流程模擬軟件Aspen Plus 在精餾塔設計中的應用

李 峰，趙新堂，萬寶鋒

（中化近代環?；ぃㄎ靼玻┯邢薰?，陜西 西安 710201）

Aspen Plus 是集裝置設計、穩態模擬和優化為一體的大型通用流程模擬軟件，該軟件經過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現已經成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，Aspen Plus 在裝置從研發、工程化，再到工業生產的整個生命周期中，提供了經過驗證的巨大的經濟效益，它將穩態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 可以設計、模擬、故障診斷并有效的管理生產裝置。本文利用Aspen Plus 軟件進行了氟代烴生產中精餾塔的設計與優化。

1 用于塔設計的單元操作模塊

本文中，首先使用DSTWU 進行簡捷精餾設計，然后利用DSTWU 得到的結果再使用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，設置輕關鍵組分R134a 回收率為99.5%，重關鍵組分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，經過計算塔頂產品中R134a 的含量可以達到99.9%，精餾塔計算結果如下：

表3 DSTWU 簡捷計算結果

2.2 精餾塔回流比和塔板數的優化

使用Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能對本精餾塔回流比和理論板數進行優化，設置采集變量為塔板數（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，當回流比低于最小回流比的2 倍時，精餾塔的塔板數呈加速上升趨勢，所以本例選擇回流比為最小回流比的2 倍，對應塔板數為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，只能用于初步設計，計算結果僅能作為嚴格核算的基礎，為嚴格核算提供初值，所以簡捷計算完成后，要根據簡捷計算的結果再進行嚴格核算，確定各參數。

圖2 DSTWU 模塊塔板數與回流比關系圖

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，精餾塔計算結果塔頂產品純度為99.84%，無法滿足設計要求（設計要求產品純度大于99.9%），下面對精餾塔進行優化。

3.1 回流比優化

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

使用Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能對本精餾塔塔頂產品純度和回流比進行優化，設置采集變量為塔頂產品中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、進料組成、壓力一定的情況下，隨著精餾塔回流比的增大，塔頂產品摩爾分率也逐步提高，當回流比達到6.3 左右時，塔頂產品摩爾分率達到0.999。

3.2 塔板數的優化

圖3 RadFrac 模塊精餾塔回流比與塔頂產品摩爾分率關系圖

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來觀察對塔頂產品純度、冷凝器負荷和再沸器負荷的影響，并使用Aspen Plus 中的設計規定“Design Specs”功能，設置采集變量為塔頂產品摩爾純度，目標值為0.999，設置操作變量為“Reflux Ratio”，得到在規定塔板數下達到規定分離要求的回流比。

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

表4 精餾塔塔板數與塔徑、回流比、塔負荷關系表

3.3 操作壓力的優化

使用RadFrac 模塊進行精餾塔的嚴格核算，塔板數設置為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 中的設計規定“Design Specs”功能，設置采集變量為塔頂產品摩爾純度，目標值為0.999，設置操作變量為“Reflux Ratio”，得到在規定塔板下達到規定分離要求的回流比。

表5 操作壓力對精餾塔各參數的影響

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有關，且與塔頂冷凝器、塔釜再沸器的面積有關，間接與塔的設備費用相關。綜合表5 的結果，本例的操作壓力應該選擇在0.8～1.0 MPa，冷卻介質選擇－5 ℃冷媒，加熱介質選擇0.3 MPa 蒸汽，塔頂壓力選擇在0.8～1.0 MPa。

3.4 進料位置的優化

精餾塔塔板數設置為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，設置采集變量為塔頂產品摩爾純度，設置操作變量為“FEED-STAGE”，得到如圖4 所示的塔頂產品摩爾純度與進料板關系圖。

圖4 精餾塔進料位置與塔頂產品摩爾分率關系圖

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

3.5 塔高的計算

填料塔的高度與填料高度密切相關，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，HETP—填料的理論板當量高度或等板高度。

以本文為例，如果選擇塔板數為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 精餾塔的經濟核算

精餾塔的經濟核算主要是通過對精餾塔的設備費用和操作費用進行分析，確定出精餾塔的最優設計方案。精餾塔的設備費用主要是指設備加工費用、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，精餾塔的塔板數與設備費用、操作費用及總費用的關系，隨塔板數的增加，設備費用增加，操作費用逐步下降，但塔板數增加到一定數量后，設備費用繼續增加并不能帶來操作費用的下降，此時就無需再增加設備費用。根據表5 的數據，發現當塔板數達到90 塊后，操作費用的變化已經不明顯。

表6 精餾塔費用計算表

由表4、表5、表6 的數據可得到，該精餾塔選擇塔板數為90 塊，回流比4.36，塔徑380 mm、操作壓力1.0 MPa 可以滿足設計要求，得到塔頂產品純度為99.9%。

5 結論

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計和核算，并能夠通過對精餾塔各個參數的調節來判斷對精餾效果的影響，并通過經濟核算從而選擇出最優的精餾塔設計條件及操作條件，這樣可以提高我們設計精餾塔的水平，使其用于工業生產后減少能源消耗，創造更大的經濟效益。

[1]曹俊雅,王光耀,朱凱,等.Aspen Plus 在化工設計中的應用實踐與探索[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用研究[J].有機氟工業，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.現代塔器技術（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2005：785-787.

[5]路秀林，王者相等.化工設備設計全書－塔設備[M].北京：化學工業出版社，2004：170-173.

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

[7]張治山,高軍,李敏,等.Aspen Plus 在精餾操作分析中的應用[J].中國教育技術裝備，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.化工過程數值模擬及軟件[M].北京：化學工業出版社，2006.

[11]熊杰明,楊索和.Aspen Plus 實例教程[M].北京：化學工業出版社，2013.

[12]Aspen Plus Version7.3，Help.