流程模擬軟件Aspen Plus 在精餾塔設(shè)計中的應(yīng)用

李 峰，趙新堂，萬寶鋒

（中化近代環(huán)?；ぃㄎ靼玻┯邢薰?，陜西 西安 710201）

Aspen Plus 是集裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化為一體的大型通用流程模擬軟件，該軟件經(jīng)過20多年不斷地改進、擴充和提高，已先后推出十多個版本，最新版本為Aspen Plus V8，Aspen Plus現(xiàn)已經(jīng)成為舉世公認的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，Aspen Plus 在裝置從研發(fā)、工程化，再到工業(yè)生產(chǎn)的整個生命周期中，提供了經(jīng)過驗證的巨大的經(jīng)濟效益，它將穩(wěn)態(tài)模型的功能帶到工程桌面，傳遞著無與倫比的模型功能和方便使用的組合。利用Aspen Plus 可以設(shè)計、模擬、故障診斷并有效的管理生產(chǎn)裝置。本文利用Aspen Plus 軟件進行了氟代烴生產(chǎn)中精餾塔的設(shè)計與優(yōu)化。

1 用于塔設(shè)計的單元操作模塊

本文中，首先使用DSTWU 進行簡捷精餾設(shè)計，然后利用DSTWU 得到的結(jié)果再使用RadFrac對精餾塔進行嚴格核算，DSTWU 模塊連接見圖1，單元操作模塊見表1。

2 精餾塔的簡捷設(shè)計

2.1 精餾塔的簡捷計算

表1 Aspen Plus 塔單元操作模塊

圖1 DSTWU 模塊連接

表2 精餾塔進料組成

精餾塔的進料組成見表2，分離要求為塔頂產(chǎn)品中R134a 的摩爾含量≥99.9%。精餾塔操作壓力1.0 MPa，泡點進料，物性方法選用PR，設(shè)置輕關(guān)鍵組分R134a 回收率為99.5%，重關(guān)鍵組分R134 回收率為38%，塔頂冷凝器為全凝器，回流比為最小回流比的2 倍，經(jīng)過計算塔頂產(chǎn)品中R134a 的含量可以達到99.9%，精餾塔計算結(jié)果如下：

表3 DSTWU 簡捷計算結(jié)果

2.2 精餾塔回流比和塔板數(shù)的優(yōu)化

使用Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能對本精餾塔回流比和理論板數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)置采集變量為塔板數(shù)（act-stages），操作變量為RR，操作變量范圍為1.1～10.0，得到圖2。

從圖2 可以看到，當(dāng)回流比低于最小回流比的2 倍時，精餾塔的塔板數(shù)呈加速上升趨勢，所以本例選擇回流比為最小回流比的2 倍，對應(yīng)塔板數(shù)為58 塊。

以上為使用DWTWU 模塊對精餾塔進行的簡捷計算，簡捷計算具有需要參數(shù)少，計算速度快等特點，但是它的計算精度不高，只能用于初步設(shè)計，計算結(jié)果僅能作為嚴格核算的基礎(chǔ)，為嚴格核算提供初值，所以簡捷計算完成后，要根據(jù)簡捷計算的結(jié)果再進行嚴格核算，確定各參數(shù)。

圖2 DSTWU 模塊塔板數(shù)與回流比關(guān)系圖

3 精餾塔的嚴格核算

使用RadFrac 模塊進行精餾塔的嚴格核算，精餾塔操作壓力1.0 MPa，泡點進料,物性方法使用PR，塔板數(shù)為58 塊，進料板第10 塊，冷凝器為全凝器，回流比為最小回流比的2 倍，蒸流液占進料物料的分率為0.97816，填料選擇SULZER－CY型填料，精餾塔計算結(jié)果塔頂產(chǎn)品純度為99.84%，無法滿足設(shè)計要求（設(shè)計要求產(chǎn)品純度大于99.9%），下面對精餾塔進行優(yōu)化。

3.1 回流比優(yōu)化

使用Aspen Plus 中的“Design Specs”功能，設(shè)置采集變量為塔頂產(chǎn)品摩爾純度，目標(biāo)值為0.999，設(shè)置操作變量為“Reflux Ratio”，操作變量上限設(shè)置為10，下限設(shè)置為1.1。設(shè)置完成后運行該模擬，得到當(dāng)“Reflux Ratio”達到6.32 時，該塔塔頂產(chǎn)品純度為99.9%。

