丙烯酸精制单元急冷塔的模拟

丙烯酸精制单元急冷塔的模拟 第２６卷第６期２０１０年３月 ＝＝＝＝＝Ｉｉ ｉｉ 甘肃科技 吲．２６ Ｎｏ．６ Ｍａｒ．２０１０ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １ｆＴ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝：＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 丙烯酸精制单元急冷塔的模拟 罗舜皓１，刘忠德２，俞燕龙３ （１．兰州石化公司物资采购管理部，甘肃兰州７３００６０；２．兰州石化公司合成橡胶厂，甘肃兰州７３００６０３； ３．兰州石化公司研究院，甘肃兰州７３００６０） 摘要：运用ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ过程模拟软件对兰州石化公司丙烯酸精制单元急冷塔（＇１＂２１１０）进行了单塔的模拟与优化，模拟值与设计值基本吻合，可用于指导实际生产操作和设备改造，优化生产操作参数，提高企业的计算机应用水平。 关键词：丙烯酸；精制；急冷塔；模拟中图分类号：ＴＱ５７７ 化工流程模拟优化技术是化工师设计新装置和现有装置性能和改进现有装置操作的有力工具…。此次利用ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ化工流程模拟软件对兰州石化公司丙烯酸厂精制单元的急冷塔＇Ｉ＇２１１０塔进行了模拟分析，同时建立了丙烯酸及酯的物性 吸收工序的丙烯酸水溶液通过恒沸蒸馏的方法把水和醋酸从丙烯酸中分离出去，所用的共沸剂是甲苯。甲苯与水的共沸组成为甲苯８０．４％，共沸温度８４．１℃，甲苯在水中溶解度５．７ｖ％。 流程图参见原设计文件【２Ｊ。 从急冷塔ＴｌｌｌＯ送出的含有６０％（ｗｔ）ＡＡ、３８％Ｈ：Ｏ、２％ＡＣＡ的粗丙烯酸水溶液由Ｐ一１１１０Ａ／Ｂ送至Ｔ一２１１０（轻组份分馏塔）的第１５块板。 水、醋酸和甲苯经减压蒸馏作为共沸物从Ｔ一２１１０塔顶蒸出，组成为：８９％ＴＯＬ、９．９％Ｈ２０、０．７％ＡＣＡ。蒸出物经Ｅ一２１１２Ａ／Ｂ（Ｔ一２１１０塔顶冷凝器）被部分冷凝，冷凝液流人Ｖ一２１１ｌ（Ｔ一２ｌｌｏ回流罐），未凝气体进入Ｅ一２１１３（Ｔ一２１１０尾气冷凝器）被进一步冷凝，冷凝液也进入Ｖ一２１１１，从Ｅ一２１１３出来的不凝气体通过水环真空泵Ｐ一２１ １６Ａ／Ｂ 数据库。模拟计算结果与设计值基本吻合，可以用 来分析精制单元急冷塔操作能力和操作问题，指导实际生产操作。以模拟分析值为理论依据，优化生产操作参数，从而在根本上解决丙烯酸精制过程中的瓶颈问题，在引进技术的消化吸收方面取得突破性进展，提高了丙烯酸精制单元的处理能力，降低了单耗，也使企业的计算机应用水平上了一个台阶。 １工艺原理 从Ｔ２１１０塔开始进人丙烯酸精制单元。精制单元的作用是将氧化单元送来的约６０％（ｗｔ）的丙烯酸水溶液经脱水、醋酸和重组份后精制成９９．５％（ｗｔ）的高纯度丙烯酸产品。精制单元分为轻组份分馏工序、丙烯酸提纯工序、二聚物分解兰个工序。本模拟需要模拟轻组份分馏和丙烯酸提纯两个工序，如图ｌ所示。 （Ｔ一２１１０真空泵）抽至真空泵分离器进行气、水分离，废水排往Ｚ一７ｌｌｌ，废气排至废水处理单元。 Ｖ一２１Ｉｌ内被隔板分成两个区：水相区和甲苯区。流人的冷凝液在水相区分层，上层的甲苯向甲苯区溢流。