ASPEN软件进行精馏塔设计

1.1ASPEN PLUS概述

Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“进程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年末完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件通过20连年来不断地改良、扩充和提高，已前后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。全世界各大化工、石化、炼油等进程工业制造企业及闻名的工程公司都是Aspen Plus的用户。

1.2精馏塔概述

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种要紧类型。依照操作方式又可分为持续精馏塔与间歇精馏塔。 

蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分那么愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部份作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部份那么作为馏出液掏出。塔底流出的液体，其中的一部份送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部份液体作为釜残液掏出。 

1.2.1精馏塔的分类

   气－液传质设备要紧分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采纳板式塔，也可采纳填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。

    板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，依照塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。

板式塔在工业上最先利用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，专门是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速进展，接踵显现了大量新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际利用情形看，要紧的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前二者利用尤其普遍，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。

（a）筛板塔

筛板塔也是传质进程经常使用的塔设备，它的要紧优势有：

    (１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。

    (２) 处置能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。

    (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

    (４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

    筛板塔的缺点是：

    (１) 塔板安装的水平度要求较高，不然气液接触不匀。

    (２) 操作弹性较小(约2～3)。

    (３) 小孔筛板容易堵塞。

（b）浮阀塔

    浮阀塔是在泡罩塔的基础上进展起来的，它要紧的改良是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可依照气体流量上下浮动，自行调剂，使气缝速度稳固在某一数值。这一改良使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力和设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处置粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔靠得住。浮阀塔普遍用于精馏、吸收和脱吸等传质进程中。塔径从200mm到00mm，利用成效均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

    浮阀塔之因此如此普遍地被采纳，是因为它具有以下特点：

    (１) 处置能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。

    (２) 操作弹性大，一样约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。

    (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

    (４) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一样为400～660N/m2。

    (５) 液面梯度小。 

    (６) 利用周期长。粘度稍大和有一样聚合现象的系统也能正常操作。

(７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。

1.2.2精馏操作对塔设备的要求

精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，第一必需要能使气(汽)、液两相取得充分的接触，以达到较高的传质效率。可是，为了知足工业生产和需要，塔设备还得具有以下各类大体要求：

    (１) 气(汽)、液处置量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。

    (２) 操作稳固，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变更时，仍能在较高的传质效率下进行稳固的操作并应保证长期持续操作所必需具有的靠得住性。

    (３) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。关于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。

    (４) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

    (５) 耐侵蚀和不易堵塞，方便操作、调剂和检修。

    (６) 塔内的滞留量要小。

事实上，任何塔设备都难以知足上述所有要求，何况上述要求中有些也是相互矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优势，设计时应依照物系性质和具体要求，抓住要紧矛盾，进行选型。

1.3国内外进展现状

Aspen Plus进程模拟系统是目前是国外最先进的系统之一，可用于分析和优化现场生产和设计，也能够诊断现场故障以至发生故障的隐患。国外的石油行业采纳此系统作为标准系统，用于核算和设计（如埃克森、杜邦公司等）。从1979年初开发成功Aspen并投入利用开始，通事后续的开发和完善工作正式推出Aspen Plus。Aspen Plus被普遍的用于化学和石油行业、发电、金属加工、食物、医药、生物工程、炼油工业等领域，在进程开发、进程设计、老厂房改造中也发挥着重要作用。

Aspen Plus在科研生产中一样有着许多应用，由于Aspen Plus软件的优越性在化工设计、模拟计算、生产优化等诸多领域有着普遍应用。以甲醇和水分离为例进行模拟，甲醇水分离塔为低温甲醇洗装置降低系统水含量及降低外排废水中的甲醇含量所设计[9-12]。中石化早在2001年就引进和利用该软件，并在整个石化系统推行利用。我国的用户目前有几十个，多以大型化工单位及国家级科研单位为主，如中石化、大庆集团、燕山石化公司、国家电网公司西安热工研究所等。同时，我国许多高校和研究机构愈来愈注重Aspen Plus软件的应用，就此软件做了一些改良，取得了一些功效[13]。

