ASPEN软件进行精馏塔设计.docx

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ASPEN软件进行精馏塔设计

1引言

1.1ASPENPLUS概述

AspenPlus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“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。

1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。

该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先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。

全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus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主要类型。

根据操作方式又可分为连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，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。

由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

1.2.1精馏塔的分类

气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。

精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，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，根据塔板上气－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。

板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832年），其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，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。

目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。

（a）筛板塔

筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：

（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）处理能力大，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，否则气液接触不匀。

（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发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。

这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。

但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。

浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。

塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。

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。

浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：

（１）处理能力大，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，一般约为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般为400～660N/m2。

（５）液面梯度小。

（６）使用周期长。

粘度稍大以及有一般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，首先必须要能使气（汽）、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。

但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

（１）气（汽）、液处理量大，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）操作稳定，弹性大，即当塔设备的气（汽）、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。

（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。

对于减压精馏操作，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）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

（６）塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。

不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

1.3国内外发展现状

AspenPlus过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，也可以诊断现场故障以至发生故障的隐患。

国外的石油行业采用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并投入使用开始，经过后续的开发和完善工作正式推出AspenPlus。

AspenPlus被广泛的用于化学和石油行业、发电、金属加工、食品、医药、生物工程、炼油工业等领域，在过程开发、过程设计、老厂房改造中也发挥着重要作用。

AspenPlus在科研生产中同样有着许多应用，由于AspenPlus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广泛应用。

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年就引进和使用该软件，并在整个石化系统推广使用。

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越来越注重AspenPlus软件的应用，就此软件做了一些改进，取得了一些成果[13]。

基于AspenPlus工业系统流程软件，华东理工大学洁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，，建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影响，并对洗涤冷却过程进行了热力学分析。

模拟结果表明:

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进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表明:

随着洗涤冷却室室内压力增大和入口合成气温度的升高，洗涤冷却过程的调损失增大[14]。

2方案的选择

设计条件及要求：

1．处理量：

50000t/年；

2．料液组成（质量分数）：

40%；

3．塔顶产品组成（质量分数）：

93.0%；

4．塔顶易挥发组成回收率：

99.5%；

5．年工作生产时间：

330天；

6．全塔总效率：

60%。

进料压力：

125kPa；

操作压力：

110kPa；

单板压降：

≤0.7kPa回流比0.8~2

设计内容：

1．设计方案的确定：

（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）回流比的确定；（4）理论塔板数的确定；

3．塔板及其塔的主要尺寸的设计：

（1）塔板间距的确定；

（2）塔径的确定

（3）塔板的布置及其板上流流程的确定；

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．绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。

2.1课题主要研究内容

利用AspenPlus软件当中的相关单元模块对精馏塔进行工艺设计，根据工艺计算结果进行结构设计，以及后续的校验。

基本原理：

AspenPlus软件当中DSTWU模块可以用Winn-Underwood-Gilliland便捷算法进行精馏塔的设计，根据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模块联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，利用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果及校核。

设计要求：

熟悉AspenPlus流程模拟软件和精馏塔设计规范;

利用AspenPlus对精馏塔进行工艺设计；

利用AspenPlus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

此次设计采用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。

3ASPENPLUS工艺流程模拟

3.1AspenPlus模拟精馏简介

（1）塔模型分类

做塔新流程模拟分析必须先进行简捷塔计算---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.然后进行塔精确模拟分析，简捷塔计算结果做为精确计算的输入依据。

