Aspen Plus在精餾實(shí)驗(yàn)中的模擬優(yōu)化

李惠成，劉凱凱，李小菊，于春柳，康進(jìn)科

(隴東學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

精餾是化工生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的一種單元操作。在精餾塔的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于操作條件的波動(dòng)，其分離效果和生產(chǎn)能力經(jīng)常發(fā)生變化，因此精餾塔操作性能的分析是化工原理的重要教學(xué)內(nèi)容。由于影響精餾分離的因素很多且呈非線性關(guān)系，使此類問(wèn)題頗為復(fù)雜和靈活，成為化工原理的教學(xué)難點(diǎn)。利用模擬軟件解決上述精餾操作型問(wèn)題是一條非常有效的捷徑，不僅能加深對(duì)精餾單元過(guò)程的理解，而且有助于提高學(xué)生利用流程模擬優(yōu)化技術(shù)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。Aspen Plus是一種通用型化工流程模擬軟件，可用于單元過(guò)程及化工流程的模擬、設(shè)計(jì)和優(yōu)化，具有界面友好、工作效率高、結(jié)果準(zhǔn)確、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，目前已在全世界范圍內(nèi)廣泛使用[1-2]。

1 精餾實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是篩板塔，共10塊塔板，塔身內(nèi)徑為50 mm的不銹鋼管制成。其中，第二段和第九段采用耐熱玻璃材質(zhì)，可便于觀察塔內(nèi)氣、液相流動(dòng)狀況。其余塔段做有保溫。降液管由外徑為8 mm的不銹鋼管制成。篩孔直徑2 mm。塔內(nèi)裝有鉑電阻溫度計(jì)，用來(lái)測(cè)定塔內(nèi)氣相溫度。塔頂物料蒸汽和塔底產(chǎn)品在管外冷凝并冷卻，管內(nèi)通冷卻水。塔釜采用電加熱[3]。

圖1 精餾實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Flow chart of rectification experimental unit

混合液體由儲(chǔ)料罐經(jīng)進(jìn)料泵、進(jìn)料閥直接(由高位槽轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量)進(jìn)入塔內(nèi)。塔釜裝有液位計(jì)用于觀察釜內(nèi)存液量。塔底產(chǎn)品經(jīng)過(guò)冷卻后經(jīng)由平衡管流出。回流比調(diào)節(jié)器用來(lái)控制回流比，餾出液儲(chǔ)罐接收餾出液?；亓鞅瓤刂撇捎秒姶盆F吸合擺針?lè)绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)物系和條件

①實(shí)驗(yàn)物系：乙醇-正丙醇；

②實(shí)驗(yàn)條件：混合液配比乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%；

③進(jìn)料條件：進(jìn)料溫度為25 ℃，進(jìn)料量2～4 L/h，回流比設(shè)置范圍R= 4～∞，本實(shí)驗(yàn)取進(jìn)料量3 L/h，回流比為4。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程溫度分布

圖2 塔板溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of tray

1.4 精餾分離結(jié)果

經(jīng)精餾實(shí)驗(yàn)后得出部分回流分離結(jié)果如表1所示。

表1 部分回流分離的結(jié)果Table 1 Results of partial reflux separation

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式以及梯級(jí)圖解法對(duì)部分回流時(shí)塔板效率計(jì)算可得到：

圖3 理論塔板數(shù)Fig.3 Number of theoretical trays

即部分回流時(shí)全塔效率為61.2%，效率偏低。

2 Aspen Plus模擬優(yōu)化

2.1 物系平衡數(shù)據(jù)及其相圖[5-8]

實(shí)驗(yàn)中的乙醇-正丙醇t-x-y平衡相圖如圖4所示。

乙醇沸點(diǎn)：78.3 ℃，正丙醇沸點(diǎn)：97.2℃。

圖4 乙醇-正丙醇t-x-y相圖Fig.4 T-x-y Phase diagram of ethanol-n-propanol

2.2 模擬流程

在Aspen Plus軟件中建立流程模擬對(duì)精餾過(guò)程進(jìn)行模擬[9-10]，如圖5所示。

圖5 模擬流程圖Fig.5 Simulation flow chart

2.3 精餾模擬中的條件及物性參數(shù)

在建立如圖5所示的流程圖后，開(kāi)始模擬過(guò)程。設(shè)計(jì)乙醇-正丙醇精餾塔分離條件，其冷凝器壓力為95 kPa，再沸器壓力為105 kPa，進(jìn)料量為3 L/h，溫度25 ℃，壓力為101 kPa，混合物體系中質(zhì)乙醇質(zhì)量含量為20%，塔頂產(chǎn)品乙醇回收率不低于80%，塔底產(chǎn)品正丙醇回收率不低于85%，選用NRTL-RK物性方法。

2.4 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)我們做的乙醇-正丙醇二元體系連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)，可以從兩方面對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，分別為給定回流比的情況和給定塔板數(shù)的情況。

2.4.1 設(shè)定回流比

當(dāng)設(shè)定回流比R=4，設(shè)置參數(shù)完成后進(jìn)行模擬得到結(jié)果。

從模擬結(jié)果可得出最小回流比為1.637，實(shí)際回流比4，最小理論板數(shù)7，理論板數(shù)9，進(jìn)料位置為第6塊板，塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料摩爾比(Distillate to feed fraction)為0.297。隨后在Aspen plus中生成回流比隨理論板的變化表，作出回流比與理論板的關(guān)系曲線，如圖6所示。

