第11章Aspen Plus在化工分离计算中的应用

第11章Aspen Plus在化工分离计算中的应用

11.1 Aspen Plus 简介

Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，美国AspenTech公司的产品。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Aspen Plus的用户。官方网站：http://www.AspenTech.com/。

Aspen Plus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”（Advanced System for Process Engineering，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Aspen Plus。AspenTech公司在随后的时间里又先后兼并了20多个在各行业中技术领先的公司，成为为过程工业提供从集散控制系统（DCS）到企业资源计划(ERP)全方位服务的公司。AspenONE?作为第一流的领先产品将AspenTech公司的所有产品统一起来了,ASPENTECH于1994在纳斯达克上市。

AspenTech软件经过20多年不断的改进、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Aspen Plus的用户。

11.1.1 Aspen Plus的主要功能和特点

Aspen Plus的主要功能和特点如下。

(1) 具有方便灵活的用户操作环境，数据输入方便、直观，所需数据均以填表方式输入，

内装在线专家系统Model Manager自动引导帮助用户逐步完成数据的输入工作。 (2) 配有最新且完备的物性模型库，具有物性数据回归、自选物性及数据库管理等功能。 (3) 备有全面、广泛的化工单元操作模型库，能方便地构成各种化工生产流程。 (4) 应用范围广泛，可模拟分析各类过程工业，如：化工、石油化工、生物化工、合成

材料、冶金等行业。

(5) 模拟计算以交互方式分析计算结果，按模拟要求修改数据，调整流程。

(6) 强大的流程分析与优化功能。提供了一些重要的模拟分析工具，如：流程优化、灵

敏度分析、设计规定及工况研究等。具有技术经济估算系统，可进行设备投资费用、操作费用及工程利润估算。

(7) DXF格式接口可以将Model Manager中的流程图按DXF标准格式输出，再转换成

其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件。 (8) 与AspenTech公司其他产品的有效集成。

(9) 具有与Excel、VB及其他Aspen软件的通信接口。

11.1.2 Aspen Plus的物性数据库

(1) Aspen Plus共含5000个纯组分数据

(2) 40000个二元交互参数可用于5000 个二元混合物，1000多个水相离子反应的反应

常数。

(3) 与世界上最大的热力学实验物性数据库DETHERM （含250,000 多个混合物的汽

液平衡、液液平衡以及其它物性数据）的接口。

(4) 可以建立自己的专用物性数据库。在Aspen Plus中，有专用于NRTL、WILSON和

UNIQVAC方法的二元交互参数库，如VLE-IG、VLE-RK、VLE-HOC、VLE-LIT及LLE-ASPEN、LLE-LTI; 亨利系数的二元参数库有HENRY及BINARY; Aspen Plus的电解质专家系统，有内置电解质库，包括几乎所有常见的电解质应用中化学平衡常数及各种电解质专用二元参数。只要启动电解质热力学方法，这些参数便会自动检索。 其中的纯组分数据库有：

(1) Aqueous：适用于电解质（水溶剂），含900种离子参数

(2) ASPEN PCD：含472个有机和无机化合物参数（主要为有机物） (3) INORGANIC：含约2450个化合物物性数据（绝大多数为无机）

(4) PURE10：基于DIPPR的数据库，含1727个（绝大多数为有机）化合物参数，是

ASPEN PLUS的主要数据库

(5) SOLIDS：含3314种固体化合物参数，主要用于固体和电解质的处理 (6) COMBUST：专用于高温、气相计算，含59种燃烧产物中典型组份的参数

11.1.3 Aspen Plus的热力学模型

Aspen Plus的热力学模型适用体系为：

(1) 非理想体系——采用状态方程与活度系数相结合的模型； (2) 原油和调和馏分； (3) 水相和非水相电解质溶液； (4) 聚合物体系。

Aspen Plus的热力学状态方程有：

(1) Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）； (2) Hayden-O’Connell；

(3) 用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程； (4) 理想气体模型； (5) Lee-Kesler（LK）；

(6) Lee-Kesler-Plocker； (7) Peng-Robinson（PR）；

(8) 采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR； (9) 采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR； (10) 用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。 Aspen Plus的热力学活度系数模型有： (1) Eletrolyte NRTL； (2) Flory-Huggins； (3) NRTL；

