ASPEN软件进行精馏塔设计.doc

1 引言1.1 ASPEN PLUS 概述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该软件经过 20 多年来不断地改进、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1.2 精馏塔概述精馏塔是 进 行 精 馏 的 一 种 塔 式 汽 液 接 触 装 置 ， 又 称 为 蒸 馏 塔 有 板 式 塔与 填 料 塔 两 种 主 要 类 型 根 据 操 作 方 式 又 可 分 为 连 续 精 馏 塔 与 间 歇 精 馏 塔 蒸 气 由 塔 底 进 入 蒸 发 出 的 气 相 与 下 降 液 进 行 逆 流 接 触 ， 两 相 接 触 中 ，下 降 液 中 的 易 挥 发 (低 沸 点 )组 分 不 断 地 向 气 相 中 转 移 ， 气 相 中 的 难 挥 发 (高沸 点 )组 分 不 断 地 向 下 降 液 中 转 移 ， 气 相 愈 接 近 塔 顶 ， 其 易 挥 发 组 分 浓 度 愈高 ， 而 下 降 液 愈 接 近 塔 底 ， 其 难 挥 发 组 分 则 愈 富 集 ， 从 而 达 到 组 分 分 离 的 目的 。

由 塔 顶 上 升 的 气 相 进 入 冷 凝 器 ， 冷 凝 的 液 体 的 一 部 分 作 为 回 流 液 返 回 塔顶 进 入 精 馏 塔 中 ， 其 余 的 部 分 则 作 为 馏 出 液 取 出 塔 底 流 出 的 液 体 ， 其 中 的一 部 分 送 入 再 沸 器 ， 加 热 蒸 发 成 气 相 返 回 塔 中 ， 另 一 部 分 液 体 作 为 釜 残 液 取出 1.2.1 精馏塔的分类气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813 年)、筛板塔(1832 年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如 S 型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。

a）筛板塔筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：(１ ) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的 60％，为浮阀塔的 80％左右２ ) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 10～15％３ ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右４ ) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30％左右筛板塔的缺点是：(１ ) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀２ ) 操作弹性较小 (约 2～3) ３ ) 小孔筛板容易堵塞b）浮阀塔浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中塔径从 200mm 到 6400mm，使用效果均较好国外浮阀塔径，大者可达 10m，塔高可达 80m，板数有的多达数百块浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：(１ ) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 20～40％，而接近于筛板塔。

２ ) 操作弹性大，一般约为 5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多３ ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右 (４ ) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为 400～660N/m2５ ) 液面梯度小 (６ ) 使用周期长粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的 60～80％,为筛板塔的120～130％1.2.2 精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽) 、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：(１ ) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象２ ) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽 )、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性３ ) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。

４ ) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易５ ) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修６ ) 塔内的滞留量要小实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型1.3 国内外发展现状Aspen Plus 过程模拟系统是目前是国外最先进的系统之一，可用于分析和优化现场生产和设计，也可以诊断现场故障以至发生故障的隐患国外的石油行业采用此系统作为标准系统，用于核算和设计（如埃克森、杜邦公司等）从 1979 年初开发成功 Aspen 并投入使用开始，经过后续的开发和完善工作正式推出 Aspen PlusAspen Plus 被广泛的用于化学和石油行业、发电、金属加工、食品、医药、生物工程、炼油工业等领域，在过程开发、过程设计、老厂房改造中也发挥着重要作用Aspen Plus在科研生产中同样有着许多应用，由于Aspen Plus软件的优越性在化工设计、模拟计算、生产优化等诸多领域有着广泛应用以甲醇和水分离为例进行模拟，甲醇水分离塔为低温甲醇洗装置降低系统水含量及降低外排废水中的甲醇含量所设计 [9-12]。