甲苯区内的甲苯由Ｐ一２１１ＩＡ／Ｂ（Ｔ一２１１０回流泵）分两路送出：一路用ＦＩＣ一２００５调节控制回流量为７４１５４ｋｇ／ｈ，从Ｔ一２１１０塔顶回流入塔内；另一路用ＬＩＣ一２００３调节送往Ｖ一６１０２（溶剂贮罐）的甲苯量来控制甲苯区的液位为５０％。水相区内的水由Ｐ一２１１２Ａ／Ｂ（Ｔ一２ｌｌＯ馏出泵）送出，用ＬＩＣ一２００２调节去废水罐的废水量来控制水相区的界面为３６％。 塔釜液是含有少量醋酸和共沸剂的丙烯酸溶 图１丙烯酸精制单元流程 Ｔ２１１０塔（轻组分分馏塔）的作用是将来自急冷 液，组成为：８２．９％ＡＡ、１５．９％ＴＯＬ、０．７％ＡＣＡ，一部分由Ｐ－２１１３（Ｔ一２１１０再沸器泵）打入再沸器Ｅ一 ２２ 甘肃科技 一种模型。 三相闪蒸器模型：Ｆｌａｓｈ３ 第２６卷 ２ｌｌｌ（Ｔ一２ｌｌＯ再沸器）进行强制循环，Ｅ一２１１ｌ采 用０．２ＭＰａ（Ｇ）蒸气加热，用ＴＩＣ一２００１和ＦＩＧ一 ２００１串级调节加入的０．２ＭＰａ（Ｇ）蒸气量来控制塔 釜温度为８２．５℃。另一部分由Ｐ一２１１０Ａ／Ｂ（Ｔ一２１１０塔釜泵）送往Ｔ一２１２０（醋酸塔）第３４块塔板 二相闪蒸器模型：Ｆｌａｓｈ２ 泵模型：Ｐｕｍｐ一分配器模型：ｒｐｌｉｔ２．３主要模拟结果 主要进料流股性质见表ｌ，出料流股的模拟结果，见表２，塔的热负荷模拟结果，见表３。 表１＂１＂２１ １０塔的进料流股性质 、 进一步脱醋酸和甲苯。用ＬＩＣ一２００１和ＦＩＣ一２００２串级调节塔釜采出量来控制塔釜液位为２９％。 Ｔ一２１１０为板式塔，塔顶温度４４．８ｃＣ，压力１５．４７ｋＰａ（Ａ），塔釜温度８２．５℃，压力２３．４６ｋＰａ（Ａ）。 聚合反应易在共沸蒸馏中发生，尤其在塔釜，因 此要采用负压操作，控制较低的塔釜温度，要向塔内和再沸器底部加阻聚空气；在第１７块塔板中加入送 来的定量的阻聚剂以防止聚合。此外，要保证塔釜 物料含水尽可能低来防止在共沸蒸馏塔中发生聚合。 ２建模 ２．１热力学模型 该精馏过程是一个典型的共沸精馏过程，不仅 含有气液平衡问题，在塔顶回流罐中，还含有液液平衡问题，即共沸剂与水的分相问题。 根据前面的研究结果，采用ＮＲＴＬ—ＲＫ模型，考虑气一液一液相平衡。２．２设备模块 模拟流程，如图２所示。 图２也１１０塔模拟流程 精馏塔模块：采用Ｒａｄｆｒａｃ模块，再沸器可选用 常规再沸器模型，冷凝器可选用常规分凝器，但需要考虑水的析出及气相流股的再回收问题，也可选用三相闪蒸器（气相、油相和水相），从三相闪蒸器出来的气相用二相闪蒸器回收，液相回到三相闪蒸器，气相放空。为增加处理问题的灵活性，这里采用后 第６期 罗舜皓等：丙烯酸精制单元急冷塔的模拟 表２ Ｔ２１１０塔模拟结果 ２３ 温度压力质量流量气相分率焓蕴．９８４实际流量流量实际密度标准密度ｌＥ硅螽６粘度导热系数 Ｈ２０Ｎ２０２Ｃ０ Ｈ２０ ℃“．８ １５．４７ ４５１５．４７８２８６３．７ ９１．７２３．４６ ９４．５２３．４７６１６４０．３ ３８１４．６７ ３８１４．６７ ｋＰａ（Ａ）ｋｒ／ｈ ８３４７４．１ １．０Ｍ ６１２４０．３０．０ ８６２６ Ｏ．Ｏ ８２２４．６ ， ｋＪ／ｈ５７．２３８８２１５６９１．２ —１６．４１２６５．０ １１．０８７０６５．７６ —６５．０８２ ８．６ １．３３６ ｍ３／ｈｍ３／ｈｋｇ／ｍ３ｋｇ／ｍ３ ２１７７３７．３８．９ ０．３８３４０．３８４２９４１．７ ９３７９９８．２９７９．９ ｋＪ／ｋｇＫ ｃＰ Ｏ．００７９４０．０１３８９．８８９４Ｏ．０４７５０．０１３７ １．２７７６Ｏ．００８６０Ｏ．０１４６９．９７４５Ｏ．００３４Ｏ．０００３０．ＯｏｏＯ １．