第3章　Aspen Plus单元操作计算案例分析

3.1　关于精馏塔

美国约有40000套精馏装置；精馏能耗占美国化工和炼油行业的40%～60%；精馏能耗占美国制造业能耗的19%；占美国整体能源消耗的6%。

精馏装置工艺设计的主要内容是通过计算不同回流比条件下的年总费用，确定最适宜的回流比。精馏装置的年总费用取决于设备费（精馏塔、冷凝器和再沸器）和操作费用（冷热公用工程），主要涉及塔径、塔板数、换热器面积和公用工程耗量几个因素。精馏塔设备设计计算原理示意见图3-1。

图3-1　精馏塔设备设计计算原理示意图

利用模型库中的DSTWU模块进行精馏过程的简捷计算。该模块所代表的模型即为Underwood-Fenske-Gilliland简捷算法，即利用Underwood方程估算精馏过程中的最小回流比，利用Fenske方程计算最小理论塔板数以及利用Gilliland关联式计算实际回流比下的理论塔板数。轻重关键组分是指在多组分进料中指定分离要求的两个组分，一般选择相对挥发度相邻的两组分。在设置具体数值时，轻重关键组分的回收率是指摩尔回收率而不是质量回收率。在DSTWU模块的设置中，轻重关键组分回收率均是轻重关键组分在塔顶馏出液中的摩尔流量占进料量的百分数，如图3-2所示。

图3-2　DSTWU模块的数据设置表单

影响精馏分离的因素较多且呈非线性关系。对于精馏过程，仅仅是利用简捷法设计模块DSTWU，可以获得回流比和理论板数之间的关系，然而简捷法对多数非理想体系偏差较大，甚至不适用。Aspen Plus应用最为广泛的模块RadFrac为精馏的严格计算模块。利用软件中的RadFrac和HeatX严格计算模块及其他自带工具，可以求得给定理论板数下的回流比、塔径、换热器面积及公用工程耗量。根据回流比与年总费用关系曲线确定最优的回流比，进而得到设备设计所需的全部工艺数据。

单进料精馏塔操作型计算一般有5个设计变量。其中，固定变量有3个，分别是饱和液体回流、精馏段塔板数和提馏段塔板数，可调变量有2个，分别为回流比（Reflus Ratio）和馏出液流量（Distllate Rate）。因为要使用RadFrac模块进行逐板计算，理论级数以及进料位置需在计算之前指定，再给定回流比和馏出液流量的值，就可执行计算了。因此，在RadFrac的设置中，以上5个参数需要给予设定。同时，根据自由度分析，在塔板数一定的情况下，产品纯度由回流比和馏出液流量的数值决定，因此产品纯度可通过改变回流比和馏出液流量加以调节。该功能在RadFrac模块即为设计规定（Design Specs-Vary）功能，如图3-3所示。

图3-3　RadFrac模块中的Design
Specs-Vary工具表单

Aspen Plus中的灵敏度分析工具用于设计中确定最适宜的进料位置。使用Aspen Plus中的精馏塔模块，对精馏塔的进料板位置和分离纯度关系进行作图，可以得到图3-4中的曲线。对于图3-4中的示例，随着进料板数的增加，产品的纯度先增大后减小；在进料板位置为18时，产品的纯度最高，因此最佳的进料板位置为18。

图3-4　进料板位置与产品纯度的关系曲线

在给定回流比的情况下，采用逐板计算或作图法可以确定所需要的理论板数和最佳进料位置。反之，若给定理论板数和最佳进料位置，则可以计算出达到指定分离要求所需的回流比。由于Aspen Plus中严格精馏计算模块RadFrac的计算过程是操作型的，因此模拟计算过程中设定全塔理论板数，并假定精馏段理论板数与全塔理论板数之比为常数（可利用软件中的Sen sitivity Analysis确定），就可以通过Design Spec功能获得达到指定分离要求所需的回流比。以塔顶第一块板为例，塔径的计算可以通过RadFrac中的Tray Sizing功能实现，如图3-5所示。

图3-5　Aspen Plus中的塔径计算（Tray Sizing）设置

RadFrac模块的计算结果包含了冷凝器和再沸器的热负荷，但是无法提供换热器面积和公用工程耗量，这两个参数的计算需要增加独立的换热计算模块HeatX。为了实现从精馏塔内抽出相应相态的物流进行换热计算，而又不影响塔内气液相的流量，可以利用虚拟物流（Pseudo Stream）获取待换热物流的详细信息，即从第2块塔板上抽出气相虚拟物流，进入冷凝器CONDENSE，从倒数第2块塔板上抽出液相虚拟物流进入再沸器REBOILER，从而完成换热器的计算，流程见图3-6。换热器设置中公用工程侧流体可直接采用Utilities工具预先定义的公用工程，如图3-7所示，无须自行添加进出口物流及输入相关信息。Utilities可以定义多个不同种类和条件的公用工程，如冷却水、蒸汽、导热油、烟道气、制冷剂、电等。定义好的公用工程可以在流程中的任意一个换热模块HeatX中使用。利用Utilities一方面可以简化流程，因此此换热器只有一种流体的进出物流；另一方面，还可以简化换热计算过程，无须迭代即可直接得出公用工程消耗量。对于塔顶全凝器的计算，在给定总传热系数的情况下，只需设定热流体的出口气相分率为0，就可计算出冷凝器面积及冷却水耗量。对于再沸器而言，在给定总传热系数的情况下，则需设定其热负荷等于RadFrac计算的再沸器热负荷，便可计算出再沸器的面积和加热蒸汽耗量，结果见图3-8。

图3-6　包含换热器计算的精馏流程图

图3-7　Aspen Plus中公用工程（Utilities）的设置

图3-8　换热器的计算结果

改变全塔的理论板数，可获得不同理论板数情况下的塔径、回流比、再沸器和冷凝器的面积，冷却水和加热蒸气耗量，进而根据给定的费用计算函数可计算出设备费、操作费和总费用。这一计算过程可由Aspen Plus中的Case Study功能完成。Case Study与Sensitivity Analysis的功能和用法基本相同。所不同的是，前者的控制变量可以是多个离散变量；后者的控制变量多为单个连续变量。需要注意的是，当改变了全塔理论板数之后，进料位置和再沸器计算的虚拟物流的抽出位置均需要做相应的改变，这里推荐两种方法：手动改变，即每个Case包含3个控制变量，分别为总理论板数、进料位置和再沸器虚拟物流抽出位置；自动改变，借助Aspen Plus自带的计算器工具（Calculator）实现。Calculator实际上是一条描述不同变量之间的函数关系的Fortran语句，通过适当设置其计算顺序，可实现多个变量之间的联动。设备费、操作费和总费用的计算可以依据相应的计算公式通过内置的Fortran语句编写功能完成。根据回流比优化计算的结果，确定最优回流比及相应的理论板数和进料位置。在此条件下再利用RadFrac模块重新进行计算，查看计算结果中Profile项可以得到各个板上的温度、压力、流量、组成及密度、黏度、表面张力等物性，作为塔内件及辅助设备设计的基础数据。