第3章　Aspen Plus單元操作計(jì)算案例分析

3.1　關(guān)于精餾塔

美國(guó)約有40000套精餾裝置；精餾能耗占美國(guó)化工和煉油行業(yè)的40%～60%；精餾能耗占美國(guó)制造業(yè)能耗的19%；占美國(guó)整體能源消耗的6%。

精餾裝置工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是通過(guò)計(jì)算不同回流比條件下的年總費(fèi)用，確定最適宜的回流比。精餾裝置的年總費(fèi)用取決于設(shè)備費(fèi)（精餾塔、冷凝器和再沸器）和操作費(fèi)用（冷熱公用工程），主要涉及塔徑、塔板數(shù)、換熱器面積和公用工程耗量幾個(gè)因素。精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算原理示意見(jiàn)圖3-1。

利用模型庫(kù)中的DSTWU模塊進(jìn)行精餾過(guò)程的簡(jiǎn)捷計(jì)算。該模塊所代表的模型即為Underwood-Fenske-Gilliland簡(jiǎn)捷算法，即利用Underwood方程估算精餾過(guò)程中的最小回流比，利用Fenske方程計(jì)算最小理論塔板數(shù)以及利用Gilliland關(guān)聯(lián)式計(jì)算實(shí)際回流比下的理論塔板數(shù)。輕重關(guān)鍵組分是指在多組分進(jìn)料中指定分離要求的兩個(gè)組分，一般選擇相對(duì)揮發(fā)度相鄰的兩組分。在設(shè)置具體數(shù)值時(shí)，輕重關(guān)鍵組分的回收率是指摩爾回收率而不是質(zhì)量回收率。在DSTWU模塊的設(shè)置中，輕重關(guān)鍵組分回收率均是輕重關(guān)鍵組分在塔頂餾出液中的摩爾流量占進(jìn)料量的百分?jǐn)?shù)，如圖3-2所示。

影響精餾分離的因素較多且呈非線性關(guān)系。對(duì)于精餾過(guò)程，僅僅是利用簡(jiǎn)捷法設(shè)計(jì)模塊DSTWU，可以獲得回流比和理論板數(shù)之間的關(guān)系，然而簡(jiǎn)捷法對(duì)多數(shù)非理想體系偏差較大，甚至不適用。Aspen Plus應(yīng)用最為廣泛的模塊RadFrac為精餾的嚴(yán)格計(jì)算模塊。利用軟件中的RadFrac和HeatX嚴(yán)格計(jì)算模塊及其他自帶工具，可以求得給定理論板數(shù)下的回流比、塔徑、換熱器面積及公用工程耗量。根據(jù)回流比與年總費(fèi)用關(guān)系曲線確定最優(yōu)的回流比，進(jìn)而得到設(shè)備設(shè)計(jì)所需的全部工藝數(shù)據(jù)。

單進(jìn)料精餾塔操作型計(jì)算一般有5個(gè)設(shè)計(jì)變量。其中，固定變量有3個(gè)，分別是飽和液體回流、精餾段塔板數(shù)和提餾段塔板數(shù)，可調(diào)變量有2個(gè)，分別為回流比（Reflus Ratio）和餾出液流量（Distllate Rate）。因?yàn)橐褂肦adFrac模塊進(jìn)行逐板計(jì)算，理論級(jí)數(shù)以及進(jìn)料位置需在計(jì)算之前指定，再給定回流比和餾出液流量的值，就可執(zhí)行計(jì)算了。因此，在RadFrac的設(shè)置中，以上5個(gè)參數(shù)需要給予設(shè)定。同時(shí)，根據(jù)自由度分析，在塔板數(shù)一定的情況下，產(chǎn)品純度由回流比和餾出液流量的數(shù)值決定，因此產(chǎn)品純度可通過(guò)改變回流比和餾出液流量加以調(diào)節(jié)。該功能在RadFrac模塊即為設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)中確定最適宜的進(jìn)料位置。使用Aspen Plus中的精餾塔模塊，對(duì)精餾塔的進(jìn)料板位置和分離純度關(guān)系進(jìn)行作圖，可以得到圖3-4中的曲線。對(duì)于圖3-4中的示例，隨著進(jìn)料板數(shù)的增加，產(chǎn)品的純度先增大后減小；在進(jìn)料板位置為18時(shí)，產(chǎn)品的純度最高，因此最佳的進(jìn)料板位置為18。