(4) Scatchard-Hilde-Brand； (5) UNIQUAC； (6) UNIFAC； (7) van Laar； (8) WILSON。

Aspen Plus的其他热力学模型还有： (1) API酸水方法； (2) Braun K-10； (3) Chao-Seader； (4) Grayson-Streed； (5) Kent-Eisenberg； (6) 水蒸气表。

11.1.4 Aspen Plus的物性分析工具

(1) 物性常数估算方法：可用于分子结构或其他易测量的物性常数（如正常沸点）估算

其他物性计算模型的常数。

(2) 数据回归系统：用于实验数据的分析和拟合。

(3) 物性分析系统：可以生成表格和曲线，如蒸汽压曲线、相际线、t-p-x-y图等。 (4) 原油分析数据处理系统：用精馏曲线、相对密度和其他物性曲线特征化原油物系。 (5) 电解质专家系统：对复杂的电解质体系可以自动生成离子或相应的反应。

11.1.5 Aspen Plus的单元模型库

(1) RADFRAC：用于精馏、吸收、萃取精馏和共沸精馏的严格法模拟；RADFRAC可

以处理有双液相、固相以及带有化学反应和电化学反应的情况。

(2) PETROFRAC：用于炼油厂的预闪蒸塔、常减压塔、催化裂化主馏分塔和延迟焦化

分馏塔等。

(3) 各种反应过程：产率反应器（RYIELD）、化学计量反应器（RSTOIC）、化学平衡

反应器（REQUIL）、基于Gibbs自由能最小化的平衡反应器（RGIBBS）、连续搅拌糟式反应器（RCSTR）、活塞流反应器（RPLUG）和间歇反应器（RBATCH）。 (4) 固体处理模型：破碎机、筛分、织物过渡器、文丘里洗涤器、静电沉降器、水力旋

流器、离心过滤器、旋风过滤器、洗矿机、结晶器和逆流洗涤器。

(5) 严格的设备尺寸和性能计算：泄压阀、换热器、泵和压缩机、管线以及板式塔和填

料塔。

(6) 可以结合用户建立的设备计算模块。

11.2 Aspen Plus基本操作

11.2.1 Aspen Plus的启动

在程序菜单中打开Aspen Plus User Intergace启动Aspen Plus。

在弹出的对话框中，用户可以选择Blank Simulation(新流程)、Template(模板)和Using an Existing Simulation（打开一个已有的流程）。

确定用户服务器的位置，使用缺省项，点OK键，进入Aspen Plus主界面。

图11—1为Aspen Plus的主界面，使用该工作页面可建立、显示模拟流程图及PFD-STYLE绘图。从主窗口可打开其他窗口，如绘图窗口(Plot)、数据浏览窗口(Data Browser)等。文件菜单有如下常见的选项：新(New)、打开(Open)、存储(Save)等等。输出选项(Export)，允许你输出报告、摘要、输入和运行过程中提供的任何信息。

在图11—1中的几个图标被反复强调使用，所以值得予以介绍。在顶部行中可找到眼镜，该图标打开数据浏览器(Data Browser)，由它提供要被完成的窗口的清单。“N→”图标可用于进行下一步骤。通过点击该图标，填写出现的窗口，再次点击该图标，你可方便地进入问题的数据输入阶段。图标即使这些窗口已经完成。

Data Browser(数据浏览器)是Aspen Plus主运行环境中最重要的一个页面。它具有已经定义的可用模拟输入、结果和对象的树状层次图(图11—2)。用Data Browser按钮打开此页面，可以在运行类型的下拉条中看到6个不同的选项。Aspen Plus几大主要的功能基本上可以通过直接选择不同的运行类型来实现，也可以在Data Browser页面中的其他选项设定中完成。下面就着重介绍该流程模拟软件的六个主要功能：建立基本流程模拟模型、灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归。

可用于从一个窗口进入另一个窗口，而且这包括所有窗口，

图11—1 Aspen Plus的主界面

图11—2 Aspen Plus的输入界面

11.2.2 Aspen Plus的流程设置

Flowsheet是Aspen Plus最常用的运行类型，可以使用基本的工程关系式，如质量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。在Aspen Plus的运行环境中，只要给出合理的热力学数据、实际的操作条件和严格的平衡模型，就能够模拟实际装置的现象，帮助设计更好方案和优化现有的装置和流程，提高工程利润。