３０１Ｏ．５００３０．１３８９ ２．２４７５０．４０３９０．１３３１ １．８９７０．６７９５０．４７６１９５．０７２２ ４．０７２１０．６９６３０．６０１８９９．７０７８０．００１５０．０００２０．００００Ｏ．０００５Ｏ．０００００．００００Ｏ．００００Ｏ．１１４５ Ｗ／ｍＫＷｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％ Ｖｅｔ％ Ｎ２０２ Ｃ０Ｃ０２ＰＰ Ｃ０２丙烯乙烯丙烷丁烷甲醛乙醛丙烯醛 丙酮 Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％ Ｏ．Ｏ００２０．０００３Ｏ．００００Ｏ．０００００．ＯＯｏｏ Ｃ：凡 Ｃ３＋Ｃ４ＨＩｏＦＡＬ Ｏ．０２７４Ｏ．ＯｌＯｌ ０．０３３１０．０２５６ ０．０９７７ Ｏ．０８４７ ＡＣＬ０．０１０００．０１６１ Ｏ．００４２０．００３９ ＡＣＲＷｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％ Ｏ．０１１４０．００３３０．６９７００．１３２１０．ｏｏｌ５ ０．０７４２Ｏ．００２１Ｏ．００００Ｏ．０００００．０００００．０００００．００００ ０．６９７２８２．９２４２Ｏ．０２５９Ｏ．０１０７Ｏ．００９０１６．００４６０．０８２２ １．３１４７８２．６１２７Ｏ．０２７５０．０１４３０．００９１１５．８８０９０．０８１５ ０．０２０４０．０１６４ ＡＣＴＡＣＡＡＡＰＲＡＦＵＲＢＺＡＬ’Ｉ＇０ＬＭＡＨＭＡＡＤ—ＡＡ ０．００２３４．４２７３０．３０５３０．０１４０ Ｏ．００２８０．０００ｌ０．０００００．００００Ｏ．００００Ｏ．００００ 醋酸丙烯酸丙酸糠醛苯甲醛共沸剂马来酸酐马来酸二聚物对甲氧基苯酚 ８９．１５６５８９．８７０３０．０５６６ Ｏ．０６７６ ０．１９２０ ＭＱ 对苯二酚 ｎＱ Ｗｔ％０．０３１４０．０３１１ 巴豆酸 ＣＲＡ Ｗｔ％０．０２２７０．０２８２ ＝：＝：＝＝＝＝：：：：＝：：＝：：：：：：：：：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 表２ ２４ 甘肃科技 第２６卷 Ｔ２１１０塔模拟结果（续） 。 笪星望垡笪堕旦．．●●—－—————————’＿＿＿－＿＿－＿—＿——————－——————＿＿—＿－＿●＿———————－———●——＿—————＿—－＿’————＿——————————－——————————————————————一 流股号 一 一 ●＿－——————＿＿———————●—－—————＿———＿———＿————————＿————＿——＿———————————————————————————————————————————————一一 ！竺！ ！！竺 设计值 ３８．０１４．６７７４７８５．２ 一一一——————二 ！！！ 设计值 ３８．３２５０．０６５３．４ 模拟值 ３８１４．６７ 设计值 ３８．３２５０．０ 模拟值 ３８．２２５０ 模拟值 ３８．２２５０９００．７ 温度 ℃ 压力质量流量气相分率焓值实际流量标准流量实际密度标准密度比热粘度导热系数 Ｈ２０Ｎ２０２Ｃ０ Ｈ２０Ｎ２０２Ｃ０ ｋＰａ（Ａ） ｋｇ／ｈ ７４６３２．５７３７３１．８７３７３１．８ ＭｋＪ／ｈ ４．８０７０８７．７ ２．４４４８７．７ ４．７７２６８６．６ ２．４２６８６．６ Ｏ．０４２３０．８ １．０５８ ｍ３／ｈｍ３／ｈｋｇ／ｍａｋｇ／ｍ３ ８５３．