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

RadFrac模塊的計(jì)算結(jié)果包含了冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷，但是無(wú)法提供換熱器面積和公用工程耗量，這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算需要增加獨(dú)立的換熱計(jì)算模塊HeatX。為了實(shí)現(xiàn)從精餾塔內(nèi)抽出相應(yīng)相態(tài)的物流進(jìn)行換熱計(jì)算，而又不影響塔內(nèi)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(xì)信息，即從第2塊塔板上抽出氣相虛擬物流，進(jìn)入冷凝器CONDENSE，從倒數(shù)第2塊塔板上抽出液相虛擬物流進(jìn)入再沸器REBOILER，從而完成換熱器的計(jì)算，流程見(jiàn)圖3-6。換熱器設(shè)置中公用工程側(cè)流體可直接采用Utilities工具預(yù)先定義的公用工程，如圖3-7所示，無(wú)須自行添加進(jìn)出口物流及輸入相關(guān)信息。Utilities可以定義多個(gè)不同種類和條件的公用工程，如冷卻水、蒸汽、導(dǎo)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(gè)換熱模塊HeatX中使用。利用Utilities一方面可以簡(jiǎn)化流程，因此此換熱器只有一種流體的進(jìn)出物流；另一方面，還可以簡(jiǎn)化換熱計(jì)算過(guò)程，無(wú)須迭代即可直接得出公用工程消耗量。對(duì)于塔頂全凝器的計(jì)算，在給定總傳熱系數(shù)的情況下，只需設(shè)定熱流體的出口氣相分率為0，就可計(jì)算出冷凝器面積及冷卻水耗量。對(duì)于再沸器而言，在給定總傳熱系數(shù)的情況下，則需設(shè)定其熱負(fù)荷等于RadFrac計(jì)算的再沸器熱負(fù)荷，便可計(jì)算出再沸器的面積和加熱蒸汽耗量，結(jié)果見(jiàn)圖3-8。

改變?nèi)睦碚摪鍞?shù)，可獲得不同理論板數(shù)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(jìn)而根據(jù)給定的費(fèi)用計(jì)算函數(shù)可計(jì)算出設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)和總費(fèi)用。這一計(jì)算過(guò)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(gè)離散變量；后者的控制變量多為單個(gè)連續(xù)變量。需要注意的是，當(dāng)改變了全塔理論板數(shù)之后，進(jìn)料位置和再沸器計(jì)算的虛擬物流的抽出位置均需要做相應(yīng)的改變，這里推薦兩種方法：手動(dòng)改變，即每個(gè)Case包含3個(gè)控制變量，分別為總理論板數(shù)、進(jìn)料位置和再沸器虛擬物流抽出位置；自動(dòng)改變，借助Aspen Plus自帶的計(jì)算器工具（Calculator）實(shí)現(xiàn)。Calculator實(shí)際上是一條描述不同變量之間的函數(shù)關(guān)系的Fortran語(yǔ)句，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置其計(jì)算順序，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)變量之間的聯(lián)動(dòng)。設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)和總費(fèi)用的計(jì)算可以依據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式通過(guò)內(nèi)置的Fortran語(yǔ)句編寫功能完成。根據(jù)回流比優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，確定最優(yōu)回流比及相應(yīng)的理論板數(shù)和進(jìn)料位置。在此條件下再利用RadFrac模塊重新進(jìn)行計(jì)算，查看計(jì)算結(jié)果中Profile項(xiàng)可以得到各個(gè)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(nèi)件及輔助設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。