Pro II在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韓淑萃，呂燕根

（福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 化學(xué)工程系，福建 福州 350300）

化工原理是一門研究大規(guī)?；どa(chǎn)中物理性質(zhì)變化規(guī)律的工程學(xué)科，起到了由基礎(chǔ)理論課向工程專業(yè)課進(jìn)行過(guò)渡的橋梁作用，其研究的對(duì)象是各種單元操作，如流體流動(dòng)、傳熱、過(guò)濾、蒸發(fā)、吸收、精餾和干燥等[1,2].化工原理教學(xué)的特點(diǎn)：?jiǎn)卧僮鞣N類繁多、概念多、計(jì)算復(fù)雜、許多操作性計(jì)算涉及迭代計(jì)算.化工原理課程主要包括化工原理理論教學(xué)、化工原理實(shí)驗(yàn)和化工原理課程設(shè)計(jì)等[3,4].

化工原理課程設(shè)計(jì)是在完成化工原理理論教學(xué)和化工原理實(shí)驗(yàn)之后的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是綜合運(yùn)用化工原理知識(shí)及相關(guān)先修課程如物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)和Auto Cad等，對(duì)選定一個(gè)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的單元操作開展實(shí)踐性設(shè)計(jì)，重在培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)際觀、過(guò)程優(yōu)化觀、技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀、工程全局觀等，是增強(qiáng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)[5,6].目前，我?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)題目是精餾塔及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)，之前同學(xué)開展課程設(shè)計(jì)主要是通過(guò)手工計(jì)算，存在計(jì)算量大、計(jì)算精度差等缺點(diǎn).近年來(lái)我們將Pro II流程模擬軟件引入該課程設(shè)計(jì)，較好地解決了上述問(wèn)題，并且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力等均具有重要的作用[7,8].筆者在開展化工原理課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，探索了引入Pro II軟件進(jìn)行精餾及其附屬單元操作課程設(shè)計(jì)的全過(guò)程，在給出指定的設(shè)計(jì)任務(wù)后，要求精餾單元操作開展簡(jiǎn)捷算法之后再進(jìn)行嚴(yán)格模型計(jì)算、并進(jìn)行塔頂冷凝器和再沸器的相關(guān)計(jì)算[9]，取得了良好的教學(xué)效果，加深了學(xué)生對(duì)化工原理理論知識(shí)的掌握，提高了化工原理課程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生從事化工設(shè)計(jì)的興趣.

1 Pro II簡(jiǎn)介

Pro II是一個(gè)大型通用的流程模擬軟件，源自1967年美國(guó)SimSci公司研制的首個(gè)蒸餾模擬器，當(dāng)前最新版本Pro II 10.0.Pro II軟件可進(jìn)行化工過(guò)程嚴(yán)格的熱量和質(zhì)量衡算，通過(guò)改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行分析并進(jìn)行工程研究來(lái)優(yōu)化工廠性能，并為每個(gè)工業(yè)提供了各種各樣的熱力學(xué)模型，廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，包括石油和天然氣生產(chǎn)、煉油、石化、化工、制藥和聚合物等[10].

Pro II在中國(guó)也得到了廣泛的應(yīng)用，自20世紀(jì)80年代進(jìn)入中國(guó)后，眾多的石油和化工設(shè)計(jì)院以及高校均引進(jìn)了該軟件，應(yīng)用工藝設(shè)計(jì)、流程優(yōu)化、指導(dǎo)開車和人員培訓(xùn)等方面，由于該軟件的推廣應(yīng)用，達(dá)到了優(yōu)化生產(chǎn)裝置、降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗等目的，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[11].

2 精餾單元操作中的應(yīng)用

2.1 簡(jiǎn)捷精餾

Pro II中簡(jiǎn)捷精餾模塊名稱為Shortcut，在指定的加料條件和分離要求下，通過(guò)Fenske-Underwood-Gilliland捷算法求出精餾塔的最小理論板數(shù)和最小回流比，并給出指定回流比下的理論板數(shù)和進(jìn)料位置.在進(jìn)行嚴(yán)格的逐板計(jì)算之前，先進(jìn)行簡(jiǎn)捷的精餾計(jì)算是有益的，因?yàn)槌醪接?jì)算可為我們提供如何才是合理的初步概念.

設(shè)計(jì)任務(wù)：完成一個(gè)連續(xù)板式精餾塔及其附屬輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分離苯和甲苯混合液，處理量1.8萬(wàn)噸/年，年操作時(shí)間7200小時(shí)，原料液中苯含量35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，進(jìn)料溫度32℃，分離要求：苯產(chǎn)品純度99.8%，甲苯產(chǎn)品純度99.9%.

