ASPEN PLUS在化工设计中的应用

摘要：使用ASPEN PLUS模拟甲醇-水精馏分离，通过灵敏度分析和绘图工具优化设计。

关键词：精馏；模拟；优化

中图分类号：TP317 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 13-0000-02

ASPEN PLUS Applications in Chemical Design

Chen Jian

(The Elctranics Eleventh Design&Research Institute,Scientific and Technological Co.,Ltd.,Chengdu610021,China)

Abstract:Using the ASPEN PLUS simulation methanol-water distillation separation,through sensitivity analysis and mapping tools to optimize the design.

Keywords:Distillation;Simulation;Optimization

ASPEN PLUS作为目前通用的大型化工过程模拟软件，提供了丰富的物性数据，热力学模型和单元操作模型，用于化工过程的模拟和优化。在化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、食品等许多工业领域被广泛使用。

在化工工程设计中运用ASPEN PLUS模拟，不仅大大缩短了工程设计时间，也很方便的进行工艺方案的优化。以甲醇-水精馏为例，甲醇约占72.7%（wt），水约占27.3%（wt），用一级精馏塔试看分离效果。（当然实际工程设计时会根据具体组分及分离回收效果可能设置更多的塔）

一、模拟对象

模拟对象是甲醇-水系统一级精馏塔，设计参数见表1。

表1：一级精馏塔设计参数

进料量 塔盘类型 回流比 塔板数 塔顶压力 塔釜压力

50000kg/h 筛板塔 2 30 550kPaG 600kPaG

二、建立模型

ASPEN PLUS自带了大量的纯物质数据库，为用户计算提供了参考；灵活多样的单元操作模块为建立流程提供了方便；另外良好的操作界面也让上手变得容易。

本模型选用Rad Frac严格精馏单元操作模块，添加完物流股后即完成了基本的流程输入；从数据库中添加本模型所需的甲醇和水组分；物性方法的选择是准确模拟的关键，本模型选用NRTL-RK（液相NRTL活度系数模型，气相RK方程）；定义进料物料流股和操作单元模块就完成了数据的输入，即可进行运算。结果见表2。

表2：一级精馏塔计算结果

进料 塔顶馏出液 塔釜排出液

温度（℃） 25 114.8 158.9

压力（kPa） 600 550 600

气相分率 0 0 0

流量（kg/h） 50000.000 36350.001 13649.999

各组分流量（kg/h）

CH4O 36350.000 36348.874 1.126

H2O 13650.000 1.127 13648.873

各组分质量分率

CH4O 0.727 1.000 83PPM

H2O 0.273 31PPM 1.000

三、利用灵敏度分析工具分析影响精馏塔分离效果的因素

灵敏度分析用于研究某一变量对目标值的影响，通过绘图工具可将结果绘制成曲线，使变量间的关系更加形象，而且灵敏度分析模块并不影响流程模拟，是独立于基础工况模拟而运行的。

甲醇-水一级精馏塔的目标是分离甲醇和水，尽量提纯甲醇，因此塔顶馏出物中应尽量少含水，让水从塔釜排出。在精馏塔压力、塔盘类型以及塔板数已知的情况下，影响分离效果的因素主要有进料板位置和回流比。利用灵敏度分析工具可以很容易的找到最佳进料板位置和适宜的回流比。将塔顶馏出物中水的流量作为目标，分别将进料板位置和回流比设为变量，定义变量范围和步长，运行模拟计算即可得到结果，然后通过绘图工具作图，见图1，图2。

图1：进料板位置对分离效果的影响

图2：回流比对分离效果的影响

从图1中可以看出塔顶馏出物中水的流量随塔板数的增加先减少后增加，为使塔顶馏出物中水量最少，在图上很容易找到在25块板附近即为最佳的进料板位置。

在满足分离效果的情况下，应尽量减小回流比以减少能耗，从图2可以看出塔顶馏出物中水的流量随回流比的增加先急剧下降，然后变得平缓。在平缓区增大回流比对减少塔顶水量已不明显，结合分离效果和能耗选择回流比2较适宜。用同样方法也可以做出塔釜再沸器热负荷随回流比变化的影响，见图3。

图3：回流比对塔釜再沸器热负荷的影响

四、利用绘图向导作精馏塔辅助曲线图

Plot Wizard是一个方便实用的绘图工具，采用向导式指引使用者一步步完成绘图，提供的常用曲线图可以帮助加深了解精馏塔内组分的分离情况、温度分布、用能情况等，见图4、图5、图6、图7。

图4：甲醇、水在精馏塔内的分布情况

图5：精馏塔内的温度分布情况

图6：精馏塔内温焓图

图7：精馏塔内能耗分布

五、结语

使用ASPEN PLUS模拟精馏塔，选择合适的物性方法和合理的参数输入就能得到和实际相接近的数据结果。使用灵敏度分析模块并结合绘图工具能帮助使用者选取适宜的参数，从而优化设计。ASPEN PLUS功能还有很多，比如模拟反应器、机泵、换热器等，以及全厂物料计算，公用工程消耗计算，配合辅助工具还可对全厂的用能分析并优化。正因为其强大的功能，目前正被越来越多的用户使用，在设计中发挥的作用也越来越大，是设计工作者的有力助手。