基于Aspen Plus的煤气化副产物粗酚的分离精制

2015年1 月郑州大学学报(工学版)Jan. 2015第36卷第1期Joumal of Zhengzhou University ( Engineering Science)Vol.36 No. 1文章编号:1671 - 6833(2015)01 -0028 -05基于AspenPlus的煤气化副产物粗酚的分离精制李惠萍'，李焕新'，李雪平”，张丹'，梁淑琴'，梁学博”(1.郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001; 2. 河南煤气集团有限责任公司义马气化厂,河南三门峡472300)摘要: 针对煤气化副产物粗酚的组分和组成特点，设计了三塔和双塔两条连续减压精馏工艺.借助Aspen Plus软件对构建的分离工艺进行系统的模拟研究,物性方法采用NRTL模型.首先利用DSTWU模块简捷设计计算得到了塔板数、回流比和采出量等操作参数,对比得出适合该系统的分离工艺为双塔精馏.然后利用RadFRAC模块对设计结果进行严格模拟核算,最终得出双塔B1和B2的塔板数分别为29和31;进料塔板级数分别为15和16;回流比分别为2.87和2.44.在最佳操作条件下,所得产品质量分:数分别为苯酚99.0% ,对(间)甲酚86.1%,二甲酚96.5%.本研究结果可为粗酚的实际分离工艺设计和操作过程提供参数依据.关键词:煤气化粗酚;双塔;三塔;减压精馏;Aspen Plus模拟中圈分类号: TQS23. 59文献标志码: Adoi:10. 3969/j. isn. 1671 - 6833.2015. 01. 007离困难的粗酚系统分离进行了模拟计算,拟为粗.0引言酚系统的精馏工艺设计开发提供必要的基础酚类化合物是重要的有机化工中间体及化工参数.基础原料,在医药、染料等领域都有着广泛的应用.1原料及组成鲁奇(Lurgi)加压生产城市煤气的过程,煤气发生、洗涤、冷却过程中产生大量副产物粗酚(1],由于分粗酚由河南煤气集团有限责任公司义马气化离技术困难等原因,这部分副产物目前大部分低价厂提供,该厂以长焰煤为原料,采用先进的德国鲁出售,严重污染环境.国内酚类市场在很长一段时奇加玉煤气化工艺生产城市煤气[8].系统而准确间内都处于相对紧缺的状态,且随着石油资源的日地分析粗酚的组成是高效提取并合理利用酚类化益紧缺,国家对煤炭资源的综合利用更加重视[2].合物的基础工作,但是这些化合物的极性强,挥发如果能将这些副产物加以分离、提纯,必将提高其性低,所含同分异构体性质极为相似,色谱分离较产品附加值,增强社会及经济效益.开展对煤气化为困难.通过查阅文献[9-10]和实验对比得出:副产物粗酚分离精制的研究,不仅能提高煤气化行FFAP(30mxφ0.32mmx0.5μm)能实现酚类化业的整体竞争力,而且还符合国家能源战略的需合物的基线分离.采用GC7900色谱仪,色谱条件求.但粗酚系酚类同系物,组成复杂,沸点又十分相为:FID检测器250C,柱温170C,气化室温度近,对其分离存在极大困难')].240C.粗酚气相进样结果见图1,通过标准物定AspenPlus是一款功能强大的工艺模拟软性及内标标准曲线法最终确定了粗酚的组成,见件,广泛应用于化工流程设计和新工艺开发,结合表1.利用这项新技术可以实现化工工艺全流程的模拟2工艺流程设计与优化'4].此外,AspenPlus拥有最完善的物性数据库,包含六千多种纯组分的物性数据,它还具有为了得到纯度较高的单一酚产物，笔者针对超强的热力学计算系统,以及各种单元操作模煤气化副产物粗酚的组成和组分特点设计了三塔块[5-6]. 笔者借助Aspen工程软件对成分复杂、分和双塔连续精馏工艺，拟通过对比得出实现高纯收稿日期:2014 -09 -23 ;修订日期:2014-11-14中国煤化工、基金项目:河南省重大公益科研资助项目(101100910200) ;河南省自然作者简介:李惠萍(1958-),女,河南洛宁人,郑州大学教授,博士,主要;MYHCN MH G物的资源化利用方面的研究,E mail: huipingli@ zzu. edu. cn..第1期李惠萍,等:基于AspenPlus的煤气化副产物粗酚的分离精制29 .度产品分离、操作费用及设备费用较低的最佳工如图2所示,其中B1为苯酚塔,B2为邻一甲艺AspenPlus提供了DSTWU、Distl等多种塔模酚塔,B3为对-甲酚塔.在三塔简捷计算中根据组型来计算和模拟精馏塔,DSTWU模块可通过确定分沸点的差异初步确定各塔的轻、重关键组分及轻、重关键组分在塔顶的回收率及回流比等重要轻关键组分质量回收率,见表2. .参数对最小回流比、最少塔板数、理论塔板数、进表2三塔初步确定的轻、1 关键组分及回收率料位置等操作条件进行初步设计计算1",该模块Tab.2 Light and heavy key components and recovery计算精度不高,常用于初步设计,但其计算结果可for three columns为严格精馏计算提供合适的初值12].轻关键轻关键组分重关键增700/组分回收率/%500自400B苯酚98邻-甲酚出30095对-甲酚号200引|000就二甲酚5时间/min在上述条件下,用DSTWU模块计算后得知,图1 粗酚的气相色谱图由于邻-甲酚含量低,对分离要求较高,故先对塔Fig.1 The GC spectra of crude phenolB2进行灵敏度分析回收率与回流比和实际塔板数之间的关系,如图3所示.表1粗酚中主要组分的质量百分比Tab.1 the main components of the crude phenol40r →实际回流比保留时间/min化合物名称相对质量分数/%一实际塔板数5.21733. 