Aspen Plus模拟软件在HFC-134a产品精馏塔的应用

熊显云 穆润敏

(浙江衢化氟化学有限公司，浙江 衢州 324004)

Aspen Plus模拟软件在HFC-134a产品精馏塔的应用

熊显云 穆润敏

(浙江衢化氟化学有限公司，浙江 衢州 324004)

将Aspen Plus工艺流程模拟软件应用在HFC-134a产品精馏塔，通过模拟得出原有精馏塔具备分离纯度达99.99%以上 HFC-134a产品的能力，并且分析精馏塔操作压力、操作温度、回流比、进料量等参数变化后对塔其他参数的变化影响，并在此基础上，通过分析压力变化塔热负荷改变，提出该精馏塔操作压力优化值，降低装置运行成本，柔性化生产出满足市场需要的不同品质的产品，增强产品市场竞争力，提高装置运行效率。

Aspen Plus；精馏塔；HFC-134a

0 前言

HFC-134a作为使用最广泛的中低温环保制冷剂，对臭氧层不起破坏作用，具有良好的安全性能，如不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性；其制冷量及效率与CFC-12非常接近，所以被视为优秀的制冷剂替代品。但由于目前HFC-134a产品市场供大于求，竞争非常激烈，为了满足用户的不同需求，增强企业市场竞争力，原HFC-134a装置同时还能生产高纯度(99.99%以上)药品级HFC-134a产品，成为抢占市场的契机之一，HFC-134a成功实现药品级注册认证，获得药品级通行证，开辟了新的市场。

Aspen Plus作为业内公认的化工过程建模平台，它提供了大量的化工单元操作模型，包括反应器、分离操作单元、换热器等；同时它还提供大量的物性数据，绝大多数化学物质的物性数据都能从它的物性数据库中查找。Aspen Plus可以对一般的化工过程进行模拟分析，还能对操作参数进行优化。

运用Aspen Plus软件在流程模拟上的优势，对衢化氟化学公司的HFC-134精馏塔进行静态模拟，确定该塔是否可以达到99.99%以上HFC-134a产品的分离要求，并且分析该塔在不同操作条件下的分离能力以及塔底供热量和塔顶冷凝量的变化，为实际操作调整、优化工艺操作、降低装置运行成本提供依据。

1 工艺过程简述

从节约投资、节约空间、柔性化生产、提高装置运行效率等方面考虑，利用原有精馏塔进行模拟。原精馏塔参数为：塔径Φ 650 mm，塔高16 800 mm，筛板塔28层，设计压力1.25 MPa，设计温度160 ℃。

模拟工艺流程为：将HFC-134a 粗产品输送至精馏塔进行精馏。塔顶分离出纯度为99.99%以上 的HFC-134a产品；塔釜主要为HCFC-133a等高沸物，采出后进入下一工序进一步处理。在Aspen Plus中简单工艺模拟流程如图1所示。

图1 精馏工艺流程

2 Aspen Plus工艺模拟

Aspen Plus中使用DSTWU、Distl、RadFrac、Batchsep等塔模型来计算和模拟精馏塔，其中RadFrac是一个严格的用于模拟各种类型的分馏操作模型，因此选用RadFrac模块进行连续稳态模拟。根据Aspen Plus常用热力学方程，选用PENG-ROB状态方程及NRTL活度系数模型进行模拟。

该塔为原有装置精馏塔，故进料位置已经固定；进料来源为原装置产出，进料组成及温度基本恒定，进料温度为20 ℃，进料组成及其他初始条件见表1和表2。

表1 精馏塔进料组成

表2 精馏塔初始条件

在上述条件下，Aspen Plus模拟出来的结果与实际试运行标定结果对比如表3所示。

表3 模型计算结果与实际标定结果对比

从模拟计算结果与实际试运行时标定数据对比可以看出，Aspen Plus计算结果与标定结果基本吻合，说明该模型的建立是恰当的，可以利用其对塔进一步分析和优化。

3 模拟分析

3.1 操作压力

压力是影响精馏塔操作的重要因素。该塔设计压力为1.25 MPa，塔内压力变动将使每块塔板上的气液平衡关系发生变化。操作压力增加，组分间的相对挥发度降低，分离效果下降。操作压力降低，则塔顶冷凝器及塔釜再沸器热负荷会增加，装置运行成本较高。

据此运用Aspen Plus模拟计算在不同操作压力下能耗的变化。根据所建立的静态模拟，在其他条件一定的情况下，将该塔的操作压力由0.6 MPa逐步增加到1.0 MPa，得到冷凝器和再沸器负荷见表4。