AspenPlus塔模型分类如下表3.1

表3.1AspenPlus塔模型分类

.模型

简捷蒸馏

DSTWU、Distl、SCFrac

严格蒸馏

RadFrac、MultiFrac、PetroFrac、RateFrac

（2）精馏塔的模拟类型

精馏塔的模拟类型可以分为设计式和操作式模拟计算.可以通过定义模型的回流比进行设计型计算，又可以定义塔板数进行操作型计。

（3）设计方案的确定

本设计任务为分离水—甲醇混合物。

对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。

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。

我们先用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。

3.2ASPENPLUS精馏塔的简捷计算

设计任务：

确定理论塔板数

确定合适的回流比

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3.2

表3.2DSTWU规定与估算内容

·规定

目的

其它结果

轻重关键组分的回收率

最小回流比和最小理论级数

进料位置、冷凝器、再沸器

理论级数

必需回流比

回流比

必需理论级数

浏览汇总结果、物料和能量平衡结果、回流比对级数曲线。

3.2.1定义模拟流程

（a）创建精馏塔模块

在模型库中选择塔设备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，在这里我们选择material类型.选择后在箭头提示下我们可以根据需要来绘制流股，其中红色箭头表示必须定义的流股，蓝色箭头表示可选定义的流股，不同的模型根据设计任务绘制.一股进料、塔顶和塔底两股出料得到图3-1所示.

图3-1DSTWU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，在弹出的菜单中选择renamestream或renameblock，在对话框中输入改后的名称，即可改变名称.

在这里我们将入料改为FEED；塔顶出料改为OVERHEAD；塔底出料改为BOTTOMS；

至此，本节创建模拟流程任务完成，我们将在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用户可以对aspenplus做全局设置、定义数据输入单位等[15]。

定义数据的输入输出单位

Aspenplus提供了英制、公斤米秒制、国际单位制。

输入数据可以在输入时改变单位，输出报告则接在此选择的单位制输出。

图3-2全局设置

（e）定义组分

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

图3-3组分ID设置

（f）确定物性计算方法

单击N->快捷键进入特性方法选择页面

根据不同的物系选择不同的物性计算方法.对于理想物系可以选择Ideal方法；非理想物系可选择典型的Wiston或Uniquac等方法；电解质溶液也有其相应的计算方法.

物性计算方法在BaseMethod栏的下拉框中选择.在这里我们选择了NRTL-PK方法，其他设置由系统默认确定。

单击N->快捷键，进入图3-4所示界面.即完成组分的定义。

图3-4确定物性计算方法

（g）定义流股条件

单击N->快捷键，进入流股参数输入页.同时在databrowser窗口左侧的目录树streams文件夹中，可看到我们在流程图中定义的三股物料（D、FEED、L），其中FEED流股为已知流股，D、L流股为待定流股.故我们仅定义FEED流股的状态参数，这时我们可以看到左侧FEED文件夹处于激活状态.

定义进料热状态（statevariables）

对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=0.9KPa（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.4~1.1kPa）

进料板压力：

PF=101.3+5×0.9=105.8（KPa）

精馏段平均压力：

Pm=（101.3+105.8）/2=103.5（KPa）

塔釜板压力：

PW=101.3+14×0.9=113.9（KPa）

提馏段平均压力：

Pm’=（105.8+113.9）/2=109.85（KPa）

操作温度的计算

查手册可得表3.2

表3.2操作温度

安托尼系数

A

B

C

Min～Max

H2O

7.07406

1657.46

227.02

10～168

CH3OH

7.19736

1574.99

238.23

-16～91

H2O的安托尼方程：

lgPAO=7.07406-1657.46/（tA+227.02）

CH3OH的安托尼方程：

lgPBO=7.19736-1574.99/（tB+238.86）

甲醇的tB

lg101.3=7.19736-1574.99/（tB+238.86）

tB=64.5（℃）

由泡点方程试差可得当tD=67.0℃时∑Kixi≈1

同理可求出tF=85.2℃时∑Kixi≈1

tW=103.2℃时∑Kixi≈1

所以塔顶温度tD=67.0℃

进料板温度tF=85.2℃

塔釜温度tW=103.2℃

精馏段平均温度tm=（67.0+85.2）/2=76.1（℃）

提馏段平均温度t’m=（103.2+85.2）=94.2（℃）

Vaporfraction（汽相分率）：

0；

Pressure（压力）：

输入105.8kPa.

