試論工藝模擬對(duì)精餾塔設(shè)計(jì)的影響

張歡歡 方磊（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州310002）

試論工藝模擬對(duì)精餾塔設(shè)計(jì)的影響

張歡歡 方磊（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州310002）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類(lèi)模擬軟件相繼出現(xiàn)，為生產(chǎn)中的工藝模擬操作奠定了有利的基礎(chǔ)。本文將基于工藝模擬對(duì)精餾塔設(shè)計(jì)的影響這一角度展開(kāi)相應(yīng)的探討，以期能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)人士提供一些有益的參考。

工藝模擬；精餾塔設(shè)計(jì)；影響

一、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及其不足

時(shí)至今日，精餾設(shè)備的設(shè)計(jì)在很大程度上仍受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的影響，先完成平衡級(jí)工藝模擬工作，再完成精餾塔的設(shè)計(jì)及后續(xù)的校核工作。其弊端在于，工藝計(jì)算的過(guò)程中，在一定程度上忽略了設(shè)備的實(shí)際可操作性，如塔泄露所帶來(lái)的影響，而此類(lèi)問(wèn)題又往往是工藝計(jì)算環(huán)節(jié)所無(wú)法兼顧的。在常壓塔、加壓塔的設(shè)計(jì)中，此類(lèi)設(shè)計(jì)思路影響不大；在減壓塔設(shè)計(jì)中，因?yàn)閴毫?huì)給氣體密度帶來(lái)一定程度的影響，所以，操作、設(shè)計(jì)二者無(wú)法有效吻合的事件時(shí)有發(fā)生。所以，在設(shè)計(jì)減壓精餾塔的過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮工藝、設(shè)備的并行問(wèn)題，并采取適當(dāng)?shù)哪M方法予以驗(yàn)證［1］。

二、工藝、設(shè)備并行問(wèn)題模擬研究

塔板本身的操作性能將會(huì)對(duì)塔內(nèi)氣液負(fù)荷產(chǎn)生一定的影響，分別是塔板壓降、霧沫夾帶以及泄露問(wèn)題。當(dāng)前所采用的穿流塔板是一種具有全泄露性能的塔板，因而泄露影響微乎其微［2］；對(duì)新設(shè)計(jì)的精餾塔進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其操作點(diǎn)普遍不高，即安全系數(shù)普遍較高，因而霧沫夾帶影響也是微乎其微，值得注意的是，當(dāng)塔板操作被置于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，則需關(guān)注這一問(wèn)題。

1.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中并行工藝計(jì)算及編程

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中，其工藝計(jì)算并沒(méi)有結(jié)合精餾塔的實(shí)際構(gòu)型問(wèn)題，所以，在工藝計(jì)算及編程環(huán)節(jié)應(yīng)于MESH方程組的物料平衡研究中添加霧沫夾帶及泄露這二者的影響，另外，在確定每板實(shí)際壓力時(shí)，應(yīng)考慮塔板壓降的計(jì)算。在初值賦值方面，前者通常為0，而后者則根據(jù)傳統(tǒng)方法及操作者的經(jīng)驗(yàn)確定，如此一來(lái)，在很大程度上提高了迭代收斂的實(shí)際難度。所以，建議如下方法：第一步，非并行模擬；第二步，塔板水力學(xué)影響的迭代計(jì)算；第三步，最迭代結(jié)果進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證［3］。

2.在模擬軟件的幫助下實(shí)施并行工藝計(jì)算

流程模擬軟件的性能是毋庸置疑的，對(duì)常規(guī)工藝進(jìn)行描述時(shí)，不僅能夠保證精度的要求，同時(shí)還能夠保證可靠性的要求，所以，在工藝、設(shè)備的并行模擬中，合理引入并應(yīng)用流程軟件便顯得尤為重要了。