表4 精馏塔热负荷随压力的变化

由Aspen Plus计算数据可以看出，随着塔压的升高，塔釜再沸器需要的热量逐渐减少(蒸汽用量减少)，塔顶冷凝器所需要的冷媒同时逐渐减少。所以，在保证塔顶采出质量稳定的前提下，升高塔压有利于降低塔顶冷凝器负荷，同时塔釜热媒需求量也会下降。

3.2 回流比

回流比是精馏的核心，在精馏的设计或操作时，回流比的大小不仅影响所需的理论塔板数、塔径、塔板的结构尺寸，还影响热媒和冷媒的消耗量。这将直接影响设备投资费用及实际操作成本。因此，无论从经济上还是操作上考虑，选取适宜的回流比至关重要。为此，在这个模型的基础上，通过灵敏度分析来优化操作条件。针对回流比进行分析计算。

在操作压力为1.0 MPa的情况下，精馏塔回流比与塔顶产品纯度关系如图2所示。

图2 塔顶HFC-134a纯度与回流比关系

由图2可知，在回流比为14时，该塔塔顶HFC-134a浓度最高，但是回流比越大，能耗越大，运行成本较高，所以还需要综合考虑确定最佳经济效益下的回流比大小。

3.3 进料量

在压力为1.0 MPa、回流比为14的条件下，通过改变该塔的进料量来调整塔的负荷使塔顶采出纯度达到99.99%的产品。但是模拟计算结果显示无论怎么改变进料量的大小，塔顶HFC-134a的纯度都达不到99.99%。根据化工原理知识可知，在相同回流比时，塔顶、塔釜产品的纯度将随塔压的增加而下降。而所选用的操作压力1.0 MPa几乎是该塔的极限操作压力，所以在回流比为14的情况下通过改变精馏塔的负荷很难实现HFC-134a纯度达99.99%的目的。

3.4 综合因素

最小能耗操作最优化是人们期望的最理想目标，以达到最好的经济效益。对于一个精馏塔系统而言，优化操作的目标是在满足产品质量指标的情况下，产量最多，能耗低，利润最大化。

在进料量为1.46 m3/h条件下不断改变塔压、回流比、塔釜采出量，进行多组模拟计算，发现在塔压为0.6 MPa、回流比为12时，该塔精馏能力、能耗及产量处于最佳组合状态。

在这个操作条件下，最佳组合状态下模拟计算结果如表5所示。

表5 最佳状态下计算结果

在这种状态下，该塔的产能为20.717 lbmol/h，即23 t/d。

4 结论

1)采用Aspen Plus的严格精馏模型RadFrac模块模拟精馏HFC-134a工艺过程，模拟表明原精馏塔可以达到纯度为99.99%以上的HFC-134a产品的分离要求。运用投产后，实际操作数据与模拟数据吻合良好。

2)通过参数优化，确定精馏塔的最佳操作条件为：操作压力为0.6 MPa，回流比为12。

3)根据模拟结果可以得出，若在原有装置存在冰机能力不足、冷媒提供冷量不足的前提下尽量采取较高的操作压力，降低冰机负荷，实现降低装置运行成本。

4)回流比变化，塔相关操作参数随之变化，在满足产品纯度要求的情况下，可以通过调节回流比模拟操作工况，以确定更经济、更稳定的操作条件，对实际生产具有很好的指导意义。

5)通过Aspen Plus工艺流程模拟软件应用在HFC-134a产品精馏塔，实现装置柔性化生产出满足市场需要的不同品质的产品，增强产品市场竞争力，提高装置运行效率。

[1] 孙兰义. 化工流程模拟实训-Aspen Plus教程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.

[2]郑丹星. 流体与过程热力学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

Application of Aspen Plus Simulation Software in HFC-134a ProductRectifying Tower

Xiong Xianyun, Mu Runmin

(Zhejiang Quhua Fluor-Chemistry Co., Ltd., Quzhou 324004, China )

Aspen Plus process simulation software was applied in HFC-134a product rectifying tower. It was found that the original rectifying tower has the ability to get high purity of HFC-134a product of more than 99.99% through the simulation. Then the change of pressure, operating temperature, reflux ratio, feed rate leading to the change of other parameters were analysised. On this basis, through the analysis of pressure change leading to the heat load change, the optimal value of operating pressure was proposed, inorde to reduce the unit cost and produce different quality of products to meet the market, enhance products competitiveness and improve the efficiency of the device.

Aspen Plus; rectifying tower; HFC-134a

熊显云(1976—)，男，工程师，从事氟化工技术及项目建设管理工作。