基于Aspen Plus 工业系统流程软件，华东理工大学干净煤技术研究所在气流床气化的洗涤冷却室性能模拟及烟分析中，成立了气流床气化系统中的洗涤冷却室模型，模拟预测了入口合成气的温度、压力和洗涤冷却黑水的温度、水量等操作参数对洗涤冷却室出口合成气水汽比的阻碍，并对洗涤冷却进程进行了热力学分析。模拟结果说明:入口合成气或洗涤黑水的温度升高使洗涤冷却室的温度升高，出口合成气的水汽比增大;出口合成气的水汽比随入口合成气的压力升高而减小;洗涤冷却室入口黑水流量增大，出口合成气的水汽比有所降低。对洗涤冷却室的调分析的结果说明:随着洗涤冷却室室内压力增大和入口合成气温度的升高，洗涤冷却进程的调损失增大[14]。

2方案的选择

设计条件及要求：

1．处置量：50000t/年；

2．料液组成（质量分数）：40%；

3．塔顶产品组成（质量分数）：%； 

4．塔顶易挥发组成回收率：%；

5．年工作生产时刻：330天；

6．全塔总效率：60%。

进料压力：125 kPa；

操作压力：110 kPa；

单板压降：≤ kPa回流比~2

设计内容：

1．设计方案的确信：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热

式：塔底间接加热，塔顶全凝；（4）热能的利用；

2．工艺计算：（1）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确信；（4）理论塔板数的确信；

3．塔板及其塔的要紧尺寸的设计：（1）塔板间距的确信；（2）塔径的确信

（3）塔板的布置及其板上流流程的确信； 

4．流体力学的计算及其有关水力性质的校核；

5．板式精馏塔辅助设备的选型；

6．绘制带操纵的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。

2.1课题要紧研究内容

利用Aspen Plus 软件当中的相关单元模块对精馏塔进行工艺设计，依照工艺计算结果进行结构设计，和后续的校验。

大体原理：Aspen Plus软件当中DSTWU模块能够用Winn-Underwood-Gilliland便利算法进行精馏塔的设计，依照给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论塔板数、给定回流比下的理论塔板数和加料板位置。同时Radfrac模块联解物料平稳、能量平稳和相平稳关系，利用逐板计算方式求解给定塔设备的操作结果及校核。

设计要求：

熟悉Aspen Plus流程模拟软件和精馏塔设计标准;

利用Aspen Plus 对精馏塔进行工艺设计；

利用Aspen Plus对精馏塔进行结构设计和校验；

绘制精馏塔装配图与相关零件图。

2.2课题的研究方案

这次设计采纳DSTWU模块简捷法精馏设计和Radfrac严格法精馏设计对精馏进行工艺设计，然后进行结构设计和校验。

3 ASPEN PLUS工艺流程模拟

3.1 Aspen Plus模拟精馏简介 

（1）塔模型分类 

做塔新流程模拟分析必需先进行简捷塔计算--- 塔的初步设计. 计算结果为理论板数、进料位置、最小回流比、塔顶/釜热负荷. 然后进行塔精准模拟分析，简捷塔计算结果做为精准计算的输入依据。

Aspen Plus塔模型分类如下表

表 Aspen Plus塔模型分类

精馏塔的模拟类型能够分为设计式和操作式模拟计算. 能够通过概念模型的回流比进行设计型计算，又能够概念塔板数进行操作型计。

（3）设计方案的确信

本设计任务为分离水—甲醇混合物。关于二元混合物的分离，应采纳持续精馏流程。该物系属易分离物系，最小回流比比较小，故操作比去最小回流比的2倍。咱们先用DSTWU模型对精馏塔进行设计型的简捷计算，然后，依DSTWU模型计算的结果，用RadFrac模型对塔的一些具体尺寸进行计算。

3.2ASPEN PLUS精馏塔的简捷计算

设计任务： 

确信理论塔板数 

确信适合的回流比

DSTWU精馏模型简介： 

DSTWU 可对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷精馏计算. DSTWU 假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度。 

DSTWU规定与估算内容见表

表规定与估算内容

3.2.1概念模拟流程

（a）创建精馏塔模块 

在模型库当选择塔设备column标签。点击该DSTWU模型的下拉箭头，弹出三个等效的模块，任选其一绘在空白流程图。

 (b)绘制物流 

单击流股单元下拉箭头，选择流股类型，在那个地址咱们选择 material 类型. 选择后在箭头提示下咱们能够依照需要来绘制流股，其中红色箭头表示必需概念的流股，蓝色箭头表示可选概念的流股，不同的模型依照设计任务绘制.一股进料、塔顶和塔底两股出料取得图3-1所示. 