使用Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能對本精餾塔塔頂產(chǎn)品純度和回流比進行優(yōu)化，設(shè)置采集變量為塔頂產(chǎn)品中R134a 的mole 分率，操作變量為Mole-RR，操作變量范圍為1.1～10.0，得到圖3。

從圖3 可以看到，在塔板數(shù)、進料組成、壓力一定的情況下，隨著精餾塔回流比的增大，塔頂產(chǎn)品摩爾分率也逐步提高，當(dāng)回流比達到6.3 左右時，塔頂產(chǎn)品摩爾分率達到0.999。

3.2 塔板數(shù)的優(yōu)化

圖3 RadFrac 模塊精餾塔回流比與塔頂產(chǎn)品摩爾分率關(guān)系圖

使用RadFrac 模塊進行精餾塔的嚴格核算，操作壓力1.0 MPa，泡點進料,物性方法使用PR，冷凝器為全凝器，蒸流液占進料物料的分率為0.97816，選擇SULZER－CY 型填料。通過改變精餾塔的塔板數(shù)來觀察對塔頂產(chǎn)品純度、冷凝器負荷和再沸器負荷的影響，并使用Aspen Plus 中的設(shè)計規(guī)定“Design Specs”功能，設(shè)置采集變量為塔頂產(chǎn)品摩爾純度，目標(biāo)值為0.999，設(shè)置操作變量為“Reflux Ratio”，得到在規(guī)定塔板數(shù)下達到規(guī)定分離要求的回流比。

從表4 可以看到，由于塔板數(shù)與塔徑、塔高、冷凝器負荷、再沸器負荷都有密切關(guān)系，而這些因素又直接或間接影響著塔的設(shè)備費用和操作費用，所以要確定塔板數(shù)必須對塔進行經(jīng)濟核算，使設(shè)備費用和操作費用之和及塔的總體費用保持在較低水平，才能設(shè)計出一個比較適用的精餾塔，用于工業(yè)生產(chǎn)后創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

表4 精餾塔塔板數(shù)與塔徑、回流比、塔負荷關(guān)系表

3.3 操作壓力的優(yōu)化

使用RadFrac 模塊進行精餾塔的嚴格核算，塔板數(shù)設(shè)置為90 塊，泡點進料，物性方法使用PR，冷凝器為全凝器，蒸流液占進料物料的分率為0.97816，選擇SULZER－CY 型填料。通過改變精餾塔的操作壓力和進料壓力來觀察對精餾塔回餾比、塔徑、冷凝器負荷和再沸器負荷的影響，并使用Aspen Plus 中的設(shè)計規(guī)定“Design Specs”功能，設(shè)置采集變量為塔頂產(chǎn)品摩爾純度，目標(biāo)值為0.999，設(shè)置操作變量為“Reflux Ratio”，得到在規(guī)定塔板下達到規(guī)定分離要求的回流比。

表5 操作壓力對精餾塔各參數(shù)的影響

從表5 可以看到，精餾塔操作壓力對塔的回流比，塔徑、塔負荷、塔頂溫度、塔釜溫度均有影響，但主要影響的是塔頂、塔釜的溫度，而塔頂、塔釜的溫度又與所采用的加熱或冷卻介質(zhì)有關(guān)，且與塔頂冷凝器、塔釜再沸器的面積有關(guān)，間接與塔的設(shè)備費用相關(guān)。綜合表5 的結(jié)果，本例的操作壓力應(yīng)該選擇在0.8～1.0 MPa，冷卻介質(zhì)選擇－5 ℃冷媒，加熱介質(zhì)選擇0.3 MPa 蒸汽，塔頂壓力選擇在0.8～1.0 MPa。

3.4 進料位置的優(yōu)化

精餾塔塔板數(shù)設(shè)置為90 塊，泡點進料，物性方法使用PR，冷凝器為全凝器，回流比4.36，蒸流液占進料物料的分率為0.97816，選擇SULZERCY 型填料。使用Aspen Plus 中的靈敏度分析功能“Sensitivity”功能，設(shè)置采集變量為塔頂產(chǎn)品摩爾純度，設(shè)置操作變量為“FEED-STAGE”，得到如圖4 所示的塔頂產(chǎn)品摩爾純度與進料板關(guān)系圖。