Aspen Plus中用单元操作模块来表示实际装置的各个设备，主要包括：混合器／分流器、

分离器、换热器、蒸馏塔、反应器、压力变送器、手动操作器、固体处理装置、用户模型。选择相应合理的模型对于整个模拟流程是至关重要的，应按照所模拟反应器的特点加以选择。定义的步骤是：选择单元操作模块，将其放置到流程窗口中；用物流、热流和功流连接模块；最后检查流程的完整性。

鼠标的使用如下，①左按钮单击 ——选择对象/域；②单击右按钮—— 为选择的对象/域或入口/出口弹出菜单；③双击左按钮——打开数据浏览器对象的页面 。

在流程中放置一个单元模块的方法:①在模型库中单击一个模型类别标签；②选择一个单元操作模型,单击下箭头选择一个模型图标；③在模块上单击并拖拉它到你期望放置的流程位置上,然后释放鼠标。

在画好流程的基本单元后，就可以打开物流区，用物流将各个单元设备连接起来。 在流程中放置物流的方法:①在模型库中的 STREAMS 图标上单击；②如果你想选择一个不同的物流类型 (物料,热或功), 单击靠近图标的下箭头,然后选择不同的类型 ；③选择一个高亮显示的出口做连接；④重复第③步连接物流的另一端；⑤若把一个物流的末端作为工艺物流的进料,或者作为产品来放置,则单击工艺流程窗口的空白部分；⑥单击鼠标右按钮停止建立物流。

进行物流连接时，系统会提示在设备的哪些地方需要物流连接，在图中以红色的标记显示。在红色的标记处，确定所需要连接的物流，当整个流程结果确定以后，红色标记消失，按Next按钮，系统提示需要做的工作。

若要在数据浏览器中显示一个物流或单元模块显示的输入表，在该对象上双击鼠标左键。若对单元模块和物流改名,删除,改变图标,提供输入数据或浏览结果，则: ①通过在模块或物流上单击鼠标左键,选择对象；②当鼠标指针在所选择的对象图标之上时,单击鼠标右键,弹出该对象的菜单；③选择相应的菜单项目。

11.2.3 物流数据及其他数据的输入

(1) 当流程的参数没有完全输入时，系统自动打开数据浏览器(data browse)使用户了解

哪些参数需要输入，并以红色标记显示。

(2) 在组分(component)一栏中，输入流程的组分，也可以通过查找功能从Aspen数据

库中确定需要的组分。

(3) 在物性计算方法栏(Properties—Specification)确定整个流程计算所需的热力学方法。 (4) 设置物流的参数，包括压力、温度、浓度等。设定设备的参数，如塔板数，回流比。 (5) 当数据浏览器的红色标记没有以后，按Next按钮，系统提示所有的信息都输入完

毕，可以进行计算了。

11.2.4 结果的输出

Aspen Plus 的缺省文件扩展名是apw，备份文件扩展名是bkp，模板文件扩展名是apt。

当Aspen Plus对整个流程计算完毕以后，在数据浏览器中的结果汇总(Results Summary)中可以看到模拟的结果，也可以在物流(Streams)中看到输出物流的计算结果。更为详细的内容可通过生成数据文件获取，该数据文件以文本形式保存，便于其他软件调用编辑。获取数据文件的步骤如下。

(1) 点击File，在其下拉菜单中选取Export。

(2) 在弹出的Export对话框中，选择文件的保存类型为“Report File。” (3) 在文件名中输入文件名，点击保存，就可以在相关文件夹中找到此文件。

11.2.5 灵敏度分析和设计规定

此功能在Data Browser页面下的Sensitivity Form表单中设定，其目的是测定某个变量对目标值的影响程度。分别定义分析变量(Sampled variables)和操纵变量(Manipulated variables)，设定操纵变量的变化范围，即可执行灵敏度分析。这一功能可以直观地发现哪一个变量对目标值起着关键性的作用。

在灵敏度分析的基础上，当确定了一个关键因素，并且希望它对系统的影响达到一个所希望的精确值时，就可通过设计规定来实现。因而除了要设置分析变量和操纵变量外，还要设定出一个明确的希望值。Aspen Plus让以前繁琐的实验求证过程变得简单。设定设计规定后，必须迭代求解回路，此外带有再循环回路的模块本身也需要循环求解。对于带有设计规定的流程，需按以下三个步骤来模拟。