中石化早在2001年就引进和使用该软件，并在整个石化系统推广使用我国的用户目前有几十个，多以大型化工单位及国家级科研单位为主，如中石化、大庆集团、燕山石化公司、国家电网公司西安热工研究所等同时，我国许多高校和研究机构越来越注重Aspen Plus软件的应用，就此软件做了一些改进，取得了一些成果 [13]基于 Aspen Plus 工业系统流程软件，华东理工大学洁净煤技术研究所在气流床气化的洗涤冷却室性能模拟及烟分析中，，建立了气流床气化系统中的洗涤冷却室模型，模拟预测了入口合成气的温度、压力和洗涤冷却黑水的温度、水量等操作参数对洗涤冷却室出口合成气水汽比的影响，并对洗涤冷却过程进行了热力学分析模拟结果表明:入口合成气或洗涤黑水的温度升高使洗涤冷却室的温度升高，出口合成气的水汽比增大;出口合成气的水汽比随进口合成气的压力升高而减小;洗涤冷却室入口黑水流量增大，出口合成气的水汽比有所降低对洗涤冷却室的调分析的结果表明:随着洗涤冷却室室内压力增大和入口合成气温度的升高，洗涤冷却过程的调损失增大 [14]2 方案的选择设计条件及要求：1．处理量：50000t/年；2．料液组成（质量分数）：40%；3．塔顶产品组成（质量分数）：93.0%； 4．塔顶易挥发组成回收率：99.5%；5．年工作生产时间：330 天；6．全塔总效率：60%。

进料压力：125 kPa；操作压力：110 kPa；单板压降：≤0.7 kPa 回流比 0.8~2设计内容：1．设计方案的确定：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热式：塔底间接加热，塔顶全凝；（4）热能的利用；2．工艺计算：（1）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确定；（4）理论塔板数的确定；3．塔板及其塔的主要尺寸的设计：（1）塔板间距的确定；（2）塔径的确定（3）塔板的布置及其板上流流程的确定； 4．流体力学的计算及其有关水力性质的校核；5．板式精馏塔辅助设备的选型；6．绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图2.1 课题主要研究内容利用 Aspen Plus 软件当中的相关单元模块对精馏塔进行工艺设计，根据工艺计算结果进行结构设计，以及后续的校验基本原理：Aspen Plus 软件当中 DSTWU 模块可以用 Winn-Underwood-Gilliland 便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、最小理论塔板数、给定回流比下的理论塔板数和加料板位置同时Radfrac 模块联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，利用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果及校核。

设计要求：熟悉 Aspen Plus 流程模拟软件和精馏塔设计规范;利用 Aspen Plus 对精馏塔进行工艺设计；利用 Aspen Plus 对精馏塔进行结构设计和校验；绘制精馏塔装配图与相关零件图2.2 课题的研究方案此次设计采用 DSTWU 模块简捷法精馏设计和 Radfrac 严格法精馏设计对精馏进行工艺设计，然后进行结构设计和校验3 ASPEN PLUS 工艺流程模拟3.1 Aspen Plus 模拟精馏简介 （1）塔模型分类 做塔新流程模拟分析必须先进行简捷塔计算--- 塔的初步设计 . 计算结果为理论板数、进料位置、最小回流比、塔顶/釜热负荷 . 然后进行塔精确模拟分析，简捷塔计算结果做为精确计算的输入依据Aspen Plus 塔模型分类如下表 3.1表 3.1 Aspen Plus 塔模型分类. 模 型简捷蒸馏 DSTWU、 Distl 、SCFrac 严格蒸馏 RadFrac、 MultiFrac、 PetroFrac、 RateFrac （2）精馏塔的模拟类型 精馏塔的模拟类型可以分为设计式和操作式模拟计算. 可以通过定义模型的回流比进行设计型计算，又可以定义塔板数进行操作型计。

3）设计方案的确定本设计任务为分离水—甲醇混合物对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程该物系属易分离物系，最小回流比比较小，故操作比去最小回流比的 2 倍我们先用 DSTWU 模型对精馏塔进行设计型的简捷计算，然后，依DSTWU 模型计算的结果，用 RadFrac 模型对塔的一些具体尺寸进行计算3.2 ASPEN PLUS 精馏塔的简捷计算设计任务： 确定理论塔板数 确定合适的回流比DSTWU 精馏模型简介： DSTWU 可对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷精馏计算. DSTWU 假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度 DSTWU 规定与估算内容见表 3.2表 3.2DSTWU 规定与估算内容·规 定 目 的 其它结果 轻重关键组分的回收率 最小回流比和最小理论级数 理论级数 必需回流比 回流比 必需理论级数 进料位置、冷凝器、再沸器浏览汇总结果、物料和能量平衡结果、回流比对级数曲线3.2.1 定义模拟流程（a）创建精馏塔模块 在模型库中选择塔设备 column 标签点击该 DST。