AspenPlus模拟普通精馏塔分离优化

16.3.1 概述

精馏是工业上分离液体混合物最常用的方法之一，也是化工过程中最重要的一个单元操作。随着科学技术的进步，为节省能源和获得高纯度的产品，人们越来越倾向于采用复杂的精馏技术，例如，针对来源和组成不同的物料采用多股进料方法；为回收低冷级冷量或节省高等级热量采用了中间再沸器；为了节省高冷级冷量采用了中间冷却器；为在一个塔中获得多种产品采用了侧线采出；为节省加热蒸汽费用采用了热泵技术等。这些复杂精馏技术的采用使生产工艺在经济上更合理，在技术上更可靠，显示了极大的优越性。但是，由于新技术的大量采用，给精馏过程的设计和操作、控制也带来了一定的困难，譬如，所需的理论板数应该是多少，操作回流比应该多大，塔顶、塔底以及侧线的采出率应各是多少，用于控制操作的温度灵敏板在什么位置，灵敏板温度应控制在什么范围等，对于所有这些问题，工程技术人员必须要给出确切的答案。

对于两组分液体混合物的普通精馏分离，根据化工原理教材中的有关理论知识，可以方便地计算出理论板数、回流比、采出率等设计和操作参数。即使需要通过实验来测取某些数据，例如塔板效率等，也比较方便。然而，对于多组分物系的复杂精馏分离，无论是通过计算还是组织实验来确定所需的工艺参数，都要困难得多。

随着计算机技术和化学工程基础理论研究的发展，利用计算机模拟方法来替代复杂的化工过程计算和实验已成为可能。所谓计算机模拟（Computer Simulation），就是利用计算机对过程的数学模型进行数值求解，得到过程的有关参数和其他信息，因此，这一方法也称为数学模拟方法（Mathematical Model Simulation Method）。

利用计算机对过程进行模拟，其实质就是在计算机上进行实际过程的实验。这种方法不仅可以节省大量的人、财、物，而且能够更快捷、更全面地考察各种参数的改变对于过程的影响，还可以对全过程进行优化。

16.3.2 精馏过程的数学模型和模拟

根据计算的目的不同，精馏过程的模拟计算可以分为设计型计算和操作型计算两大类。设计型计算是在给定进料条件下，规定分离要求，确定所需的理论板数、经济上适宜的操作回流比和最佳进料位置；操作型计算是在给定了理论板数、回流比、进料位置等参数的情况下，计算塔顶、塔底产品的流量和组成。两种模拟计算的结果，均能得到精馏塔中各板上的浓度分布和温度分布。相比之下，操作型的计算方法更为成熟。

对于多组分物系的复杂精馏过程，现有的方法很难用于直接的设计计算。工程中较实用的方法是：先将过程简化为两（关键）组分物系的普通精馏，按照简捷法（即Fenske-Undewood-Gilliland-Hengstebeck法）初估理论板数、回流比、进料位置以及塔顶、塔底的采出率（或流量）等参数，然后根据设计要求调整上述参数，采用操作型方法反复进行较核计算，直至达到设计要求。

精馏过程的数学模型由“MESH”方程（组）构成，即(www.xing528.com)

M方程：物料衡算方程

E方程：相平衡方程

S方程：组分摩尔分数加和（归一）方程

H方程：焓衡算方程

所谓“模拟”，就是利用一定的数学方法求取上述联立方程组的数值解。根据方程的形式（代数方程或微分方程）不同，可将计算方法分为稳态法和非稳态法两大类。对于稳态的代数数学模型，又可根据求解方法的不同分为完全解耦法、部分解耦法和同时求解法三大类。常用的计算方法有三对角矩阵法（Tri-diangle Metrix Method），2N牛顿-拉弗逊法（2NNewtonRaphson），内-外层迭代同时求解法（Inside Out Algorithm）等。对于大部分精馏、吸收等分离问题，虽然还没有哪一种方法能够保证都成功，但通过灵活综合地运用现有的方法，已可以基本上解决目前工程上提出的各种问题。

AspenPlus是由美国麻省理工学院从1976年至1981年开发研制成功的化工过程系统模拟软件，其后经过不断完善，现已成为最新一代的化工过程模拟软件的代表。该软件可用来模拟设计的或正在运行的化工厂全工艺流程，除了能做详细的物料、能量衡算外，还能做设备尺寸计算、投资估算和成本分析。

本实验利用AspenPlus软件模拟一个普通精馏塔的分离过程，在进料条件和分离要求规定以后，通过模拟计算，求得适宜的理论板数、操作回流比、最佳进料位置、温度灵敏板位置和灵敏板温度以及全塔的流量和组成等参数。