基于AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)的精餾模擬研究

張培義

(華測(cè)檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516001)

1 概述

AspenPLUS為大型化工模擬軟件，不僅在學(xué)術(shù)領(lǐng)域被廣泛使用，更在工廠實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。該軟件將繁瑣的精餾操單元數(shù)學(xué)模型集成，并采用先進(jìn)的算法計(jì)算數(shù)學(xué)模型，在大多數(shù)情況下都可達(dá)到收斂的效果。在精餾單元計(jì)算時(shí)，需選擇正確的熱力學(xué)模型，李雷等(1)對(duì)不同熱力學(xué)模型和選擇方法進(jìn)行了介紹。除熱力學(xué)模型外，需引用數(shù)據(jù)庫(kù)以確定平衡時(shí)的汽液相組成，軟件內(nèi)除選擇熱力學(xué)模型后自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)，還增加了NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了不同文獻(xiàn)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，湯磊(2)提出在可以獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為首選，特別是對(duì)于實(shí)際過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)。目前，對(duì)AspenPLUS數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)的對(duì)比研究較少，本文采用兩種不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)甲醇-水和甲醇-乙醇兩種體系，并改變操作變量，研究采用不同數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)模擬結(jié)果的影響。

2 NIST數(shù)據(jù)庫(kù)及使用方法介紹

2.1 NIST數(shù)據(jù)庫(kù)

自AspenPLUS V7.3版本以來(lái)，軟件內(nèi)鑲嵌了NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)不僅包括純物質(zhì)的性質(zhì)，還其包括大量的傳遞性質(zhì)、熱力學(xué)以及相平衡數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行熱力學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.2 NIST數(shù)據(jù)庫(kù)使用方法介紹

點(diǎn)擊TDE NIST按鈕可彈出NIST ThermoDate Engine 對(duì)話框。選擇查詢純物質(zhì)或二元混合物性質(zhì)，點(diǎn)擊Evaluate now按鈕可查詢到純物質(zhì)或二元混合物性質(zhì)的性質(zhì)。

對(duì)于純物質(zhì)的性質(zhì)，除提供許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，針對(duì)必要的性質(zhì)還會(huì)提供對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)式參數(shù)。并綜合關(guān)聯(lián)式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供了可接受的關(guān)聯(lián)結(jié)果。使用軟件的幫助功能可查找不同關(guān)聯(lián)式的具體性質(zhì)。

對(duì)于二元混合物性質(zhì)，除提供了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，軟件自帶一致性檢測(cè)工具，點(diǎn)擊Consistency Test—Run Consistency Test，軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢測(cè)，提供報(bào)告證明哪些數(shù)據(jù)可以使用。

2.3 NIST數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)參數(shù)回歸

AspenPLUS可以接受NIST內(nèi)的搜索到的參數(shù)，選取Properties—Date建立含有待回歸數(shù)據(jù)的數(shù)集。生成相應(yīng)的對(duì)話框，對(duì)話框內(nèi)可選擇相平衡、熱力學(xué)、傳遞、電解質(zhì)、鹽溶液、用戶自定義等模型，以相平衡為例，可進(jìn)一步選擇等溫或等壓下等一系列類型。本文為精餾模型，考慮為壓力控制溫度，因此選擇甲醇-水和甲醇-乙醇體系等壓下的模型。切換對(duì)話框內(nèi)的選項(xiàng)卡到Data選項(xiàng)，并進(jìn)一步點(diǎn)擊Retrieve TDE Binary Data...，軟件會(huì)自動(dòng)切換至NIST數(shù)據(jù)庫(kù)的等壓汽液平衡的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一致性檢測(cè)。篩選一致性檢測(cè)通過(guò)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)塔的操作壓力選擇合適的數(shù)據(jù)集，并保存。點(diǎn)擊Regression，然后點(diǎn)擊New對(duì)保存的數(shù)據(jù)集進(jìn)行回歸，并檢測(cè)收斂前的迭代次數(shù)，是否有誤錯(cuò)誤或警告，如沒(méi)有則可用此數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如有則選擇另外的數(shù)據(jù)集。

3 精餾操作單元模擬

進(jìn)料的組成、溫度、壓力如下表1，本文設(shè)定甲醇-水和甲醇-乙醇體系分離為常壓精餾，塔頂采出輕組分的回收率高于99.5%，塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)據(jù)高于99%。首先采用簡(jiǎn)捷法精餾計(jì)算模型，由于塔壓力采用常壓，低于1MPa，可選用活度系數(shù)模型，并且軟件內(nèi)有自帶的甲醇-水和甲醇-乙醇體系交互參數(shù)，因此本文選用NRTL模型，通過(guò)簡(jiǎn)捷模型初步確定基本的進(jìn)料板、塔板數(shù)、回流比、塔頂出料量/塔進(jìn)料量，進(jìn)一步的計(jì)算采用嚴(yán)格精餾計(jì)算模型：RadFrac。嚴(yán)格計(jì)算模型充分考慮了精餾數(shù)學(xué)模型中的多個(gè)自由度，操作變量不僅包括回流比、塔頂出料量/塔進(jìn)料量、進(jìn)料板、塔板數(shù)、塔操作壓力，還包括不同冷凝器類型(全凝、部分冷凝)、不同再沸器類型(釜式、熱虹吸式)、側(cè)線采出等選項(xiàng)。能夠滿足工廠模擬的要求。

