流程模拟软件Aspen Plus 在精馏塔设计中的应用

2014-03-10赵新堂万宝锋

浙江化工 2014年9期

李峰，赵新堂，万宝锋

（中化近代环保化工（西安）有限公司，陕西西安 710201）

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SULZER－CY 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SULZER－CY 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。