(1)选择撕裂流股 一股撕裂流股就是由循环确定的组分流、总摩尔流、压力和焓的循环流股，它可以是一个回路中的任意一股流股。

(2)定义收敛模块使撕裂流股、设计规定收敛 由收敛模块决定如何对撕裂流股或设计规定控制的变量在循环过程中进行更新。

(3)确定一个包括所有单元操作和收敛模块在内的计算次序 当然，如果既没有规定撕裂流股，也没有规定收敛模块和顺序，Aspen Plus会自动确定它们。

11.2.6 物性分析和物性估算

在运行流程之前，确定各组分的相态及物性是否同所选择的物性方法相适应是很重要的。物性分析功能就可以帮助解决这样的问题。如果对某种物质的物理属性不是很清楚，想借助Aspen Plus强大的物性数据库来获得这些的信息也是可以的。

可通过三种方式使用物性分析：①单独运行，即将运行类型设置为Property Analysis；②在流程图中运行；③在数据回归中运行。可使用TOOL菜单下的Analysis命令来交互进行物性分析，也可在Data Browser的Analysis文件夹中使用窗口手动生成。进行物性分析的内容包括：纯组分物性、二元系统物性、三元共沸曲线图以及流程模型中的物流物性等。

Aspen Plus在数据库中为大量组分存储了物性参数。如果所需的物性参数不在数据库中，可以直接输入，用物性估计进行估算，或用数据回归从实验数据中获取。与物性分析一

样，物性估计也有三种运行方式，其中单独使用时只需将运行类型设置为Property Estimation即可。估计物性所必需的参数有：标准沸点温度(TB)、相对分子质量(MW)和分子结构。另外，由于估计选项设定的不同，还可能要对纯组分的常量参数、受温度影响的参数以及二元参数、UNIFAC参数进行规定。总之，为了获得最佳的参数估计，应尽可能地输入所有可提供的实验数据。

11.2.7 物性数据回归

通过这一功能，你可以用实验数据来确定Aspen Plus模拟计算所需的物性模拟参数。Aspen Plus数据回归系统，将物性模型参数与纯组分或多组分系统测量数据相匹配，进而进行拟合。可输入的实验物性数据有：汽一液平衡数据、液一液平衡数据、密度值、热容值、活度系数值等。

数据回归系统会基于所选择的物性或数据类型，指定一个合理的标准偏差缺省值。如果不满意该标准偏差，最好自行设定，以提高准确度。回归的结果保存在Data Browser页的Regression文件夹的Results中。如果回归参数的标准偏差是零或是均方根残差很大，说明回归的结果不好。这时，需要将数据绘制成曲线，查看一下每一个数据点是如何拟合的。

在合理回归数据之后，在流程中使用它们时，先将模拟的运行类别设为Flowsheet，然后打开Tool菜单的Option选项，在Component Data表页中选择将回归结果和估算结果复制到物性表的复选框即可。

11.3 Aspen Plus塔设备计算中的单元模块

Aspen Plus 中的塔设备(Columns)单元共有9种模块（如图11-3）：DSTWU、Distl、RadFrac、Extract、MultiFrac、SCFrac、PetroFrac、RateFrac和BatchFrac。

图11—3 Aspen Plus中的塔设备单元操作模块

11.3.1 DSTWU 模块

DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland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、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。DSTWU 模型的连接图如图11—4。

图11—4 DSTWU 模型的连接图

DSTWU模型有四组模型设定参数： (1) 塔设定 ( Column specifications)

① 塔板数 ( Number of stages)

② 回流比 ( Reflux ratio) ， 用 >0表示实际回流比；<-1时, 绝对值=实际回流比/最小

回流比

(2) 关键组分回收率 ( Key component recoveries )

① 轻关键组分在馏出物中的回收率,指馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分。 ② 重关键组分在馏出物中的回收率,指馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分。 (3) 压力 ( Pressure) ① 冷凝器 ( Condenser) ② 再沸器 ( Reboiler)

(4) 冷凝器设定 ( Condenser specifications) ① 全凝器 ( Total condenser)

② 带汽相馏出物的部分冷凝器 ( Partial condenser with vapor distillate)

③ 带汽、液相馏出物的部分冷凝器( Partial condenser with vapor and

liquid distillate)

DSTWU模型有两个计算选项：

① 生成回流比——理论板数关系表( Reflux ratio vs. Number of theoretical stages ) ② 计算等板高度( Calculate HETP )

