第3章　Aspen Plus單元操作計算案例分析

3.1　關于精餾塔

美國約有40000套精餾裝置；精餾能耗占美國化工和煉油行業的40%～60%；精餾能耗占美國制造業能耗的19%；占美國整體能源消耗的6%。

精餾裝置工藝設計的主要內容是通過計算不同回流比條件下的年總費用，確定最適宜的回流比。精餾裝置的年總費用取決于設備費（精餾塔、冷凝器和再沸器）和操作費用（冷熱公用工程），主要涉及塔徑、塔板數、換熱器面積和公用工程耗量幾個因素。精餾塔設備設計計算原理示意見圖3-1。

利用模型庫中的DSTWU模塊進行精餾過程的簡捷計算。該模塊所代表的模型即為Underwood-Fenske-Gilliland簡捷算法，即利用Underwood方程估算精餾過程中的最小回流比，利用Fenske方程計算最小理論塔板數以及利用Gilliland關聯式計算實際回流比下的理論塔板數。輕重關鍵組分是指在多組分進料中指定分離要求的兩個組分，一般選擇相對揮發度相鄰的兩組分。在設置具體數值時，輕重關鍵組分的回收率是指摩爾回收率而不是質量回收率。在DSTWU模塊的設置中，輕重關鍵組分回收率均是輕重關鍵組分在塔頂餾出液中的摩爾流量占進料量的百分數，如圖3-2所示。

影響精餾分離的因素較多且呈非線性關系。對于精餾過程，僅僅是利用簡捷法設計模塊DSTWU，可以獲得回流比和理論板數之間的關系，然而簡捷法對多數非理想體系偏差較大，甚至不適用。Aspen Plus應用最為廣泛的模塊RadFrac為精餾的嚴格計算模塊。利用軟件中的RadFrac和HeatX嚴格計算模塊及其他自帶工具，可以求得給定理論板數下的回流比、塔徑、換熱器面積及公用工程耗量。根據回流比與年總費用關系曲線確定最優的回流比，進而得到設備設計所需的全部工藝數據。

單進料精餾塔操作型計算一般有5個設計變量。其中，固定變量有3個，分別是飽和液體回流、精餾段塔板數和提餾段塔板數，可調變量有2個，分別為回流比（Reflus Ratio）和餾出液流量（Distllate Rate）。因為要使用RadFrac模塊進行逐板計算，理論級數以及進料位置需在計算之前指定，再給定回流比和餾出液流量的值，就可執行計算了。因此，在RadFrac的設置中，以上5個參數需要給予設定。同時，根據自由度分析，在塔板數一定的情況下，產品純度由回流比和餾出液流量的數值決定，因此產品純度可通過改變回流比和餾出液流量加以調節。該功能在RadFrac模塊即為設計規定（Design Specs-Vary）功能，如圖3-3所示。

Aspen Plus中的靈敏度分析工具用于設計中確定最適宜的進料位置。使用Aspen Plus中的精餾塔模塊，對精餾塔的進料板位置和分離純度關系進行作圖，可以得到圖3-4中的曲線。對于圖3-4中的示例，隨著進料板數的增加，產品的純度先增大后減小；在進料板位置為18時，產品的純度最高，因此最佳的進料板位置為18。

在給定回流比的情況下，采用逐板計算或作圖法可以確定所需要的理論板數和最佳進料位置。反之，若給定理論板數和最佳進料位置，則可以計算出達到指定分離要求所需的回流比。由于Aspen Plus中嚴格精餾計算模塊RadFrac的計算過程是操作型的，因此模擬計算過程中設定全塔理論板數，并假定精餾段理論板數與全塔理論板數之比為常數（可利用軟件中的Sen sitivity Analysis確定），就可以通過Design Spec功能獲得達到指定分離要求所需的回流比。以塔頂第一塊板為例，塔徑的計算可以通過RadFrac中的Tray Sizing功能實現，如圖3-5所示。

RadFrac模塊的計算結果包含了冷凝器和再沸器的熱負荷，但是無法提供換熱器面積和公用工程耗量，這兩個參數的計算需要增加獨立的換熱計算模塊HeatX。為了實現從精餾塔內抽出相應相態的物流進行換熱計算，而又不影響塔內氣液相的流量，可以利用虛擬物流（Pseudo Stream）獲取待換熱物流的詳細信息，即從第2塊塔板上抽出氣相虛擬物流，進入冷凝器CONDENSE，從倒數第2塊塔板上抽出液相虛擬物流進入再沸器REBOILER，從而完成換熱器的計算，流程見圖3-6。換熱器設置中公用工程側流體可直接采用Utilities工具預先定義的公用工程，如圖3-7所示，無須自行添加進出口物流及輸入相關信息。Utilities可以定義多個不同種類和條件的公用工程，如冷卻水、蒸汽、導熱油、煙道氣、制冷劑、電等。定義好的公用工程可以在流程中的任意一個換熱模塊HeatX中使用。利用Utilities一方面可以簡化流程，因此此換熱器只有一種流體的進出物流；另一方面，還可以簡化換熱計算過程，無須迭代即可直接得出公用工程消耗量。對于塔頂全凝器的計算，在給定總傳熱系數的情況下，只需設定熱流體的出口氣相分率為0，就可計算出冷凝器面積及冷卻水耗量。對于再沸器而言，在給定總傳熱系數的情況下，則需設定其熱負荷等于RadFrac計算的再沸器熱負荷，便可計算出再沸器的面積和加熱蒸汽耗量，結果見圖3-8。

改變全塔的理論板數，可獲得不同理論板數情況下的塔徑、回流比、再沸器和冷凝器的面積，冷卻水和加熱蒸氣耗量，進而根據給定的費用計算函數可計算出設備費、操作費和總費用。這一計算過程可由Aspen Plus中的Case Study功能完成。Case Study與Sensitivity Analysis的功能和用法基本相同。所不同的是，前者的控制變量可以是多個離散變量；后者的控制變量多為單個連續變量。需要注意的是，當改變了全塔理論板數之后，進料位置和再沸器計算的虛擬物流的抽出位置均需要做相應的改變，這里推薦兩種方法：手動改變，即每個Case包含3個控制變量，分別為總理論板數、進料位置和再沸器虛擬物流抽出位置；自動改變，借助Aspen Plus自帶的計算器工具（Calculator）實現。Calculator實際上是一條描述不同變量之間的函數關系的Fortran語句，通過適當設置其計算順序，可實現多個變量之間的聯動。設備費、操作費和總費用的計算可以依據相應的計算公式通過內置的Fortran語句編寫功能完成。根據回流比優化計算的結果，確定最優回流比及相應的理論板數和進料位置。在此條件下再利用RadFrac模塊重新進行計算，查看計算結果中Profile項可以得到各個板上的溫度、壓力、流量、組成及密度、黏度、表面張力等物性，作為塔內件及輔助設備設計的基礎數據。