·定义进料流量（TotalFlow）

根据不同需要可以定义摩尔体积质量或标准体积流量.本例输入289.06kmol/hr.

·定义每个组分流量或分率（Composition）

Mass-frac（质量分率）：

WATER:

0.6;CH3OH:

0.4.

输入数据后的窗口如图3-5所示

图3-5数据输入

（h）定义单元模型

单击N->快捷键,进入模块定义页.在此流程中只有column/Dstwu一个模型.在窗口左侧的目录树结构中选择的Blocks文件夹，可看到我们在流程图中定义的B1模块.

由于我们进行的是设计型计算，要求计算理论塔板数等，因此，这里需要定义回流比.

·定义回流（Columnspecifications）

输入回流比的实际值；

因为甲醇与水属于理想物系，可采用图解法求解（见相平衡图）

最小回流比及其操作回流比的求解：

yδ=0.647，xδ=0.273

Rmin=（xD-yδ）/（yδ-xδ）

=（0.882-0.647）/（0.647-0.273）

=0.628

取操作回流比为：

R=1.8Rmin=1.8×0.628=1.130

定义回流比与最小回流比的比值.输入负号后再入数值.在这里我们取最小回流比的1.8倍，故输入1.13.

定义轻重关键组分的回收率（Keycomponentrecoveries）Dstwu要求定义组分的份的回收率.

由原料的处理量：

F=50000/（330×24×21.84）=289.06kmol/h

根据回收率：

η=xd×D/（xf×F）=99.5%

则有：

D=89.02kmol/h

由总物料衡算：

F=D+W

计算得到W=200.04kmol/h

（k%B8h:

b!

~;E重组分在塔顶的回收率为：

Recovh=（1-Xd）*D/（（1-Xf）*F）

所以：

轻关键组分的回收率为0.995

重关键组分的回收率为0.015

定义再沸器和冷凝器的压力（Pressure）

定义冷凝器类型（Condenserspecifications）

选择全冷器（TotalCondenser）

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“ControlPanel”页显示运行信息，该图标的作用是执行下一步操作，若数据未输入完毕自动转到待输入数据的窗口；若数据输入完毕，则进行计算.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，可以查看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0.733，塔板数为14，进料板级数为8级。

3.3ASPENPLUS精馏塔的精确计算

设计任务：

全塔尺寸

3.3.1定义流程

在Column模型库RadFrace中选择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定义组分（同前）

3.3.4定义物性计算方法（同前）

3.3.5定义股流（同前）

（a）精馏塔基本参数定义

点击N->进入或在目录树种选择Block/T102/stup，进入stup-Databrowser.在Configration页输入如图3-14.在这里输入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113.9kPa，每级压降为0.9kPa。

（b）设计规定

流程模拟要满足一定的自由度系数。

设计中对某些参数作出规定，就要有相应的参数可以变化。

这里我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/DesignSepcs，进入Sepcs-Databrowser窗口。

定义一个设计规定

单击ok，进入参数选择页，选择质量浓度（masspurity）作为第一设计规定。

输入值为0.93。

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（Availablecomponents）中选择甲醇；基本组（Basecomponents）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0.9995相对应。

定义第二个变量（回流比0.6~2.0）。

完成后点击N->，运行程序。

（c）定义塔板效率

选择目录树中blocks/radfrac/Efficiencies，进入塔板效率定义窗口。

选择默复里效率（Murphreeefficiencies）。

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0.6；

图3-10效率输入

（d）塔盘尺寸定义

选择目录树中blocks/radfrac/TraySizing，进入塔盘尺寸定义窗口。

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DataBrowser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=0.9172meter圆整值为0.92meter；降液管截面积/塔截面积0.09999；侧降液管流速0.028976m/sec；侧堰长0.666meter.