實(shí)踐表明，在精餾塔氣液摩爾流率的諸多影響因素中并不包括操作壓力這一項(xiàng)，所以，在工藝模擬的具體環(huán)節(jié)，僅需對(duì)精餾塔的各項(xiàng)操作條件進(jìn)行明確規(guī)定，便可直接確定塔內(nèi)氣液的實(shí)際摩爾流量。在流程模擬軟件的幫助下，開(kāi)展并行模擬操作時(shí)，一般執(zhí)行以下方法和步驟：1）對(duì)常規(guī)條件下的平衡級(jí)流程予以模擬計(jì)算，同時(shí)對(duì)精餾塔板進(jìn)行設(shè)計(jì)；2）確定霧沫夾帶、泄露這二者可能會(huì)對(duì)液相負(fù)荷迭代造成的影響。在流程模擬軟件的幫助下，對(duì)各板的霧沫夾帶及泄露展開(kāi)相應(yīng)的計(jì)算；對(duì)于常規(guī)精餾塔而言，無(wú)論是精餾段，又或者是提餾段，二者各自的氣液負(fù)荷均較為平穩(wěn)，因此，可將計(jì)算結(jié)果直接加入前面提到的流程模擬的結(jié)果，并予以多次計(jì)算，當(dāng)結(jié)果完全一致，又或者是收斂時(shí)，再進(jìn)入到壓力迭代計(jì)算；3）壓力對(duì)氣、液相分子量的影響微乎其微，對(duì)液相密度的影響也是如此，再加上液相負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，所以，以氣相負(fù)荷為目標(biāo)對(duì)象，對(duì)其展開(kāi)壓力迭代計(jì)算即可。實(shí)際操作方法是，對(duì)塔內(nèi)件壓漿關(guān)聯(lián)進(jìn)行相應(yīng)換算，進(jìn)而得到氣液質(zhì)量流率表征方程，根據(jù)模擬得到的質(zhì)量流率，對(duì)整個(gè)精餾塔展開(kāi)氣相密度迭代，便能夠獲得理想的預(yù)期效果；4）根據(jù)并行模擬操作得到的氣液負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)塔板設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)［4］。

三、Aspen Plus軟件及其應(yīng)用

1.軟件簡(jiǎn)介

Aspen Plus是一款基于化工生產(chǎn)工藝模擬而開(kāi)發(fā)的軟件，不僅擁有相對(duì)完善的物性數(shù)據(jù)庫(kù)、高效的熱力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，同時(shí)還擁有一系列相對(duì)獨(dú)立的單元操作模塊。在化工工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)及安裝環(huán)節(jié)，Aspen Plus以其強(qiáng)大功能具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，且能夠和其他相關(guān)軟件形成有機(jī)配合，從而將一系列模型功能清晰地顯示到工程桌面上去，從而為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.Aspen Plus的使用方法

Aspen Plus的使用方法：1）定義模擬流程；2）設(shè)置模擬參數(shù)；3）模擬分析；4）模擬結(jié)果的輸出。

現(xiàn)通過(guò)Aspen Plus軟件對(duì)某化工企業(yè)的精餾操作予以模擬與分析。該精餾塔一共包含13塊理論板，重點(diǎn)在于塔頂冷凝器、塔釜再沸器這兩大部分，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲苯和苯的有效分離。具體操作如下：1）泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料量控制為110kmol/h；2）進(jìn)料苯的摩爾分?jǐn)?shù)控制為40%；3）塔頂將會(huì)獲得96%的苯；4）塔釜液中的實(shí)際苯含量將會(huì)被控制在4%以下。

Aspen Plus軟件模擬過(guò)程中，回流比及進(jìn)料位置變化及其影響分析：1）隨著回流比的逐漸增大，塔釜及塔頂所獲得的產(chǎn)品純度也獲得了相應(yīng)提升，與此同時(shí)，無(wú)論是加熱蒸汽用量，還是冷卻水用量，均有所增加；2）進(jìn)料位置偏移最優(yōu)值時(shí)，將會(huì)給分離效果帶來(lái)不良影響，還會(huì)提高塔釜蒸汽的實(shí)際耗用量。

四、結(jié)語(yǔ)

若想保證設(shè)備設(shè)計(jì)這項(xiàng)工作的質(zhì)量，要具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，要熟悉相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，要充分了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能，除此之外，還應(yīng)重視并做好高新科技的引入和應(yīng)用，如流程模擬軟件。在流程模擬軟件的幫助下，以工藝、設(shè)備為目標(biāo)對(duì)象，對(duì)二者展開(kāi)并行模擬計(jì)算將會(huì)對(duì)實(shí)際的設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)生十分重要的指導(dǎo)意義，從而為后續(xù)的生產(chǎn)操作奠定良好的基礎(chǔ)。

［1］衛(wèi)林，陳巍巍.Aspen Plus在精餾塔工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.科技致富向?qū)В?013，15：250-251.

［2］郭倩，劉長(zhǎng)亮.氨精餾塔控制工程設(shè)計(jì)［J］.天津化工，2013，01：56-58.

［3］李克景.淺談精餾塔的工藝控制方案設(shè)計(jì)［J］.石油化工應(yīng)用，2013，03：119-124.