合理的理論板數(shù)應(yīng)在曲線斜率絕對(duì)值較小的區(qū)域內(nèi)選擇，當(dāng)回流比R=4時(shí)，從圖6可得出合理的理論塔板數(shù)應(yīng)大于10塊(試驗(yàn)所采取的精餾塔塔板數(shù)為10塊)，接近于13塊。

圖6 回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between reflux ratio andnumber of theoretical plates

利用Aspen Plus的靈活性作出精餾塔內(nèi)的溫度分布圖，以及各塔板上的含量組成圖，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到更好的實(shí)驗(yàn)操作條件。模擬結(jié)果顯示塔內(nèi)各部分含量分布結(jié)果，其中塔頂產(chǎn)品中乙醇的質(zhì)量純度為80.10%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為98.00%，同時(shí)顯示塔內(nèi)的溫度分布結(jié)果，繪制出塔內(nèi)溫度分布曲線和組成分布曲線如圖7、圖8所示。

圖7 塔內(nèi)溫度分布曲線Fig.7 Temperature distribution curve in the tower

圖8 塔內(nèi)液相組成分布曲線Fig.8 Composition and distribution curve of liquid phasein the tower

2.4.2 設(shè)定塔板數(shù)

當(dāng)設(shè)定塔板數(shù)為10塊，設(shè)置參數(shù)完成后進(jìn)行模擬得到模擬結(jié)果。從結(jié)果可得出最小回流比為1.637，實(shí)際回流比2.90，最小理論板數(shù)7，實(shí)際塔板數(shù)10，進(jìn)料位置為第7塊板，塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料摩爾流率比為0.296。隨后在Aspen Plus中重復(fù)前面2.4.1里面的操作，作出回流比與理論板的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve between reflux ratio and number oftheoretical plates

當(dāng)塔板數(shù)一定時(shí)，從圖9可得結(jié)論，若要使精餾效果更理想，合理的塔板數(shù)應(yīng)為13塊，與前一次回流比R=4時(shí)模擬結(jié)果一樣。繼續(xù)模擬，得出塔內(nèi)的各部分含量分布結(jié)果，物流結(jié)果顯示塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量純度為69.23%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為97.30%。

2.4.3 比較回流比一定與塔板數(shù)一定時(shí)的模擬結(jié)果

從以上模擬分析我們可得出當(dāng)回流比為定值R=4時(shí)的模擬結(jié)果與塔板數(shù)為10塊時(shí)的模擬結(jié)果，當(dāng)回流比為4時(shí)，塔頂產(chǎn)品中乙醇的質(zhì)量純度80.10%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為98.00%；當(dāng)塔板數(shù)為10塊時(shí)，塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量純度為69.23%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為97.30%。對(duì)兩組結(jié)果進(jìn)行比較，很顯然當(dāng)確定回流比為4時(shí)得到的產(chǎn)品純度更高，更能提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.5 靈敏度分析最佳進(jìn)料位置

在進(jìn)行完前面兩組比較后，我們選擇回流比R=4時(shí)的模擬結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，在Aspen plus模擬中建立靈敏度分析任務(wù)，對(duì)乙醇-正丙醇體系進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后繪制出不同理論板數(shù)時(shí)再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線，見(jiàn)圖10。

圖10 不同理論板數(shù)時(shí)再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化Fig.10 Changes of heat load of reboiler with feed positionat different theoretical plates

從圖10可以看出，隨理論板數(shù)增加，曲線的最小值減小，當(dāng)塔板數(shù)為10塊時(shí)，最佳進(jìn)料位置為第6塊板，即最佳進(jìn)料位置時(shí)的熱負(fù)荷減少，操作費(fèi)用減少，但是塔的制造費(fèi)用增加。

3 結(jié) 論

本次模擬主要是利用Aspen軟件對(duì)《化工原理實(shí)驗(yàn)》的篩板精餾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了連續(xù)精餾模擬，得到如下模擬結(jié)果：

(1)當(dāng)實(shí)際回流比R=4時(shí)，最小回流比為1.637，最小理論板數(shù)板數(shù)7，進(jìn)料位置為第6塊板，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可得到塔頂產(chǎn)品與塔底產(chǎn)品的含量，塔頂產(chǎn)品中乙醇的質(zhì)量純度為80.10%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為98.00%。

(2)當(dāng)塔板數(shù)規(guī)定為10塊時(shí)，最小回流比為1.637，實(shí)際回流比2.90，最小理論板數(shù)7，實(shí)際塔板數(shù)10，進(jìn)料位置為第7塊板，與R=4時(shí)的結(jié)果一樣，進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)作出塔內(nèi)產(chǎn)品含量結(jié)果，得到塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量純度為69.23%，塔底產(chǎn)品正丙醇的質(zhì)量純度為97.30%。

以上兩種結(jié)果比較后得出，當(dāng)確定回流比為4時(shí)得到的產(chǎn)品純度更高，更能提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(3)在Aspen plus模擬中建立靈敏度分析任務(wù)，對(duì)乙醇-正丙醇體系進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后繪制出不同理論板數(shù)時(shí)再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化曲線。從圖10得到當(dāng)塔板數(shù)為10塊時(shí)，最佳進(jìn)料位置為第6塊。

從以上模擬可以看出，Aspen Plus 模擬速度快捷、方便。此外，已知條件通過(guò)模擬就可以確定精餾實(shí)驗(yàn)的操作參數(shù)。將Aspen Plus應(yīng)用于化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中，不但節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，解決了試驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足等問(wèn)題，并且還將實(shí)際案例應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，使課程教學(xué)緊密貼近實(shí)際化工過(guò)程，開(kāi)闊了學(xué)生的視野和自主創(chuàng)新能力。同時(shí)通過(guò)軟件的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)研究的能力。