流程模拟软件Aspen Plus在精馏塔设计中的应用.docx

流程模拟软件 Aspen Plus 在精馏塔设计中的应用李峰;赵新堂;万宝锋【摘 要】 The simple design and rigorous accounting on the distillation column has been performed by Aspen Plus in this paper. Also, the analysis of the influence factors on the design of distillation column was completed. In addition, the economic accounting of distillation column was discussed preliminarily.%以 Aspen Plus 流程模拟软件对精馏塔进行了简捷设计和严格核算， 对精馏塔设计的影响因素进行了分析，并对精馏塔的经济核算进行了初步说明。【期刊名称】 浙江化工【年(卷),期】 2014(000)009【总页数】 5 页(P48-51,55)【关键词】 Aspen Plus;精馏塔;设计;经济核算【作 者】 李峰;赵新堂;万宝锋【作者单位】 中化近代环保化工 西安 有限公司，陕西 西安 710201;中化近代环保 化工 西安 有限公司，陕西 西安 710201;中化近代环保化工 西安 有限公司，陕西 西安 710201【正文语种】 中 文Aspen Plus 是集装置设计、稳态模拟和优化为一体的大型通用流程模拟软件，该 软件经过 20 多年不断地改进、扩充和提高，已先后推出十多个版本，最新版本为Aspen Plus V8，Aspen Plus 现已经成为举世公认的标准大型流程模拟软件， Aspen Plus 在装置从研发、工程化，再到工业生产的整个生命周期中，提供了经 过验证的巨大的经济效益，它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的 模型功能和方便使用的组合。利用 Aspen Plus 可以设计、模拟、故障诊断并有效 的管理生产装置。本文利用 Aspen Plus 软件进行了氟代烃生产中精馏塔的设计与 优化。1 用于塔设计的单元操作模块本文中，首先使用 DSTWU 进行简捷精馏设计，然后利用 DSTWU 得到的结果再 使用 RadFrac 对精馏塔进行严格核算， DSTWU 模块连接见图 1 ，单元操作模块 见表 1。2 精馏塔的简捷设计2.1 精馏塔的简捷计算表 1 Aspen Plus 塔单元操作模块图 1 DSTWU 模块连接表 2 精馏塔进料组成精馏塔的进料组成见表 2 ，分离要求为塔顶产品中 R134a 的摩尔含量99.9%。精 馏塔操作压力 1.0 MPa ，泡点进料，物性方法选用 PR ，设置轻关键组分 R134a 回收率为 99.5% ，重关键组分 R134 回收率为 38% ，塔顶冷凝器为全凝器，回流 比为最小回流比的 2 倍，经过计算塔顶产品中 R134a 的含量可以达到 99.9% ，精 馏塔计算结果如下：表 3 DSTWU 简捷计算结果2.2 精馏塔回流比和塔板数的优化使用 Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能对本精馏塔回流比和理论板数进行优化， 设置采集变量为塔板数(act-stages)，操作变量为 RR ，操作变量范围为 1.1 10.0 ，得到图 2。从图 2 可以看到，当回流比低于最小回流比的 2 倍时，精馏塔的塔板数呈加速上 升趋势，所以本例选择回流比为最小回流比的 2 倍，对应塔板数为58 块。以上为使用 DWTWU 模块对精馏塔进行的简捷计算，简捷计算具有需要参数少， 计算速度快等特点，但是它的计算精度不高，只能用于初步设计，计算结果仅能作 为严格核算的基础，为严格核算提供初值，所以简捷计算完成后，要根据简捷计算 的结果再进行严格核算，确定各参数。