１ ８５１．２８５１．１８５１．Ｏ８５１．１８５１．０ ｋＪ／ｋｇＫ ｃＰＷ／ｍＫ １．７５ｌｌ０．４８０７０．１２６１０．０７２１０．０００１０．０００１ １．６９７０．４８０４０．１２９０．０８６２０．０００３Ｏ．００００Ｏ．００００Ｏ．ＯｏｏｌＯ．００００Ｏ．Ｏ０００Ｏ．００００ １．７５２００．４７９３０．１２６０Ｏ．０７２１０．０００１０．Ｏｏｏｌ １．６９７０．４７９４Ｏ．１２９０．０８６２０．０００３０．００００Ｏ．００００Ｏ．０００１０．００００Ｏ．０００００．００００ １．７５２００．４７９３０．１２６０Ｏ．０７２ｌ０．０００ｌＯ．０００ｌ １．６９８０．４７９４０．１２６００．０８６２０．ｏ（）０３０．０００００．００００Ｏ．０００ｌＯ．００００Ｏ．００００Ｏ．００００ Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％ Ｃ０２丙烯乙烯丙烷丁烷甲醛乙醛丙烯醛丙酮醋酸丙烯酸丙酸糠醛苯甲醛共沸剂马来酸酐马来酸二聚物对甲氧基苯酚对苯二酚 ｃ０２ ＰＰＣ２Ｈ４Ｃ３＋Ｃ４ＨＩｏＦＡＬ ０．００１７２０．０２３４０．０１７３ ０．０１７２０．０２３４０．０１７３ ０．０１７２Ｏ．０２３４０．０１７３０．０１７４ ＡＣＬ ０．０１０６０．０１７４０．０１０６０．０１７４０．０１０６ ＡＣＲ Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％Ｗｔ％ Ｏ．００９８０．０８０５Ｏ．００９８０．０８０５ ０．００９８０．０８０５ ＡＣＴＡＣＡＡＡＰＲＡＦＵＲＢＺＡＬＴＯＬＭＡＨ Ｏ．００３３０．２６７３０．１１２２０．０００ｌ Ｏ．００２０Ｏ．０００００．ｏｏｏｏＯ．００００Ｏ。００００Ｏ．００００ Ｏ．００３３０．２６７３０．１１２２０．０００ｌ Ｏ．００２０Ｏ．０００００．０００００．ｏｏｏｏ０．００００Ｏ．００００ ０．００３３０．２６７３０．１１２２Ｏ．０００ｌ ０．００２００．０００００。００００Ｏ．０００００．００００Ｏ．００００ ９９．５０７２９９．７７２７９９．５０７２ ９９．７７２７９９．５０７２９９．７７２７ Ｍ从 Ｄ—ＡＡ ＭＱＨＱ 竺坠坠丝里至墼 －－＿＿－＿＿＿＿＿●＿＿●＿－－＿Ｉ＿－●－＿－＿＿＿＿●－＿＿●＿＿＿●＿●＿＿＿＿＿－●—－●●＿＿＿＿＿＿ｌ＿●－＿＿ｌ＿—＿＿＿＿＿－＿＿●＿●＿－＿－＿＿＿－－＿＿＿＿＿＿＿＿－———－＿●＿＿●—————————————————————————————————一一表３精馏塔热负荷模拟结果 精馏塔 塔顶热负荷（ｋＷ）设计值 模拟值 塔釜热负荷（ｋＷ）设计值 １５２６５ 模拟值 １４７９８ Ｔ２１１０．．１３７４０．．１３６２０ （下转第１７页） 第６期杨福元等：基于虚拟仪器的信号发生器系统设计 １７ 频率ｌ，当为高电平时输出频率２。ＢＦＳＫ端口的电平信号由ＦＰＧＡ发出，应用ＦＰＧＡ可以灵活发出各种数字码也可以改变数字码的码率。３．４二进制ＡＳＫ信号的产生 ＡＤ９８５２芯片内部集成了通断整形键控功能， 图３多路信号发生器模块 此功能的作用是使用户控制数模转换器的输出幅度逐渐上升或下降，可减小信号反冲，幅度突变会在很宽的频谱范围内产生冲击。要用通断整形键控功能首先得使数字乘法器有效，输出幅度渐变可在芯片内部自动进行，也可由用户编程控制。当数字乘法器的输人值全是０时，输出信号就产生Ｏ幅度，数字乘法器全是ｌ时，输出信号产生满幅度。 