“生成回流比——理论板数关系表”对选取合理的理论板数很有参考价值。在实际回流比对理论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的最小值(Initial number of stages)、最大值(Final number of stages)和增量值(Increment size for number of stages)。计算完成后的结果中会包括回流比剖形(Reflux ratio profile), 据此可以绘制回流比——理论板数曲线。

11.3.2 RadFrac模块

RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能

力和设备参数。

图11—5 RadFrac 模型的连接图

RadFrac 模型具有以下设定表单： (1) 配置（Configuration） (2) 流股（Streams） (3) 压强（Pressure） (4) 冷凝器（Condenser） (5) 再沸器（Reboiler） (6) 三相（3-Phase） 配置表单包含以下项目： (1) 塔板数（Number of Stages） (2) 冷凝器（Condenser） (3) 再沸器（Reboiler） (4) 有效相态（Valid Phase） (5) 收敛方法 （Convergence)

(6) 操作设定 （Operation Specifications) 冷凝器配置从四个选项中选择一种： (1) 全凝器（Total）

(2) 部分冷凝-汽相馏出物（Partial-Vapor）

(3) 部分冷凝-汽相和液相馏出物（Partial-Vapor-Liquid） (4) 无冷凝器 (None)

再沸器配置从三个选项中选择一种： (1) 釜式再沸器（Kettle）

(2) 热虹吸式再沸器（Thermosyphon） (3) 无再沸器 (None)

有效相态从四个选项中选择一种： (1) 汽-液（Vapor-Liquid）

(2) 汽-液-液（Vapor-Liquid -Liquid ）

(3) 汽-液- 冷凝器游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） (4) 汽-液- 任意塔板游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage） 收敛方法从六个选项中选择一种： (1) 标准方法（Standard）

(2) 石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling） (3) 强非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） (4) 共沸体系（Azeotropic） (5) 深度冷冻体系（Cryogenic） (6) 用户定义（Custom） 操作设定从十个选项中选择： (1) 回流比（Reflux Ratio） (2) 回流速率（Reflux Rate）

(3) 馏出物速率（Distillate Rate) (4) 塔底物速率（Bottoms Rate) (5) 上升蒸汽速率（Boilup Rate) (6) 上升蒸汽比（Boilup Ratio)

(7) 上升蒸汽/进料比（Boilup to Feed Ratio) (8) 馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio) (9) 冷凝器热负荷（Condenser Duty) (10) 再沸器热负荷（Reboiler Duty) 在流股表单中设置以下参数：

(1) 进料流股（Feed Streams）：指定每一股进料的加料板位置。

(2) 产品流股（Product Streams）：指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。 在压强表单中设置以下参数： 从三种方式（View）中选择一种

(1) 塔顶/塔底（Top/Bottom）： 指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。 (2) 压力剖型（Pressure Profile）：指定每一块塔板压力。 (3) 塔段压降（Section Pressure Drop）：指定每一塔段的压降。 冷凝器设定有两组参数：

(1) 冷凝器指标（Condenser Specification）：仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度

（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。 (2) 过冷态（Subcooling）

liquid distillate are subcooled) /仅仅回流物过冷 (Only reflux is subcooled)。

② 过冷指标（Subcooling specification）:过冷物温度 (Subcooled temperature) /过冷度

(Degrees of subcooled) 。

如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设定： (1) 指定再沸器流量（Specify reboiler flow rate）

(2) 指定再沸器出口条件（ Specify reboiler outlet condition）

(3) 同时指定流量和出口条件（Specify both flow and outlet condition ） RadFrac 的计算结果从三部分查看： (1) 结果简汇（Results summary） (2) 分布剖形（Profiles） (3) 流股结果（Stream results）

结果简汇给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率。

分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。

RadFrac模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(Design Specs)和变化(Vary)两组对象进行设定。可以设置多个设计规定对象和多个变化对象，但要注意两者间的依赖关系和

① 过冷选项（Subcooling option）：回流物和馏出物都过冷 (Both reflux and

自由度必须吻合，否则不能收敛。设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标

(1) 规定 (Specification) (2) 组分 (Components)

(3) 进料/产物流股 (Feed/Product Streams) 在规定表单中输入以下指标

(1) 类型 (Type)：有36种变量类型共选用 (2) 目标 (Target)：设定规定变量的目标值

(3) 流股类型(Stream type) ：产物(Product)/内部(Internal)/倾析器(Decanter)