图 2 DSTWU 模块塔板数与回流比关系图3 精馏塔的严格核算使用 RadFrac 模块进行精馏塔的严格核算，精馏塔操作压力 1.0 MPa ，泡点进料, 物性方法使用 PR ，塔板数为 58 块，进料板第 10 块，冷凝器为全凝器，回流比为 最小回流比的 2 倍，蒸流液占进料物料的分率为 0.97816 ，填料选择 SULZER CY 型填料，精馏塔计算结果塔顶产品纯度为 99.84% ，无法满足设计要求(设计 要求产品纯度大于 99.9% )，下面对精馏塔进行优化。3.1 回流比优化使用 Aspen Plus 中的“Design Specs”功能，设置采集变量为塔顶产品摩尔纯 度，目标值为 0.999 ，设置操作变量为“Reflux Ratio”，操作变量上限设置为 10， 下限设置为 1.1。设置完成后运行该模拟，得到当“Reflux Ratio”达到 6.32 时， 该塔塔顶产品纯度为 99.9%。使用 Aspen Plus 中的“Sensitivity”功能对本精馏塔塔顶产品纯度和回流比进行 优化，设置采集变量为塔顶产品中 R134a 的 mole 分率，操作变量为 Mole-RR， 操作变量范围为 1.1 10.0 ，得到图 3。从图 3 可以看到，在塔板数、进料组成、压力一定的情况下，随着精馏塔回流比 的增大，塔顶产品摩尔分率也逐步提高，当回流比达到 6.3 左右时，塔顶产品摩尔分率达到 0.999。3.2 塔板数的优化图 3 RadFrac 模块精馏塔回流比与塔顶产品摩尔分率关系图使用 RadFrac 模块进行精馏塔的严格核算，操作压力 1.0 MPa ，泡点进料,物性方 法使用 PR ，冷凝器为全凝器，蒸流液占进料物料的分率为 0.97816 ，选择 SULZERCY 型填料。通过改变精馏塔的塔板数来观察对塔顶产品纯度、冷凝器 负荷和再沸器负荷的影响，并使用 Aspen Plus 中的设计规定“Design Specs” 功能，设置采集变量为塔顶产品摩尔纯度，目标值为 0.999 ，设置操作变量为 “Reflux Ratio”，得到在规定塔板数下达到规定分离要求的回流比。从表 4 可以看到，由于塔板数与塔径、塔高、冷凝器负荷、再沸器负荷都有密切 关系，而这些因素又直接或间接影响着塔的设备费用和操作费用，所以要确定塔板 数必须对塔进行经济核算，使设备费用和操作费用之和及塔的总体费用保持在较低 水平，才能设计出一个比较适用的精馏塔，用于工业生产后创造良好的经济效益。 表 4 精馏塔塔板数与塔径、回流比、塔负荷关系表3.3 操作压力的优化使用 RadFrac 模块进行精馏塔的严格核算，塔板数设置为90 块，泡点进料，物 性方法使用 PR ，冷凝器为全凝器，蒸流液占进料物料的分率为 0.97816 ，选择 SULZERCY 型填料。通过改变精馏塔的操作压力和进料压力来观察对精馏塔回 馏比、塔径、冷凝器负荷和再沸器负荷的影响，并使用 Aspen Plus 中的设计规定 “Design Specs”功能，设置采集变量为塔顶产品摩尔纯度，目标值为 0.999 ， 设置操作变量为“Reflux Ratio”，得到在规定塔板下达到规定分离要求的回流比。 表 5 操作压力对精馏塔各参数的影响从表 5 可以看到，精馏塔操作压力对塔的回流比，塔径、塔负荷、塔顶温度、塔 釜温度均有影响，但主要影响的是塔顶、塔釜的温度，而塔顶、塔釜的温度又与所采用的加热或冷却介质有关，且与塔顶冷凝器、塔釜再沸器的面积有关，间接与塔 的设备费用相关。综合表 5 的结果，本例的操作压力应该选择在 0.8 1.0 MPa ， 冷却介质选择5 冷媒，加热介质选择 0.3 MPa 蒸汽，塔顶压力选择在 0.8 1.0 MPa。3.4 进料位置的优化精馏塔塔板数设置为 90 块，泡点进料，物性方法使用 PR ，冷凝器为全凝器，回 流比 4.36 ，蒸流液占进料物料的分率为 0.97816 ，选择 SULZERCY 型填料。使用 Aspen Plus 中的灵敏度分析功能“Sensitivity”功能，设置采集变量为塔顶产品 摩尔纯度，设置操作变量为“FEED-STAGE”，得到如图 4 所示的塔顶产品摩尔 纯度与进料板关系图。