圖4 精餾塔進料位置與塔頂產(chǎn)品摩爾分率關(guān)系圖

從圖4 可以看到，隨進料位置的下移，塔頂產(chǎn)品摩爾分率逐步提高，當(dāng)進料板位置下移到第24 塊時，塔頂產(chǎn)品純度達到0.999。

3.5 塔高的計算

填料塔的高度與填料高度密切相關(guān)，而填料高度又是由所選擇填料的HETP 值決定的，以本計算為例，選擇填料為金屬絲網(wǎng)波紋填料700 型（CY），該種填料的HETP 值為0.1 m。

填料層高度Z=NT×HETP

其中，Z—填料層高度，NT—塔板數(shù)，HETP—填料的理論板當(dāng)量高度或等板高度。

以本文為例，如果選擇塔板數(shù)為90 塊，則填料層高度Z=90×0.1=9.0 m。

塔高通常為填料層高度的130%，即塔高為9.0×130%＝11.7 m。

4 精餾塔的經(jīng)濟核算

精餾塔的經(jīng)濟核算主要是通過對精餾塔的設(shè)備費用和操作費用進行分析，確定出精餾塔的最優(yōu)設(shè)計方案。精餾塔的設(shè)備費用主要是指設(shè)備加工費用、安裝費用等；操作費用主要包括再沸器的加熱費用、冷凝器的冷卻費用和精餾設(shè)備的折舊費，操作時回流比的變化，直接影響加熱費用和冷卻費用，進而影響總費用。

由表6 可以看到，精餾塔的塔板數(shù)與設(shè)備費用、操作費用及總費用的關(guān)系，隨塔板數(shù)的增加，設(shè)備費用增加，操作費用逐步下降，但塔板數(shù)增加到一定數(shù)量后，設(shè)備費用繼續(xù)增加并不能帶來操作費用的下降，此時就無需再增加設(shè)備費用。根據(jù)表5 的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)塔板數(shù)達到90 塊后，操作費用的變化已經(jīng)不明顯。

表6 精餾塔費用計算表

由表4、表5、表6 的數(shù)據(jù)可得到，該精餾塔選擇塔板數(shù)為90 塊，回流比4.36，塔徑380 mm、操作壓力1.0 MPa 可以滿足設(shè)計要求，得到塔頂產(chǎn)品純度為99.9%。

5 結(jié)論

通過Aspen Plus 流程模擬軟件的使用，能夠大大提高工作效率，快速完成對精餾塔的設(shè)計和核算，并能夠通過對精餾塔各個參數(shù)的調(diào)節(jié)來判斷對精餾效果的影響，并通過經(jīng)濟核算從而選擇出最優(yōu)的精餾塔設(shè)計條件及操作條件，這樣可以提高我們設(shè)計精餾塔的水平，使其用于工業(yè)生產(chǎn)后減少能源消耗，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

[1]曹俊雅,王光耀,朱凱,等.Aspen Plus 在化工設(shè)計中的應(yīng)用實踐與探索[J].新課程研究，2012(267)：93-94.

[2]李盛姬，田端正,吳江平,等.Aspen Plus 模擬在氟化工中的應(yīng)用研究[J].有機氟工業(yè)，2011，2：36-40.

[3]Luyben,W L.Distillation design and control using AspenTMsimulation[M].America:A John Wiley &Sons,Lnc.,2006.

[4]蘭州石油機械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù)（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2005：785-787.

[5]路秀林，王者相等.化工設(shè)備設(shè)計全書－塔設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：170-173.

[6]孫蘭義.化工流程模擬實訓(xùn)－Aspen Plus 教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：88-110.

[7]張治山,高軍,李敏,等.Aspen Plus 在精餾操作分析中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2011，15：95-96

[8]Aspen Plus User Models（Version11.1）.Aspen Technology,Inc.

[9]Aspen Plus User Guide（Version11.1）.Aspen Technology,Inc.

[10]屈一新.化工過程數(shù)值模擬及軟件[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[11]熊杰明,楊索和.Aspen Plus 實例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[12]Aspen Plus Version7.3，Help.