化工設(shè)計(jì)教學(xué)中精餾塔設(shè)計(jì)的案例設(shè)計(jì)及教學(xué)方法*

龔彥文，程雪妮，白紅娟，劉文舉

(河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

化工設(shè)計(jì)課程是化工專業(yè)的主干課，它是一門利用理論知識解決實(shí)際問題、應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，利用過程模擬軟件計(jì)算穩(wěn)態(tài)精餾過程是化工設(shè)計(jì)教學(xué)中的重要知識點(diǎn)，也是學(xué)生理解精餾操作的重要途經(jīng)[1-2]。在應(yīng)用軟件中，經(jīng)常遇到精餾塔不收斂或最終設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，特別是對于含不凝氣進(jìn)料的精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算，學(xué)生不能掌握設(shè)計(jì)規(guī)定的應(yīng)用，設(shè)計(jì)的參數(shù)可能偏離實(shí)際操作參數(shù)，多數(shù)學(xué)生不能很好的理解精餾塔的設(shè)計(jì)規(guī)定應(yīng)用[3-4]。為了達(dá)到學(xué)以致用，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，本文采用教學(xué)中廣泛應(yīng)用的Aspen Plus對精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中遇到的問題進(jìn)行了分析，分類總結(jié)了精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，設(shè)計(jì)合適的教學(xué)案例，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，以期與教學(xué)同仁一同探討，共同促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 化工設(shè)計(jì)教學(xué)中精餾塔設(shè)計(jì)的分類

在化工原理和分離工程教學(xué)中，精餾分離計(jì)算主要講解塔頂全凝器的操作類型計(jì)算，而在實(shí)際應(yīng)用中，常見的精餾塔設(shè)計(jì)可以分為三類：(1)塔頂全凝器；(2)塔頂分凝器；(3)中間采出物料類型。塔頂全凝器適合進(jìn)料中無不凝氣體，設(shè)計(jì)中一般采用飽和液相回流，設(shè)計(jì)計(jì)算容易收斂。塔頂分凝器適合進(jìn)料中含有不凝氣，塔頂產(chǎn)品為液相，一般需要控制氣相分率，如原油蒸餾塔、進(jìn)入精餾塔的物料含有氫氣、甲烷等少量輕組分。中間采出物料適合進(jìn)料中含有的組分在精餾塔的某塊塔板濃度較高，而且對分離程度要求不高的情況，如石油產(chǎn)品蒸餾，發(fā)酵液分離中醇類的分離等。我們針對這三種情況分別設(shè)計(jì)合適的案例，介紹Aspen Plus的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2 精餾塔設(shè)計(jì)的一般程序

在工藝設(shè)計(jì)過程中，含有多個(gè)精餾塔操作時(shí)，不能采用簡單的校核方法(僅設(shè)定流量和回流比)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)規(guī)定每個(gè)精餾塔的設(shè)計(jì)規(guī)定(一般至少2個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定)，否則當(dāng)進(jìn)料參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致物系達(dá)不到分離要求。先采用簡捷法尋找初始條件，再用嚴(yán)格精餾塔模型計(jì)算，計(jì)算時(shí)先根據(jù)簡捷法的結(jié)果設(shè)定嚴(yán)格精餾模型的條件，在精餾塔收斂后再加設(shè)計(jì)規(guī)定，然后根據(jù)需要收緊設(shè)計(jì)規(guī)定的限度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求[5-6]。

3 精餾塔設(shè)計(jì)的教學(xué)案例

以苯與丙烯烷基化反應(yīng)生產(chǎn)異丙苯工藝為例，進(jìn)料丙烯帶有或反應(yīng)過程中副反應(yīng)產(chǎn)生的輕組分如氫氣、甲烷、乙烷等物料進(jìn)入脫苯精餾塔，在精餾塔內(nèi)分離出過量的苯循環(huán)進(jìn)反應(yīng)器。進(jìn)料條件如表1所示，假設(shè)過程中不含比苯輕的物料(組分①)，則可以采用全凝器分離，實(shí)際過程含有輕組分(組成②)則應(yīng)該采用分凝器。

表1 脫苯精餾塔進(jìn)料條件

3.1 塔頂全凝器類型

(1)簡捷法計(jì)算

進(jìn)料條件用表1中的組成①，設(shè)定條件及計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 脫苯精餾塔簡捷計(jì)算條件及結(jié)果

表3 脫苯精餾塔嚴(yán)格計(jì)算條件及結(jié)果

從表2中的參數(shù)變化，可以看出回流比對塔板數(shù)的影響，由于苯與異丙苯的相對揮發(fā)度相差較大，最小回流比為0.225，因此增大回流比，再沸器負(fù)荷增加不大，本例可以采用1.5Rmin。當(dāng)分離物系的最小回流比較大且塔頂餾出物流量大時(shí)應(yīng)采用較小的回流比，此時(shí)采用1.05～1.2Rmin較合適。由于苯的流量大，采用較低的回收率(0.995)，苯會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品異丙苯中，導(dǎo)致異丙苯不合格，因此采用條件b的設(shè)定條件，塔底苯的含量較低，經(jīng)過第二精餾塔，異丙苯的質(zhì)量純度可以達(dá)到0.997。