22出5.35室3(5.0065.216.404间甲酚13.675.25-6.55714. 10其它二甲酚等33.80，5.20-5.15L三塔和双塔均采用液体进料，进料温度为600.8 0.85 0.9 0.95 T.0C,压力101. 325 kPa,进料量为100 kg/h.冷凝器塔B2轻组分的回收率均采用全凝器”] ,塔顶、塔釜的压力均为10 kPa,圈3塔B2轻组分的 回收率与回流比和塔板数的关系Fig.3 The relationship between the light key物性方法采用NRTL模型,该模型可用来描述非component recoveries and reflux ratio and理想溶液的气液平衡和液液平衡.即可用来模拟plate number in column B2计算极性与非极性化合物组成的混合物体系,甚.至是高度非理想体系(13-141.由于间、对甲酚的沸从图3可以看出,随着轻组分邻-甲酚回收率点仅相差0.3 C ,难以分离,故可将其看作一个虚的增加,实际塔板数曲线斜率也逐渐增大,即实际拟组分,用对(间)甲酚来代替.二甲酚则用含量塔板数迅速增大,而回流比的变化比较缓慢.由此较大且沸点等性质位于中间的3,5-二甲酚来可见,轻组分回收率对实际塔板数的影响较大,而对回流比的影响比较小.在实验和设计中要想得替代.2.1基于DSTWU模块的三塔串联的简捷设计到95%和0.5%的质量回收率,塔板数不应该低于25,否则会造成过高的回流比,耗能增加.经过计算多次模拟,三塔简捷计算所得各个物流信息见表图2为三塔串联工艺流程.3,所得工艺参数结果见表4.-D1-D3一<>2.2基于DSTWU模块的双塔串联的简捷设计*-FEED-双塔操中国煤化工等与2.1中图2三塔串联工艺流程三塔精馏相TYHCNMHG:其中B1为苯酚塔,B2为对中时培,仕龙拌牡、重关键组分时Fig.2 Flowsheet of three-colums distillation process忽略邻甲酚,轻重关键组分及回收率见表5,经过.30郑州大学学报(工学版)2015年多次模拟计算所得的工艺参数见表6.综合考虑设备投资、操作管理、经济效益等各方面因素,得出双塔精馏工艺更适合这类粗酚体系.表3三塔的物料及能量衡算结果Tab.3 The results of material and energy balance表6双塔筒捷模拟所得工艺参数进料Tab.6 The process parameters with two columns项目FEEDDD2D3塔釜所塔板回流进料.温度/°C60.0113.8117.4131.1塔需热量/ D/F数比压力/kPa0110摩尔流量/312:1. 9501519. 6820. 3870.935 0. 3360. 0640. 247(kmol.h")B222. 0761613. 4850. 496焓/kJ-168.1 -42.21 - 10.55 -41.15苯酚质0.332 0. 99990. 2462x 10-*3基于RadFRAC模块的双塔串联的严格量分数邻甲酚校核计算质量分数0.052 8x10-6 0.7330.010RadFRAC模块是Aspen Plus中一个严格的对甲酚0.2780.0210. 984用于模拟所有类型的多级气液分馏操作的模型.它对气液两相混合存在、具备强非理想非线性的二甲酚0. 338-5x10”0. 006体系都能实现良好的模拟计算,能够模拟不同类型的多级气液分离操作[5.15),因此为了得出精确24 三塔简捷模拟所得工艺参数的工艺参数,进一步选取RadFRAC模块对上述双Tab.4 The process parameters with three columns塔精馏工艺进行了严格的校核计算.现通过DSTWU设计模块对双塔设计进行初位置D/F步校算,并利用RadFRAC模块对初步计算出的结/kWB119.813:30. 9430. 340果进行精确核算,通过精确核算的结果与原设计25.237. 5080. 132结果进行对比,发现结果相差比较大,见表7.如B3242. 5113. 4370.461苯酚在简捷设计模块中的质量纯度为是91.5% ,严格计算模块运行的结果是85.7%,因此需要对_-D1-<>D2}->各塔的参数进行调整.-FEED-表7简捷计算和严 格计算物流结果-W2}- -<>Tab.7 The streams results for DSTWU and RadFRAC简捷计算严格计算图4双塔连续精馏工艺流程Fig.4 Flowsheet of two-columns distillation process苯酚0.915 0.054 0. 8570.0130.081 0. 0790. 0980.047表5双塔初步确定的轻、1 关键组分及回收率0.004 0. 8610.045 0. 850Tab.5 Light and heavy key components and9x10-6 0.006 6x10-60.090recovery for two columns轻关键轻关键组分回重关键RadFRAC模块不仅可以进行校核计算,也可组分收率/%以进行设计计算,即通过DesignSpecs来规定塔9对-甲酚的操作要求，如通过调节回流比或塔顶(底)产品对一甲酚与进料的流率比(D/F)的大小来控制产品的质由表3可以得知,B2塔顶得到的产品邻-甲量.由此,可设置塔B1中苯酚的质量纯度为酚纯度仅为73.3%,而实现这么低纯度的分离所99. 0% ,回流比的变化范围暂定为1 ~10,结果可需要的塔板数和回流比分别为25和5.23,对比.