在组分表单中输入定义目标值的组分 (Components)（分子）和基准组分 (Base Components)（分母）。从左侧可用组分 (Available components)框中选择需用组分到右侧的选用组分 (Selected Components) 框中。

在进料/产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称。

在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。 RadFrac 模块可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(Vaporization Efficiencies) 或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率。

报告（Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Property options）里的包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项。另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。

选择了包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项后，剖形结果中将给出指定塔板上的汽、液两相的体积流量、密度、粘度和表面张力等塔板设计所需的参数。

塔板设计(Tray sizing)计算给定板间距下的塔径。可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板。在Specification表单中输入该塔段(Trayed section)的起始塔板(Starting stage)和结束塔板(Ending stage)序号，塔板类型(Tray type)，塔板流型程数(Number of passes)，以及板间距(Tray spacing)等几何结构(Geometry)参数。

塔板类型提供了五种塔板供选用： (1) 泡罩塔板（Bubble Cap） (2) 筛板（Sieve）

(3) 浮阀塔板（Glistch Ballast） (4) 弹性浮阀塔板（Koch Flexitray） (5) 条形浮阀塔板（Nutter Float Valve)

结果 (Results) 表单中给出计算得到的塔内径 (Column diameter)、对应最大塔内径的塔板序号(Stage with maximum diameter)、降液管截面积/塔截面积 (Downcomer area / Column area)、侧降液管流速 (Side downcomer velocity)、侧堰长 (Side weir length)。

剖形 (Profiles) 表单中给出每一块塔板对应的塔内径 (Diameter)、塔板总面积(Total area)、塔板有效区面积 (Active area)、侧降液管截面积 (Side downcomer area) 。

塔板核算（Tray rating）计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。

“塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。

“塔板核算”的输入参数除了从“塔板设计” 带来的之外，还应补充塔盘厚度(Deck thickness)和溢流堰高度(Weir heights)，多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高。

在塔板布置(Layout)表单中输入：

(1) 浮阀的类型(Valve type)、材质(Material)、厚度(Thickness)、有效区浮阀数目(Number

of valves to active area) ；

(2) 筛孔直径(Hole diameter)和开孔率(Sieve hole area to active area fraction)。 在降液管(Downcomer)表单中输入： (1) 降液管底隙(Clearance)； (2) 顶部宽度(Width at top)； (3) 底部宽度(Width at bottom)； (4) 直段高度(Straight height) 。

塔板核算结果在结果(Results)表单中列出，有三个参数应重点关注： (1) 最大液泛因子(Maximum flooding factor) ，应该小于0.8 ； (2) 塔段压降(Section pressure drop)；

(3) 最大降液管液位/板间距(Maximum backup / Tray spacing)，应该在0.25 ~0.5之间。 填料设计(Pack sizing)计算选用某种填料时的塔内径。在Specification表单中输入填料类型 (Type)、生产厂商(Vendor)、材料 (Material)、板材厚度(Sheet thickness)、尺寸 (Size)、等板高度 (Height equivalent to a theoritical plate) 等参数。

填料类型共有 40 种填料供选用，以下是 5 种典型的散堆填料： (1) 拉西环（RASCHIG） (2) 鲍尔环（PALL） (3) 阶梯环（CMR） (4) 矩鞍环（INTX） (5) 超级环（SUPER RING） 以下是 5 种典型的规整填料： (1) 带孔板波填料（MELLAPAK） (2) 带孔网波填料（CY） (3) 带缝板波填料（RALU-PAK） (4) 陶瓷板波填料（KERAPAK） (5) 格栅规整填料（FLEXIGRID）

结果 (Results) 表单中给出计算塔内径 (Column diameter)、最大负荷分率(Maximum fractional capacity)、最大负荷因子 (Maximum capacity fractor)、塔段压降 (Section pressure drop)、比表面积 (Surface area) 等参数。

填料核算（Pack rating）计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计”中相同。“填料设计”与“填料核算”配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。

RadFrac 模块用于吸收计算时：

(1) 在Configuration表单中将冷凝器和再沸器类型选为 “None”；

(2) 在Streams表单中将塔底气体进料板位置设为塔板总数加 1 ，并将加料规则

(Convention) 设为 “Above-Stage”； 在收敛（Convergence）项目中将：

(1) 基本(Basic) 表单里的算法(algorithm)设置为“Standard”，并将最大迭代次数

(maximum iterations)设置为200;