(2)嚴(yán)格精餾塔計(jì)算

采用嚴(yán)格精餾塔模塊設(shè)計(jì)，設(shè)定參數(shù)采用簡捷法計(jì)算的結(jié)果。然后添加設(shè)計(jì)規(guī)定：塔頂苯和異丙苯的回收率分別為0.999和0.01，操縱變量為塔頂流量(250～280 mol/h)和回流比(0.2∶0.5)，程序收斂。對比結(jié)果可知嚴(yán)格精餾模型計(jì)算參數(shù)與簡捷法不一致，實(shí)際回流比小于簡捷法計(jì)算的結(jié)果。

3.2 塔頂分凝器類型

(1)簡捷法計(jì)算

進(jìn)料條件用表1中的組成②，仿照表2的設(shè)定條件a，無法計(jì)算出結(jié)果，原因在于塔頂采用全凝器設(shè)定時(shí)，體系的輕組分必須在很低的溫度下才能變?yōu)橐合啵隽讼到y(tǒng)范圍。對于某些分離體系，即使采用全凝器設(shè)計(jì)，軟件也能計(jì)算出結(jié)果，但冷凝器的溫度很低，與實(shí)際操作條件偏離較大。因此應(yīng)采用“產(chǎn)品為氣液兩相餾出物的分凝器”選項(xiàng)，設(shè)定餾出物氣相分率，設(shè)定氣相餾出物的分率為塔頂氣相流量占塔頂總餾出物流量(氣相+液相)的比率，設(shè)定條件及計(jì)算結(jié)果如表4所示，計(jì)算結(jié)果中塔頂?shù)奈锪靼瑲庖簝上嗟幕旌虾蟮臈l件。

表4 脫苯精餾塔簡捷計(jì)算條件及結(jié)果

表5 脫苯精餾塔嚴(yán)格計(jì)算條件及結(jié)果

對比結(jié)果模擬可知，在設(shè)計(jì)過程中塔頂組成由回收率控制，氣相分率僅影響塔頂?shù)臏囟龋敋庀喾致矢?，要求冷凝器的溫度也高，帶出系統(tǒng)的苯蒸汽含量會(huì)增大，本例選擇氣相分率為0.02。

(2)嚴(yán)格精餾塔計(jì)算

采用嚴(yán)格精餾塔模塊設(shè)計(jì)，設(shè)定參數(shù)采用簡捷法計(jì)算的結(jié)果。然后添加設(shè)計(jì)規(guī)定：塔頂苯和異丙苯的回收率分別為0.999和0.01，此時(shí)操縱變量選擇塔底流量(100～120 mol/h)和回流比(0.2∶0.5)，程序更容易收斂，有時(shí)也可以采用塔底苯/異丙苯的摩爾比作為控制變量，也可以快速收斂。

3.3 中間采出物料類型

Aspen軟件中的簡捷精餾計(jì)算模塊不能計(jì)算機(jī)側(cè)線采出的結(jié)果，在教學(xué)中采用嚴(yán)格精餾模塊直接計(jì)算。進(jìn)料10 kmol/h，含水0.899(摩爾分率)，乙醇0.1，丙醇0.001。設(shè)定條件及計(jì)算結(jié)果如表6所示，對應(yīng)的操縱變量分別為回流比(0.4∶5)、蒸餾流率(0.8～1.5)和側(cè)線抽出量(0.01～0.2)。

表6 側(cè)線采出精餾塔嚴(yán)格計(jì)算條件

4 精餾塔設(shè)計(jì)教學(xué)中易出現(xiàn)的問題

在教學(xué)中，學(xué)生操作軟件有時(shí)不收斂，應(yīng)根據(jù)控制面板的報(bào)錯(cuò)信息做相應(yīng)的修改。主要錯(cuò)誤及解決辦法如下：

(1)簡捷精餾塔出現(xiàn)塔板數(shù)負(fù)值，原因在于輕重關(guān)鍵組分選擇錯(cuò)誤。

(2)精餾塔頂溫度很低，原因在于塔頂選擇了全凝器或氣相分率偏小。

(3)精餾塔設(shè)計(jì)規(guī)定不收斂，原因在于操縱變量目標(biāo)值不在規(guī)定范圍內(nèi)，或操縱變量選擇不合適，或設(shè)計(jì)規(guī)定過于嚴(yán)格，有時(shí)還需要調(diào)整計(jì)算次數(shù)或收斂方法。

(4)側(cè)線采出塔出現(xiàn)干板報(bào)警，原因在于抽出液相多，塔板液相低于最小值。

5 結(jié) 語

利用Aspen Plus軟件設(shè)計(jì)化工過程，程序不收斂主要是由于其中的精餾塔設(shè)計(jì)不收斂造成的，因此對精餾塔的類型進(jìn)行分類，并設(shè)計(jì)合適的教學(xué)案例有利于提高學(xué)生應(yīng)用軟件的能力。本文只是對常見的精餾塔類型做了示例分析，對于特殊的恒沸精餾等過程，由于設(shè)計(jì)過程復(fù)雜[7]，未作介紹，在后續(xù)教學(xué)中需要設(shè)計(jì)適合教學(xué)的恒沸精餾計(jì)算示例。