得,回流比为了7立口港昌公市西求,通过Rad-中国煤化1表4和表6,并结合煤气化副产物粗酚的组成特FRAC模块}双塔连续精:1YH，CNMH (点可知:实际操作时,若将原料中的邻-甲酚分离MIL度分布曲线出来,其操作费用和设备投资费用都较高.所以，及塔内气相组成分布情况分别见图5和图6..第1期李惠萍,等:基于AspenPlus的煤气化副产物粗酚的分离精制31表8模拟计算工艺参数为该工艺流程的开发建立了基础.Tab.8 The simulation process parameters参考文献:B1(R=2. 87,B2(R=2.44,参数N=29)N=31)[1] 李雪平，续静静，苗建林，等.煤气化废水酚氨分塔顶塔底塔顶塔底离回收系统的流程改造[J].河南化工, 2012,29.温度/C113.81 134.25 126.10 143. 60(17):50-52.热负荷/kW - 16.79-14.9[2] 葛宜掌.煤低温热解液体产物中的酚类化合物28.44 71. 5730.06 41.52 .[J].煤炭转化, 1997, 20(1): 14-19.(kg.h")[3] 孙琪娟，马晓迅，孙长顺,等.陕北中低温煤焦油135中酚类化合物的提取与分离研究[J].应用化工,2013 ,42(4):713 -716.130[4]张哲， 卢涛.基于Aspen Plus 的常压蒸馏装置流程e 125优化[J].北京化工大学学报:自然科学版, 2009,36(B11): 109-112.120[5]李蓓.AspenPlus在精馏操作分析中的应用[J].11科技创新与应用,2013(26): 32 -32.[6] MORE R K, BULASARA V K, UPPALURIR, et al.26 引Optimization of crude dillation system using aspenBI塔板数plus: Effect of binary feed selection on grass - root de-图5塔B1内塔板上温度变化曲线sign[J]. chemical engineering research and design,Fig.5 The variation of the temperature2010, 88(2): 121 -134.for each plate in column B1[7]白效言, 曲思建,王利斌，等.低温热解煤焦油粗一苯酚酚精馏的初步研究与模拟计算[J].煤炭学报，一.对甲酚2011, 36(4): 660 -664.邻甲酚[8]田亚鹏， 伏盛世.长焰煤制鲁奇气化炉气化型煤生3, 5-二甲酚0.7年产技术的改进[J].煤炭技术,2009, 28(8):132- 133.; 0.5[9] 张明明，田晓鳄,关永毅.气相色谱法快速测定间甲酚含量[J].燃料与化工, 2012, 42(6): 50-51.0.2年[10] WEBER L. Gas chromatographie determination of uri-nary phenol conjugates afer acid hydrolysis/extractivern11621263Iacetylation[J]. Journal of Chromatography B: Bio-medical Sciences and Applications, 1992, 574(2):图6塔B1和B2内气相质量组成分布曲线349 -351.Fig.6 The mass fraction of each11] 孙卫国,李凭力,邸士标，等.丙烯精馏塔过程模component in column B1拟[J].石化技术与应用，2007, 25(2): 147 -151.[12]孙兰义.化工流程模拟实训一 -Aspen Plus教程.4结论[M].北京:化学工业出版社, 2012.利用Aspen Plus流程模拟软件,针对煤气化[13] 郭小涛,顾丽莉,代文阳，等.间歇精馏过程模拟的发展与应用[J].应用化工, 2012, 41(11): 1990副产物粗酚的组分特点,初步设计了三塔和双塔- 1992.连续减压精馏工艺.利用DSTWU简捷设计模块[14] VETERE A. NRTL equation as a predictive tool for对所需工艺参数进行初步计算，通过对所得工艺vapor - liquid equilibria[J]. Fluid Phase Equilibria,参数的对比,确定出适合该类化合物分离的工艺2004, 218(1): 33-39.流程为双塔精馏.进一步利用RadFRAC严格校核15] 陈会,梅智明. Aspen plus模拟环丁砜萃取精馏苯模块对设计结果进行模拟核算,并结合应用模型乙烯工芒过翠[1文鱼三油化T_ _2009, 37(3):中国煤化工82-分析工具,最终得到了满足分离要求的工艺参数，YHCNMHG.32郑州大学学报(工学版)2015年Separation of Gasification Byproducts Crude Phenol Based on Aspen PlusLI Hui-ping'，LI Huan-xin' , LI Xue-ping2 , ZHANG Dan' , LIANG Shu-qin' , LIANG Xue-bo2(1. School of Chemical Engineeing and Energy , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, China; 2. Yima Gasification Plant,Henan Gas ( Group) Co. Ld. Yima , Sanmenxia 