ＤＤＳ模块通过一个电源模块统一供电，为了提高系统的稳定性和输出信号的质量，将系统的电源分为模拟电源和数字电源两部分，而且系统电源的输出波纹系数都小于ｌ％。 ３软件设计 ３．１ ＡＭ信号的产生 ＡＤ９８５２工作在Ｓｉｎｇｌｅ—Ｔｏｎｅ模式下，通过改变 ４结语 研究了信号发生器的硬件结构，详细分析了各种信号的发射原理和方法。通过ＭＣＵ控制ＡＤ９８５２实现了各种调制信号的发射。本模块采用了虚拟仪器设计思想，通过上位机软件下发，信号发生器收到协议后进行相对应的操作，系统设计合理紧凑，性能稳定可靠。参考文献： ［１］ 杨晓慧，杨永健．基于ＦＰＧＡ的ＥＤＡ／ＳＯＰＣ技术与ＶＨＤＬ【Ｍ］．国防工业出版社，２００７． ［２］罗杰．ＶｅｒｆｌｏｇＨＤＬ与数字ＡＳＩＣ设计基础［Ｍ］．华中科 技大学出版社，２００８． ［３］汤继星．基于的直接数字频率合成（ＤＯＳ）技术研究 ［Ｄ］．南京理工大学信号与信息处理，２００８． ［４］付江蔚．基于ＤＤＳ信号发生器的研究与设计［Ｄ］．电 子科技大学软件工程，２００７． ［５］周红艳．基于ＤＤＳ信号发生器的设计［Ｄ］．电子科技 大学测试计量技术及仪器，２００７． ［６］刘玉良，刘国平，俞红杰．直接数字频率合成器的设计 ［Ｊ］．浙江海洋学院学报，２００４（１２）：３２０－３２２． ［７］赵东阳．直接数字合成在任意波形发生器中的应用 ［Ｊ］．世界电子元器件，２００６（６）：６８－７０． ［８］周鹏，田书林，刘科．直接数字式频率合成信号的滤波 频率字和幅度字就可以产生相应的调幅信号。例如产生一个载波频率为毛，调制频率为Ｌ的幅度调制信号，给ＡＤ９８５２输入一个４８位的频率控制字，产生一个频率为毛的载波信号。ＡＤ９８５２可以通过数字乘法器控制输出波形的幅度，要产生一个调制频率为ｆＩ的幅度调制信号，只需要产生一序列随着调制信号幅度变化的幅度控制字，就可以产生数字调幅信号。如果要产生任意调制频率的调幅信号，可以在ＭＣＵ的存储器中放置一个波表，在ＭＣＵ中通过ＤＤＳ算法实现任意调制频率的产生。 ３．２ ＦＭ信号的产生 通过改变频率控制字，可以迅速改变输出信号 的频率。ＦＭ信号的产生和ＡＭ信号的产生相似，按照调制信号幅度的变化，改变频率控制字，使输出信号的频率随着调制信号的幅度变化而变化。 ＡＤ９８５２可以工作在Ｃｈｉｒｐ模式下，产生线性调频信号，通过改变驻留时间和频率步进量可以实现非线形扫频。 ３．３ ＢＦＳＫ信号的产生 首先设置好两个频率控制字ＦＷＩ和ＦＷ２，然后 通过控制信号ＢＦＳＫ控制这两个频率快速切换。由ＢＰＳＫ端选择输出信号的频率，当为低电平时输出（上接第２４页） 处理［Ｊ］．检测技术，２００４，２３（９）：１４－１６． 要在塔釜出现。２）从表３可以看出，该模型对塔顶、塔釜热负荷的模拟结果与设计结果有一定偏差，但结果可以接受。参考文献： ［１］彭秉璞．化工系统分析与模拟［Ｍ］．化学工业出版社． １９９５：８７－９６． ・●…●…・●…●．．。●．一●…●…●．一．●．＿—．．．．●一．●．一●・一●・一●…●．．・●．¨●…●．＿●…●・一●一．●・一・●・Ｈ●・一●・・＇・●－－＿●¨・★一・一●・一＿ｈ一●・・・●・一●・一●・一・Ｉ●・・・●一・●・一●・一・Ｉ．．－・●・一－●・－・●・一＿●・一－●” ３结论 １）从表２可以看出，该模型对丙烯酸、水、共沸剂等主要组分的模拟结果与设计值吻合良好，但对醋酸的模拟结果与设计值偏差较大，可能的原因是在模拟条件下共沸剂与醋酸尚未达到共沸，因而，主 ［２］兰州石化公司８万ｔ／ａ丙烯酸工艺流程图设计［Ｚ］．