(2) 将高级 (Advance) 表单里的第一栏吸收器 (Absorber) 设置为“yes” 。

脱吸是吸收的逆过程，脱吸计算与吸收计算的模型参数设置相同，只是物料初始组成不同。

11.4 Aspen Plus 应用实例

11.4.1 二元混合物连续精馏的计算

二元精馏是最为简单的一种精馏操作，其设计和操作计算是多元精馏计算的基础。二元精馏的设计可采用简捷法和逐板计算法，Aspen Plus则采用Winn—Underwood—Gilliland简捷法进行设计，对应“Colums”中“DSTWU”模块。由于简捷法的计算误差较大，所以需要用严格精馏模型对设计结果进行验证，采用“Colums”中的“RadFrac”模块。

例11-1 用一常压操作的连续精馏塔，分离含苯为0.44(摩尔分数，以下同)的苯—甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于0.975，塔底产品中含苯不高于0.0235。操作回流比为3.5。试用Aspen Plus计算原料液为20℃的冷液体时的理论板层数和加料板位置。

解①绘制流程图。选择单元模块区中“Columns”下的“DSTWU”模块，该模块采用Winn-Underwood—Gilliland简捷法计算给定分离任务所需的理论板数。之后将鼠标移到流程区单击，在流程图区域内将出现一个塔。然后再将鼠标移到物流、能流区并单击，这时将在塔图形上出现需要连接的物流(用红色表示)。将鼠标移到红色标记前后，通过拖动来连接进出该精馏塔的物流。如图11—6所示。

图11—14 严格精馏输入界面3

11.4.2 三元混合物连续精馏的计算

例11-3甲醇—二甲醚—水—三元混合物精馏的计算：已知进料流量80kmol/hr、压力8atm、温度30℃, 水、甲醇和二甲醚的摩尔分率分别是0.4、0.27和0.33，塔板数为5块，冷凝器为全凝器，回流比为2，塔顶馏出液量为25 kmol/hr，塔顶7atm，进行精馏模拟计算。 解：①采用单元模块区中 “Columns’’下的“RadFrac’’模块，绘制流程图，与图11—6 类似。

②为项目命名。单击“N→”，则系统弹出项目建立对话框，在“Title”中输入模拟流程名称“甲醇—二甲醚—水—三元混合物精馏的计算”，在“Units of measurement”中选择输入输出数据的单位制，选择米制（MET）。

③输入组分。单击“N→”，系统弹出模拟流程组分对话框。在“Compenent ID”下分别输入“1、2、3”，在对应的“Formula”下分别输入“H2O、CH4O、C2H6O”，，在系统数据库中搜索这物质，查找到以后点击“add”按钮将它们添加到系统模拟组分列表中。如图11—15所示。

④制定物性计算方法。单击“N→”，系统弹出物性计算方法对话框,在对话框中选择 “PENG-ROB”方法（实际应用中，具体的物流特性估算方法应根据具体的情况，结合热力学知识进行选择，否则会出错）。

⑤输人物流属性。单击“N→”，系统弹出物流属性输入对话框。主要有进料流量80kmol/hr、压力8atm、温度30℃和水、甲醇和二甲醚的摩尔分率0.4、0.27和0.33，如图11—16所示。

⑥输入塔参数。单击“N→”，系统弹出塔设备属性输入对话框。输入塔板数5块，冷凝器为全凝器，回流比为2，塔顶馏出液量为25 kmol/hr，以及其他各参数，如图11—17所示。 ⑦单击“N→”，输入加料版位置及出料物流的气、液状态；再单击“N→”，输入塔压情况，计算完成后，可以点击“Results Summary’’查看计算结果。

图11—15 输入模拟流程组分

图11—16 输入物料基本情况设置

图11—17 塔设备基本情况设置

11.4.3 乙醇—水—苯恒沸精馏的计算

精馏操作是依据液体混合物中各组分的挥发度不同来进行分离的，如果待分离液体形成恒沸物，导致两组分间的相对挥发度近似等于1，则不能用普通的精馏方法实现分离。这时，可在原混合物中加入第三种组分 (称为夹带剂或恒沸剂)，使该组分与原有的一个或两个组分形成新的恒沸物，从而促使原液体用普通精馏的方法来分离，称为恒沸精馏。乙醇—水混合物的分离是最为常见的恒沸精馏流程之一，如图11-18所示。