472300, China)Abstract: In this paper, the three towers and two towers continuous vacuum disllation process were designedpreliminarily according to the component characteristics of the coal gasification by-products of crude phenols.The separation process was studied systenatically by using aspen pus with the NRTL property method. DSTWUsimple design model was used to calculate the required process parameters firstly, and the appropriate processfor the separation of the system was determined by comparing the obtained parameters. And then, RadFRACmodel was used to carry out the strict checking of the results of parameters, the process parameters (i. e.numbers of the column, the feed stage number, and the reflux ratio) of the two towers was obtained eventual-ly, and the main operating parameters and working conditions was also determined. It was designed to estab.lish a foundation for the process development.Key words: crude phenols of coal gasification; two columns; three columns; reduced pressure ditillation;aspen plus simulation(上接第27页)[7]赵博. Ansof12在工程电磁场中的应用[M].北京: [10] 赵文祥,程明，花为,等双凸极永磁电机故障分析中国水利水电出版社,2011:10-45..与容错控制策略[J].电工技术学报,2009 ,24(4):[8] 朱喜华,李颖晖,张敬，等.基于Ansoft的永磁同步71 -77 ,91.电机早期匝间短路故障分析[J].大电机技术,2010 [11] 高爱云,钱武,蔡泽祥,等.有限元法在电动机匝间(5) :35 - 39.短路故障诊断中的应用[J].电气制造,2009(1):68[9]齐蓉,陈明.永磁容错电机及容错驱动结构研究-69.[J].西北工业大学学报,2005 ,23(4) :475 -478.Analysis Of One-Phase Short-Circuit Performances of Dual Three-PhasePermanent Magnet Brushless Ac MotorQI Ge, BAI Zuo-xia, LIU Xian-lin, SHI Li( School of Electrical Engineering, Zhengzhou University , Zhengzhou 450001 , China)Abstract: The electromagnetic performance of the electromagnetic field distribution, flux linkage, current,and output torque and so on are analyzed, when dual three -phase motor is in fault condition of short-cireuit ofone phase winding. At the same time, it is compared with traditional three-phase motor. Results indicate thatcoupling between phases of dual three-phase motor is very weak. In fault condition, the fault phase of dualthree-phase motor dose not afect normal operation of n-fault phase which makes it can still continue to workwithin the acceptable range. So dual three _phase motor does not have to stop on the way , and has a certain tol-erance, and is applicable to the occasion which has special requirements for motor.Key words: dual three -phase; permanent magnet machine ; faul-tolerant performance; one-phase short-cir-cuit中国煤化工MHCNMHG.