比较大地影响着产品质量，而对能耗影响较小，应首先考虑满足产品质量；进料温度不要太高，接近泡点为佳；灵敏板为进料板偏下位置，可方便预测塔顶产品组成的波动；确定塔板数为8，回流比为1，在第6块塔板处进料，进料温度100℃，塔顶液氨产品氨摩尔浓度0.997，塔底残液氨摩尔浓度0.037，均符合设计规定。

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The Simulation for Ammonia Rectification Columnin Ammonia Rectifying Process

WANG Jian-zhou
(Jiangsu China Nuclear Industry Huawei Enginearing Design&Research Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China)

This paper simulated the ammonia rectification column in ammonia rectifying process by Aspen Plus software as the platform.Through the simulation for stage numbers,feeding stage,reflux ratio and feed heat state, did a research for the influence feature of every parameter.Concluded that a little more stage numbers is better, feeding stage took advantage while approaching the bottom,reflux ratio was fixed on by product quality firstly,feed temperature near bubble point had better.Set stage number 8,feeding stage number 6,feed temperature 100℃, reflux retio 1,sensitive stage 7,got the result of ammonia mole fraction in liquid ammonia from the column top>99.5%, and that of residual liquid from the column bottom<5%,which exactly conformed to design specification.

ammonia rectification column；Aspen Plus；simulation；sensitive stage

1006-4184（2012）05-0029-05

2011-10-24

王剑舟（1983-），男，江西赣州人，华东理工大学硕士毕业，现从事工艺设计工作。