表1 進(jìn)料情況

采用簡(jiǎn)捷模型計(jì)算進(jìn)料板、塔板數(shù)、回流比、塔頂出料量/塔進(jìn)料量的計(jì)算結(jié)果如下表2。

表2 簡(jiǎn)捷模型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上表格對(duì)比，由于采用的數(shù)據(jù)庫(kù)不同，主要的操作參數(shù)進(jìn)料板、塔板數(shù)、回流比等都有不同。甲醇和水體系采用實(shí)驗(yàn)值時(shí)的塔板數(shù)比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出來(lái)的要多，回流比也較大；甲醇-乙醇體系則相反采用實(shí)驗(yàn)值時(shí)的塔板數(shù)比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出來(lái)的要少，回流比也較小。通過(guò)簡(jiǎn)捷模型可初步說(shuō)明直接使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可能會(huì)引起設(shè)計(jì)上的偏差。下面通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算模型進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比、研究。

按照簡(jiǎn)捷模型計(jì)算出的初步進(jìn)料板、塔板數(shù)、回流比及塔頂出料量/塔進(jìn)料量設(shè)置嚴(yán)格模型的操作參數(shù)，冷凝器采用全凝的形式，再沸器采用釜式，同樣采用常壓塔精餾。

計(jì)算出的塔頂、塔底出料組成及流量如下表3。

表3 嚴(yán)格模型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表3可以看出除了甲醇-乙醇體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的塔頂輕組分高于99%，其它三組均未達(dá)到此粗純度，說(shuō)明使用簡(jiǎn)捷模型與嚴(yán)格模型的計(jì)算模擬結(jié)果有偏差。正常工廠設(shè)計(jì)中一般以嚴(yán)格模型為準(zhǔn)。

為使塔頂輕組分濃度滿足要求，本文對(duì)其它三組嚴(yán)格計(jì)算模型中的回流比進(jìn)行調(diào)整，此過(guò)程采用靈敏度分析的方法。得到的數(shù)據(jù)如下：

表4 回流比與塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)靈敏度分析

通過(guò)表5，可得出四種選項(xiàng)的回流比依次為0.953、0.968、2.85、2.96時(shí)塔頂輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%。因此最終的塔設(shè)置參數(shù)如下表5。

表5 塔參數(shù)設(shè)置

對(duì)于甲醇-水和甲醇-乙醇兩種體系，分別使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模擬。由于兩種數(shù)據(jù)庫(kù)模擬時(shí)塔頂輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同且塔頂質(zhì)量流量相同，因此塔頂輕重組分的回收率相同。通過(guò)表5可得在塔頂輕重組分回收率相同的情況下，使用不同數(shù)據(jù)庫(kù)塔板數(shù)和回流比會(huì)不同。其中甲醇-水體系，在使用NIST數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)塔板數(shù)和回流比都要比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的數(shù)據(jù)要大；甲醇和乙醇體系中，在使用NIST數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)塔板數(shù)要比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)少，但回流比較大。為進(jìn)一步的研究，本文針對(duì)兩種體系，采用兩種數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，增加了相同進(jìn)料板和塔板數(shù)設(shè)置，同樣以塔頂輕重組分回收率相同為前提，回流比的確定同樣使用靈敏度的方法，結(jié)果如下表6。

表6 進(jìn)料板和塔板數(shù)相同的前提下回流比的數(shù)據(jù)

通過(guò)表6，可得在進(jìn)料板和塔板數(shù)相同的情況下，保證相同塔頂輕重組分回收率相同，模擬出的回流比也不相同。

為進(jìn)一步對(duì)比，使用表6內(nèi)的數(shù)據(jù)設(shè)置塔，模擬出每塊塔板的輕組分組成、溫度，如下圖1。

圖1 甲醇-水體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)各塔板甲醇

圖2 甲醇-水體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)各塔板溫度

圖3 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)各塔板質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)各塔板溫度

通過(guò)圖1 和圖3可得，對(duì)于甲醇-水和甲醇-乙醇體系，采用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，盡管塔頂輕重組分的回收率相同，但塔內(nèi)輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同的，說(shuō)明如果采用的數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)際不同，模擬的結(jié)果會(huì)有差異，如工廠需要側(cè)線采出，且使用不正確的數(shù)據(jù)庫(kù)則影響模擬結(jié)果。通過(guò)圖2和圖4可得，使用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，塔板溫度分布同樣有差異。

4 結(jié)論

本文分別使用AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)模擬甲醇-水和甲醇-乙醇精餾分離，并采用了簡(jiǎn)捷計(jì)算模型和嚴(yán)格計(jì)算模型。通過(guò)模擬得出以下結(jié)論：

簡(jiǎn)捷計(jì)算模型和嚴(yán)格計(jì)算模型模擬結(jié)果不同；

使用AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)甲醇-水和甲醇-乙醇進(jìn)行精餾單元模擬時(shí)，以塔頂輕重組分回收率和塔頂出料量相同為目標(biāo)。計(jì)算出的塔板數(shù)、進(jìn)料板、回流比不同；如設(shè)置相同的塔板數(shù)和進(jìn)料板，回流比亦不相同；

使用不同數(shù)據(jù)庫(kù)模擬時(shí)，塔內(nèi)的溫度和輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同板也可不同。

綜上所述，在進(jìn)行AspenPLUS模擬中需盡量采用與實(shí)際接近的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模擬，建議盡量不采用AspenPLUS自帶的數(shù)據(jù)。