图3-1 DSTWU流程图

(c)模块和物流命名 

选择中流股/模块（单击流股/模块），点击鼠标右键，在弹出的菜单当选择 rename stream 或 rename block，在对话框中输入改后的名称，即可改变名称. 

在那个地址咱们将入料改成FEED；塔顶出料改成OVERHEAD；塔底出料改成BOTTOMS； 

至此，本节创建模拟流程任务完成，咱们将在N-> 快捷键引导下进入下一步操作。

(d)模拟设置

单击N->快捷键，进入初始化设置页面，如图3-2用户能够对aspen plus做全局设置、概念数据输入单位等[15]。

概念数据的输入输出单位

Aspen plus提供了英制、千克米秒制、国际单位制。输入数据能够在输入时改变单位，输出报告那么接在此选择的单位制输出。

图3-2 全局设置

(e)概念组分

在Formula中依次填入分子CH4O和H2O，在Component ID中依次填入相应组分ID如3-3 

图3-3 组分ID设置

(f)确信物性计算方式

单击N->快捷键进入特性方式选择页面

依照不同的物系选择不同的物性计算方式. 关于理想物系能够选择Ideal方式；非理想物系可选择典型的Wiston或Uniquac等方式；电解质溶液也有其相应的计算方式. 

物性计算方式在 Base Method 栏的下拉框当选择. 在那个地址咱们选择了NRTL-PK 方式，其他设置由系统默许确信。

单击N-> 快捷键，进入图3-4所示界面.即完成组分的概念。

图3-4确信物性计算方式

(g)概念流股条件

单击N-> 快捷键，进入流股参数输入页. 同时在 data browser 窗口左侧的目录树streams 文件夹中，可看到咱们在流程图中概念的三股物料（D、FEED、L），其中FEED流股为已知流股，D、L流股为待定流股. 故咱们仅概念FEED流股的状态参数，这时咱们能够看到左侧 FEED 文件夹处于激活状态. 

概念进料热状态（state variables） 

关于不同的进料热状态选择不同的参数. 本例进料热状态为饱和液体参数如下；

操作压力：

设每层塔压降：  △P=（一样情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在~）

进料板压力：    PF=+5×=(KPa)

精馏段平均压力：Pm=+/2=(KPa)

塔釜板压力：    PW=+14×=(KPa)

提馏段平均压力：Pm’=+/2=(KPa)

操作温度的计算

查手册可得表

表 操作温度

=    tB=(℃)

由泡点方程试差可适当   tD=67.0℃时  ∑Kixi≈1

    同理可求出         tF=℃时  ∑Kixi≈1

        tW=℃时 ∑Kixi≈1

    因此        塔顶温度         tD=℃

              进料板温度       tF=85.2℃

      塔釜温度         tW=103.2℃

精馏段平均温度  tm=+/2=(℃)

    提馏段平均温度  t’m=+=(℃)

Vapor fraction（汽相分率）：0； 

Pressure（压力）：输入. 

·概念进料流量（Total Flow） 

依照不同需要能够概念摩尔体积质量或标准体积流量.本例输入hr. 

·概念每一个组分流量或分率（Composition）

Mass-frac（质量分率）：WATER: ; CH3OH:. 

输入数据后的窗口如图3-5所示 

图3-5 数据输入

（h）概念单元模型

单击N-> 快捷键, 进入模块概念页. 在此流程中只有column /Dstwu一个模型. 在窗口左侧的目录树结构当选择的Blocks文件夹，可看到咱们在流程图中概念的 B1 模块. 

由于咱们进行的是设计型计算，要求计算理论塔板数等，因此，那个地址需要概念回流比. 

·概念回流（Column specifications） 

输入回流比的实际值； 

因为甲醇与水属于理想物系，可采纳图解法求解（见相平稳图）

最小回流比及其操作回流比的求解：yδ=，xδ=

Rmin=(xD-yδ)/(yδ-xδ)

=取操作回流比为：R==×=

概念回流比与最小回流比的比值. 输入负号后再入数值. 在那个地址咱们取最小回流比的倍，故输入. 

概念轻重关键组分的回收率（Key component recoveries）Dstwu要求概念组分的份的回收率.