上述任務(wù)涉及精餾塔設(shè)計(jì)型的計(jì)算，需要確認(rèn)精餾塔的操作壓力、回流比、理論板數(shù)以及進(jìn)料位置等.操作壓力是精餾過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，這是由于該操作過(guò)程中塔釜液體泡點(diǎn)溫度和蒸汽露點(diǎn)溫度都跟壓力相關(guān)，加壓精餾可提升塔頂上升蒸汽的冷凝溫度從而避免使用費(fèi)用高昂的低溫冷凍介質(zhì)，另外，對(duì)于常壓下為氣態(tài)混合物的分離也需要將其加壓至液體再進(jìn)行精餾分離；減壓精餾主要是降低了塔釜沸騰溫度進(jìn)而避免使用高溫加熱劑，此外對(duì)于一些熱敏性分離體系如香料或受熱易聚合的物質(zhì)也常采用減壓操作.除上述情況以外，精餾一般用常壓操作，根據(jù)常壓下苯和甲苯沸點(diǎn)分別為80.1℃和110.6℃，可通過(guò)常壓操作進(jìn)行分離.

在Pro II中新建一個(gè)模擬文件，在右側(cè)的模塊面板中選擇Column下面的Shortcut簡(jiǎn)捷模塊，再連接好物流，工藝流程如圖1所示.然后，根據(jù)軟件中工具欄上的紅色外框標(biāo)記提醒進(jìn)行輸入?yún)?shù)的設(shè)置（Pro II中紅色外框標(biāo)記表示該地方需要參數(shù)設(shè)置），依次設(shè)置默認(rèn)單位制（選擇米制單位）、選擇待分離的組分（苯和甲苯）、選擇熱力學(xué)方法（NRTL-RK），然后雙擊Shortcut簡(jiǎn)捷模塊，在彈出

的“Shortcut Distillation”窗體中，其中“Condenser/Reboiler”頁(yè)面和“Fenske Estimaties”頁(yè)面按照默認(rèn)的泡點(diǎn)溫度回流和Fenske估計(jì)值，“Minimum Reflux”頁(yè)面中，輸入輕關(guān)鍵組分（苯）、重關(guān)鍵組分（甲苯）、操作回流比與最小回流比的比值(設(shè)為1.8)，如圖2所示.“Specifications”頁(yè)面中，規(guī)定塔頂輕關(guān)鍵組分苯純度為要求的0.998，塔釜重關(guān)鍵組分甲苯純度為0.999.完成上述輸入之后即可點(diǎn)擊工具欄上面的RUN按鈕，進(jìn)行指定分離要求下的最小回流比與最小理論板數(shù)計(jì)算，結(jié)果如圖3所示.

圖1 苯-甲苯分離的工藝流程

圖2 Shortcut簡(jiǎn)捷模塊中Minimum Reflux輸入界面

圖3 簡(jiǎn)捷模塊Shortcut計(jì)算結(jié)果

回流比對(duì)精餾設(shè)備投資費(fèi)用與操作費(fèi)用有重要影響.其設(shè)備費(fèi)用主要指精餾塔、冷凝器、再沸器及其附屬設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用，而操作費(fèi)主要指塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)消耗量、再沸器的加熱介質(zhì)（通常是水蒸氣）消耗量及其動(dòng)力消耗等費(fèi)用.回流的下限是最小回流比，對(duì)應(yīng)于無(wú)窮多理論塔板，故設(shè)備費(fèi)用無(wú)窮大，此時(shí)增大回流比，起初可顯著降低理論塔板，設(shè)備費(fèi)用顯著減少.繼續(xù)增大回流比，理論塔板雖仍可繼續(xù)減少，但是下降非常緩慢[12].另外，由于回流比的上升，塔內(nèi)上升的蒸汽量卻明顯增大，致使精餾塔的塔徑、塔內(nèi)件、再沸器和冷凝器等設(shè)備的尺寸相應(yīng)增大，導(dǎo)致所需的設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用同時(shí)上升，因此對(duì)于一定的分離任務(wù)，應(yīng)選擇適宜的回流比，通常為最小回流比的1.1～2.0倍，在上述Shortcut簡(jiǎn)捷模塊中我們?cè)O(shè)置該值為1.8.圖3顯示最小理論板數(shù)為15.26，最小回流比為1.57.適宜的回流比為2.83，對(duì)應(yīng)的理論板數(shù)為24塊，進(jìn)料位置為12.