图 4 精馏塔进料位置与塔顶产品摩尔分率关系图从图 4 可以看到，随进料位置的下移，塔顶产品摩尔分率逐步提高，当进料板位 置下移到第 24 块时，塔顶产品纯度达到 0.999。3.5 塔高的计算填料塔的高度与填料高度密切相关，而填料高度又是由所选择填料的 HETP 值决 定的，以本计算为例，选择填料为金属丝网波纹填料 700 型(CY)，该种填料的 HETP 值为 0.1 m。填料层高度 Z=NTHETP其中， Z填料层高度， NT塔板数， HETP填料的理论板当量高度或等板高度。 以本文为例，如果选择塔板数为 90 块，则填料层高度 Z=900.1=9.0 m。塔高通常为填料层高度的 130% ，即塔高为 9.0130%11.7 m。4 精馏塔的经济核算精馏塔的经济核算主要是通过对精馏塔的设备费用和操作费用进行分析，确定出精 馏塔的最优设计方案。精馏塔的设备费用主要是指设备加工费用、安装费用等；操作费用主要包括再沸器的加热费用、冷凝器的冷却费用和精馏设备的折旧费，操作 时回流比的变化，直接影响加热费用和冷却费用，进而影响总费用。由表 6 可以看到，精馏塔的塔板数与设备费用、操作费用及总费用的关系，随塔 板数的增加，设备费用增加，操作费用逐步下降，但塔板数增加到一定数量后，设 备费用继续增加并不能带来操作费用的下降，此时就无需再增加设备费用。根据表 5 的数据，发现当塔板数达到 90 块后，操作费用的变化已经不明显。表 6 精馏塔费用计算表备注：蒸汽压力 0.31 MPa ，费用： 40 元 10 万 kcal； - 5 冷媒，费用： 200 元 10 万 kcal (20%体积浓度乙二醇水溶液) ，温差 3 ； 操作时间： 7200 ha ，设备折旧年限： 10 年，操作压力 1.0 mPa。由表 4、表 5、表 6 的数据可得到，该精馏塔选择塔板数为 90 块，回流比 4.36， 塔径 380 mm、操作压力 1.0 MPa 可以满足设计要求，得到塔顶产品纯度为 99.9%。5 结论通过 Aspen Plus 流程模拟软件的使用，能够大大提高工作效率，快速完成对精馏 塔的设计和核算，并能够通过对精馏塔各个参数的调节来判断对精馏效果的影响， 并通过经济核算从而选择出最优的精馏塔设计条件及操作条件，这样可以提高我们 设计精馏塔的水平，使其用于工业生产后减少能源消耗，创造更大的经济效益。【相关文献】1曹俊雅,王光耀,朱凯,等.Aspen Plus 在化工设计中的应用实践与探索J.新课程研究， 2012(267) ： 93-94.2李盛姬，田端正,吴江平,等.Aspen Plus 模拟在氟化工中的应用研究J.有机氟工业， 2011 ，2： 36-40.3Luyben,W L. Distillation design and control using AspenTM simulationM.America:AJohn Wiley &Sons,Lnc.,2006. 4兰州石油机械研究所.现代塔器技术(第二版) M.北京：中国石化出版社， 2005：785-787. 5路秀林，王者相等.化工设备设计全书塔设备M.北京：化学工业出版社， 2004： 170-173. 6孙兰义.化工流程模拟实训 Aspen Plus 教程M.北京：化学工业出版社， 2012 ：88-110. 7张治山,高军,李敏,等.Aspen Plus 在精馏操作分析中的应用J.中国教育技术装备， 2011， 15： 95-968Aspen Plus User Models ( Version11.1 ) .Aspen Technology,Inc.9Aspen Plus User Guide ( Version11.1 ) .Aspen Technology,Inc.10屈一新.化工过程数值模拟及软件M.北京：化学工业出版社， 2006.11熊杰明,杨索和.Aspen Plus 实例教程M.北京：化学工业出版社， 2013.12Aspen Plus Version7.3， Help.