由原料的处置量：F=50000/(330×24×=h

依照回收率：  η= xd×D/(xf×F)=%

那么有：        D=h 

由总物料衡算：F= D+W

计算取得W=h

( k% B8 h: b! ~; E重组分在塔顶的回收率为：Recov h=（1-Xd）*D/（（1-Xf）*F）

因此：

轻关键组分的回收率为 

重关键组分的回收率为

概念再沸器和冷凝器的压力（Pressure） 

概念冷凝器类型（Condenser specifications） 

选择全冷器（Total Condenser）

输入完成后界面如图3-6

图3-6 数据输入

(i)模拟计算与结果查看 

点击工具栏中的蓝色 N-> 图标，即可进行计算，同时进入“Control Panel”页显示运行信息， 该图标的作用是执行下一步操作，假设数据未输入完毕自动转到待输入数据的窗口；假设数据输入完毕，那么进行计算. 上面操作也可点击 Run 菜单中的 run 命令来直接 进行计算. 运行完成后点击该页上的图标，进入运行结果显示页。

通过选择目录树中的不同文件夹，能够查看Streams、Blocks计算结果. 

在Blocks / Column页，可看到塔的设计参数. 包括最小回流比、实际回流比、最小理论板数、实际理论板、数冷凝器和再沸器的热负荷等. 如图3-7所示.

图3-7 计算结果

由计算结果可知，最小回流比为，塔板数为14，进料板级数为8级。

3.3ASPEN PLUS精馏塔的精准计算

设计任务：全塔尺寸

3.3.1 概念流程

在Column模型库RadFrace当选择FRACE1.

流股连接及模块、个股流命名如图3-8

图3-8RadFrace流程图

3.3.2 初始化（同前）

3.3.3 概念组分（同前）

3.3.4 概念物性计算方式（同前）

3.3.5 概念股流（同前）

 (a)精馏塔大体参数概念

点击 N->进入或在目录树种选择Block/T102/stup，进入stup-Data browser.在Configration页输入如图3-14.在那个地址输入16塔盘14+塔顶冷凝器1+再沸器1）。

点击 N->进入steam页，输入进、出料位置位置。进料级数为9（进料塔盘8+冷凝器1）；蒸出物D为全凝器出料1级、液相，塔底为再沸器出料16级、液相。

点击 N->进入Pressure页，输入操作压力。如图3-16第一塔板为，每级压降为。

(b)设计规定

流程模拟要知足必然的自由度系数。设计中对某些参数作出规定，就要有相应的参数能够转变。那个地址咱们规定塔顶蒸出甲醇和塔底的纯度两个参数，改变蒸出率和回流比两个变量。

选择目录树中Blocks/RADFRAC/Design Sepcs，进入Sepcs-Data browser窗口。概念一个设计规定

单击ok，进入参数选择页，选择质量浓度（mass purity）作为第一设计规定。输入值为。如图3-9

图3-9 质量浓度输入

点击 N->进入组分清单页。可用组分（Available components）当选择甲醇；大体组（Base components）份选择甲醇和水，即：蒸出甲醇质量/（蒸出甲醇质量+蒸出水质量）。

点击 N->进入物流清单页。选择OVERHEAD，与甲醇纯度为相对应。

概念第二个变量（回流比~）。

完成后点击N->，运行程序。

(c)概念塔板效率

选择目录树中blocks/radfrac/Efficiencies，进入塔板效率概念窗口。选择默复里效率（Murphree efficiencies）。

在选择页面中的Vapor-Liquid选项卡，输入板效率如图3-10，图中输入意义为：2~15级板效率为；

图3-10 效率输入

(d)塔盘尺寸概念

选择目录树中blocks/radfrac/Tray Sizing，进入塔盘尺寸概念窗口。点击new.

点击ok进入塔盘参数输入页，本次选择筛板塔。

点击N->运行程序

(e) 运行结果查看

将Data Browser切换到结果显示页，查看运行结果下面是Blocks/Radfrac的模拟结果如图3-11：

图3-11计算结果

塔盘计算结果如图3-12：

图3-12塔盘计算结果

由模拟结果可知：对应最大塔内径的塔板序号为2；塔盘直径为D=圆整值为；降液管截面积/塔截面积；侧降液管流速sec；侧堰长.