2.2 嚴(yán)格精餾

上述簡(jiǎn)捷精餾是基于恒摩爾流假設(shè)進(jìn)行的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，因此，實(shí)際的分離要求需要通過(guò)嚴(yán)格模型進(jìn)一步計(jì)算即求解MESH方程組，而且不能準(zhǔn)確獲取實(shí)際塔板的水力學(xué)數(shù)據(jù)和精餾塔頂和塔釜熱負(fù)荷.為此，我們通過(guò)Pro II中嚴(yán)格精餾模塊Distillation開展嚴(yán)格計(jì)算.由于該模型屬于操作型計(jì)算，需要將簡(jiǎn)捷精餾計(jì)算的結(jié)果作為輸入條件.

嚴(yán)格精餾的模擬步驟與簡(jiǎn)捷精餾相似，將簡(jiǎn)捷精餾的模擬文件另存作為嚴(yán)格精餾的文件，刪除流程圖中的Shortcut模塊，選擇Column下面的Distillation模塊，在彈出的窗體中輸入理論板數(shù)為24，即簡(jiǎn)捷精餾的適宜理論板數(shù)，再連接好物流，工藝流程與圖1類似，通過(guò)上述操作，只需要對(duì)Distillation模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可進(jìn)行嚴(yán)格模擬計(jì)算.雙擊Distillation嚴(yán)格模塊，在彈出的“Column”窗體中，對(duì)標(biāo)有紅色外框的按鈕進(jìn)行輸入?yún)?shù)的設(shè)置，其中“Pressure Profile”頁(yè)面中，輸入頂部塔板壓力為101kPa，整塔壓降5kPa；“Feeds and Products”頁(yè)面中，輸入進(jìn)料位置第 12塊；“Reboiler”頁(yè)面中，設(shè)置再沸器的類型為熱虹吸式再沸器(無(wú)擋板)，并規(guī)定再沸器出口中汽相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15；“Specifications and Variables”頁(yè)面中，規(guī)定塔頂采出量為875.15 kg/hr，回流比為2.83，如圖4所示.其他沒標(biāo)有紅色外框的按鈕按照默認(rèn)設(shè)置.完成上述設(shè)置之后，點(diǎn)擊RUN按鈕，計(jì)算結(jié)果：塔頂苯產(chǎn)品純度為0.9947，塔釜甲苯產(chǎn)品純度0.9972，與分離要求苯純度0.998、甲苯純度為0.999有一定的差距，這表明簡(jiǎn)捷精餾模塊精度較差.

圖4 嚴(yán)格精餾的Specifications and Variables輸入頁(yè)面

為了使塔頂和塔釜的產(chǎn)品純度達(dá)到分離要求，可在原嚴(yán)格精餾模擬流程上添加兩個(gè)控制器模塊(Controller)，分別是CN1和CN2.CN1中的目標(biāo)函數(shù)是塔頂苯純度0.998，變量為塔頂采出量(COL1SPEC1，見圖4)；CN2中的目標(biāo)函數(shù)是塔釜甲苯純度0.999，變量為回流比(COL1SPEC2，見圖4).設(shè)置完成并運(yùn)行，通過(guò)嚴(yán)格精餾計(jì)算達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的分離要求所需的回流比為4.14，塔頂采出量為875.15kg/hr，如圖5所示.精餾塔塔徑計(jì)算可在“Column”窗體中的“Tray Hydraulics/Packing”頁(yè)面里設(shè)置，通過(guò)Internals中的Trays或Structured Packing進(jìn)行板式塔或者規(guī)整填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果：當(dāng)塔板類型為浮閥時(shí)，塔徑向上圓整后為0.8 m；而使用MELLAPAK 500Y規(guī)整填料時(shí)，塔徑向上圓整后為1.0m.

圖5 嚴(yán)格精餾計(jì)算結(jié)果

經(jīng)上述嚴(yán)格精餾計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，精餾塔的各個(gè)參數(shù)如下：塔頂壓力101kPa，理論板數(shù)24，進(jìn)料位置12，操作回流比4.14，塔頂采出量875.15kg/hr，塔板類型為浮閥時(shí)塔徑為0.8m，規(guī)整填料為MELLAPAK 500Y型號(hào)時(shí)塔徑是1.0m；塔釜再沸器能耗0.4977Gcal/hr，塔頂冷凝器能耗0.4230Gcal/hr.