图 11—18 无水乙醇恒沸精馏流程示意图

1 恒沸精馏塔；2 回收塔；3 分层器； 4 冷凝器；5 再沸器

工业乙醇与苯进入恒沸精馏塔中，形成的乙醇—水—苯三元恒沸物由塔顶蒸出。由于该恒沸物中含有较多的水分，所以塔釜采出近于纯态的乙醇。塔顶蒸汽进入冷凝器后，一部分回流，另一部分进入分层器。分层器的轻相返回恒沸塔补充回流，重相进入苯回收塔。回收塔顶部蒸汽进入冷凝器，塔釜产品为稀乙醇。有时也将回收塔的塔釜出料再送入一个乙醇回收塔，塔釜最终引出的几乎为纯水。由于流程中的苯是循环使用的，所以只需定期补充少量的苯即可维持恒沸塔的操作。

例11-3 现有乙醇—水原料，其中乙醇流量为21.043 kmol／h，水流量为3.426 kmol／h。利用图11—1 8所示工艺获取无水乙醇，要求产品中乙醇摩尔分数不低于0.99。已知恒沸塔理论板数为20，在第6块板处进料，塔顶采出流量为28.60kmol／h，回流量为82.51 kmol／h；回收塔理论板数为15，从塔顶进料，塔釜热负荷为80kW，要求塔釜出料中的苯摩尔分数小于0.01。试利用Aspen Plus对该流程进行模拟，并确定夹带剂苯的适宜用量。

解 ①绘制流程图。恒沸塔DIST1和回收塔DIST2均使用“Columns’’中的“RadFrac’’模块，分层器DECANTER使用“Separators’’中的“Decanter’’模块，本题也可用1个带Decanter的“RadFrac’’模块模拟恒沸塔、“RadFrac’’模块模拟回收塔，如图11—1 9所示。

Decanter 模块执行给定热力学条件下的液-液平衡或液-游离水平衡计算，输出两股液相产物。用于模拟液-液分离器、水倾析器等。

图 11—19 无水乙醇恒沸精馏模拟流程图

②指定组分。在“Components’’项目的“Specifications’’中，按英文名称或分子式查找乙醇、水和苯三种组分，并添加到组分列表中。

③指定热力学计算方法。该步骤主要用于指定物系的汽一液平衡计算方法。由于该物系为非理想体系，且存在部分互溶问题，所以热力学方法采用NRTL。该方法在Properties →Global→Base method中指定。

④输入物流信息。恒沸塔进料FEED的输入信息，包括压力、汽化率 (或温度)、组分流量(或流量和组成)。夹带剂苯的用量关系到无水乙醇的浓度，可以先给定一个初始流量(如图中显示的0.74kmol／h)，然后再逐步降低该值，直到乙醇产品达到浓度要求。 ⑤输入设备信息。恒沸精馏塔的输入信息，在Blocks→DISTl中首先输入恒沸塔设备参数，设置塔板数(Number of stages)为20，冷凝器(Condenser)为全凝器 (Total)，有效相为气—液—液(Vapor—Liquid—Liquid)。考虑到该塔中存在恒沸物，所以收敛算法(Convergence)采用恒沸算法(Azeotropic)。在操作参数(Operating specifications)中输入馏出液流量(Distillate rate)为28.6 kmol／h，回流液流量(Reflux rate)为82.51 kmol／h。该模块还需要输入操作压力(1 atm)、三相范围(1～20)，由于比较简单，在此不再单独说明。

苯回收塔的设备信息，理论板数(Number of stages)为15；由于该塔与恒沸塔共用一冷凝器，所以此处冷凝器(Condenser)选择无(None)；有效相态(Valid phases)选择气—液—液三相(Vapor—Liquid—Liquid)；由于该塔中乙醇浓度较低，不出现恒沸物，所以收敛算法(Convergence)选用标准算法(Standard)。操作参数(Operating specifications)中仅需指定再沸器热负荷(Reboiler duty)为14 kW。该塔的其他信息指定方式与恒沸塔相似，不再赘述。 ⑥开始模拟。经过以上步骤，所有的信息输入项均显示了蓝色的“√’’标志，表示所需信息已经全部输入。点击工具栏中的“N→”按钮，或菜单Run→Run，开始模拟计算。计算成功，则Aspen Plus主窗口右下角显示蓝色的“Results Available’’提示信息；否则需要检查输入信息是否有问题，或重新指定初值，再次进行模拟计算。最后，点击Results

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