3 換熱器單元操作中的應(yīng)用

在完成對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算之后，需對(duì)其附屬設(shè)備如塔頂冷凝器和塔釜再沸器等換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.對(duì)應(yīng)常規(guī)待分離體系，精餾塔頂冷凝器一般采用臥式冷凝器，這是由于同樣的換熱要求下，臥式換熱器的換熱效率高于立式，冷卻介質(zhì)(通常是循環(huán)水)走管程，工藝介質(zhì)走殼程.對(duì)于黏度較低的分離體系，精餾塔釜再沸器通常采用熱虹吸式再沸器，相對(duì)于強(qiáng)制循環(huán)再沸器可節(jié)省循環(huán)泵的設(shè)備費(fèi)用及消耗電能的操作費(fèi)用.

Pro II中提供了兩種換熱器模塊，分別是Simple HX和Rigorous HX，前者可進(jìn)行給定總傳熱系數(shù)的設(shè)計(jì)型計(jì)算，后者進(jìn)行嚴(yán)格的核算模式，因此換熱器計(jì)算可用這兩個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì).在此簡(jiǎn)要介紹前者的計(jì)算，在嚴(yán)格精餾模擬文件中添加兩個(gè)Simple HX模塊，如圖6所示，分別命名為CONDENSER和REBOILER作為塔頂冷凝器和塔釜再沸器，并引入虛擬物流(Pseudoproducts)T1-V連接至第2塊板的汽相作為冷凝器的熱物流進(jìn)口、引入虛擬物流T1-L連接至第23塊板的液相作為再沸器的冷物流進(jìn)口，如圖7所示.

圖6 再沸器和冷凝器設(shè)計(jì)

圖7 精餾塔中虛擬物流設(shè)置

上述兩個(gè)換熱器的公用工程一側(cè)的流體參數(shù)采用Utility Stream來(lái)定義，方便快速，不需要添加額外的物流.對(duì)于塔頂冷凝器，公用工程為冷流體，在“Utility Stream”頁(yè)面中，選用循環(huán)水作為換熱介質(zhì)，進(jìn)出口溫度分別為32和37℃；在“Specifications”頁(yè)面中，規(guī)定熱物流出口液相分率為1，總傳熱系數(shù)為400 kcal/hr.m2.K；對(duì)于塔釜再沸器，公用工程為熱流體，在“Utility Stream”頁(yè)面中，選用水蒸氣作為換熱介質(zhì)，蒸汽溫度140℃；在“Specifications”頁(yè)面中，規(guī)定冷物流出口液相分率為0.85，即再沸器的汽化率為0.15，總傳熱系數(shù)為400kcal/hr.m2.K，通過(guò)上述設(shè)置即可算出冷凝器和再沸器的換熱面積及公用工程消耗，如圖8與9所示.

圖8 冷凝器設(shè)計(jì)結(jié)果

圖9 再沸器設(shè)計(jì)結(jié)果

由圖8可知，塔頂冷凝器循環(huán)水用量84.6噸/小時(shí)，換熱面積計(jì)算值為23.2m2，通過(guò)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]，選用臥式雙管程標(biāo)準(zhǔn)換熱器，換熱面積28.7m2，規(guī)格DN450×3000，換熱管是DN25×2，管子根數(shù)126；塔釜再沸器水蒸氣每小時(shí)用量1013kg，換熱面積為44.1m2，通過(guò)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇標(biāo)準(zhǔn)的立式熱虹吸再沸器，換熱面積51.1m2，規(guī)格DN800×1500，換熱管是DN25×2，管子根數(shù)467.再將選型出的冷凝器和再沸器利用Rigorous HX模塊進(jìn)行核算(Calculation Type選擇Rating)，將上述換熱器的參數(shù)輸入該模塊中，再運(yùn)行計(jì)算，經(jīng)核算所選擇的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)換熱器均滿足換熱要求.

經(jīng)上述精餾塔及其附屬設(shè)備換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，得到了滿足設(shè)計(jì)任務(wù)下的精餾塔及其換熱器的設(shè)備規(guī)格，結(jié)果見表1.

表1 苯-甲苯精餾設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

近年來(lái)，我們?cè)诨ぴ碚n程設(shè)計(jì)過(guò)程中，將Pro II流程模擬軟件引入該課程設(shè)計(jì)，開展精餾及其附屬單元操作的全工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，較好地解決了之前手工計(jì)算存在的計(jì)算量大、計(jì)算精度差等弊端.在指定設(shè)計(jì)任務(wù)后，要求精餾單元操作開展簡(jiǎn)捷算法之后再進(jìn)行嚴(yán)格模型計(jì)算，并進(jìn)行塔頂冷凝器和再沸器的相關(guān)計(jì)算，取得了良好的教學(xué)改革效果，加深了學(xué)生對(duì)化工原理理論知識(shí)的掌握，提高了化工原理課程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生從事化工設(shè)計(jì)的興趣，學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中多次取得良好的成績(jī).