Aspen Plus在精馏实验中的模拟优化

李惠成，刘凯凯，李小菊，于春柳，康进科

(陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000)

精馏是化工生产中应用非常广泛的一种单元操作。在精馏塔的实际运行过程中，由于操作条件的波动，其分离效果和生产能力经常发生变化，因此精馏塔操作性能的分析是化工原理的重要教学内容。由于影响精馏分离的因素很多且呈非线性关系，使此类问题颇为复杂和灵活，成为化工原理的教学难点。利用模拟软件解决上述精馏操作型问题是一条非常有效的捷径，不仅能加深对精馏单元过程的理解，而且有助于提高学生利用流程模拟优化技术解决工程实际问题的能力。Aspen Plus是一种通用型化工流程模拟软件，可用于单元过程及化工流程的模拟、设计和优化，具有界面友好、工作效率高、结果准确、功能齐全等优点，目前已在全世界范围内广泛使用[1-2]。

1 精馏实验装置及实验结果

1.1 实验装置简介

实验装置采用的是筛板塔，共10块塔板，塔身内径为50 mm的不锈钢管制成。其中，第二段和第九段采用耐热玻璃材质，可便于观察塔内气、液相流动状况。其余塔段做有保温。降液管由外径为8 mm的不锈钢管制成。筛孔直径2 mm。塔内装有铂电阻温度计，用来测定塔内气相温度。塔顶物料蒸汽和塔底产品在管外冷凝并冷却，管内通冷却水。塔釜采用电加热[3]。

图1 精馏实验装置流程图Fig.1 Flow chart of rectification experimental unit

混合液体由储料罐经进料泵、进料阀直接(由高位槽转子流量计计量)进入塔内。塔釜装有液位计用于观察釜内存液量。塔底产品经过冷却后经由平衡管流出。回流比调节器用来控制回流比，馏出液储罐接收馏出液。回流比控制采用电磁铁吸合摆针方式来实现[4]。

1.2 实验物系和条件

①实验物系：乙醇-正丙醇；

②实验条件：混合液配比乙醇质量分数为20%～25%；

③进料条件：进料温度为25 ℃，进料量2～4 L/h，回流比设置范围R= 4～∞，本实验取进料量3 L/h，回流比为4。

1.3 实验过程温度分布

图2 塔板温度分布图Fig.2 Temperature distribution of tray

1.4 精馏分离结果

经精馏实验后得出部分回流分离结果如表1所示。

表1 部分回流分离的结果Table 1 Results of partial reflux separation

利用实验数据和公式以及梯级图解法对部分回流时塔板效率计算可得到：

图3 理论塔板数Fig.3 Number of theoretical trays

即部分回流时全塔效率为61.2%，效率偏低。

2 Aspen Plus模拟优化

2.1 物系平衡数据及其相图[5-8]

实验中的乙醇-正丙醇t-x-y平衡相图如图4所示。

乙醇沸点：78.3 ℃，正丙醇沸点：97.2℃。

图4 乙醇-正丙醇t-x-y相图Fig.4 T-x-y Phase diagram of ethanol-n-propanol

2.2 模拟流程

在Aspen Plus软件中建立流程模拟对精馏过程进行模拟[9-10]，如图5所示。

图5 模拟流程图Fig.5 Simulation flow chart

2.3 精馏模拟中的条件及物性参数

在建立如图5所示的流程图后，开始模拟过程。设计乙醇-正丙醇精馏塔分离条件，其冷凝器压力为95 kPa，再沸器压力为105 kPa，进料量为3 L/h，温度25 ℃，压力为101 kPa，混合物体系中质乙醇质量含量为20%，塔顶产品乙醇回收率不低于80%，塔底产品正丙醇回收率不低于85%，选用NRTL-RK物性方法。

2.4 模拟结果及数据处理

根据我们做的乙醇-正丙醇二元体系连续精馏实验，可以从两方面对此实验进行优化，分别为给定回流比的情况和给定塔板数的情况。

2.4.1 设定回流比

当设定回流比R=4，设置参数完成后进行模拟得到结果。

从模拟结果可得出最小回流比为1.637，实际回流比4，最小理论板数7，理论板数9，进料位置为第6块板，塔顶产品与进料摩尔比(Distillate to feed fraction)为0.297。随后在Aspen plus中生成回流比随理论板的变化表，作出回流比与理论板的关系曲线，如图6所示。

合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择，当回流比R=4时，从图6可得出合理的理论塔板数应大于10块(试验所采取的精馏塔塔板数为10块)，接近于13块。

图6 回流比与理论板数关系曲线Fig.6 Relation curve between reflux ratio andnumber of theoretical plates

利用Aspen Plus的灵活性作出精馏塔内的温度分布图，以及各塔板上的含量组成图，并与实验结果进行比较，得到更好的实验操作条件。模拟结果显示塔内各部分含量分布结果，其中塔顶产品中乙醇的质量纯度为80.10%，塔底产品正丙醇的质量纯度为98.00%，同时显示塔内的温度分布结果，绘制出塔内温度分布曲线和组成分布曲线如图7、图8所示。

图7 塔内温度分布曲线Fig.7 Temperature distribution curve in the tower

图8 塔内液相组成分布曲线Fig.8 Composition and distribution curve of liquid phasein the tower

2.4.2 设定塔板数

当设定塔板数为10块，设置参数完成后进行模拟得到模拟结果。从结果可得出最小回流比为1.637，实际回流比2.90，最小理论板数7，实际塔板数10，进料位置为第7块板，塔顶产品与进料摩尔流率比为0.296。随后在Aspen Plus中重复前面2.4.1里面的操作，作出回流比与理论板的关系曲线，如图9所示。

图9 回流比与理论板数关系曲线Fig.9 Relation curve between reflux ratio and number oftheoretical plates

当塔板数一定时，从图9可得结论，若要使精馏效果更理想，合理的塔板数应为13块，与前一次回流比R=4时模拟结果一样。继续模拟，得出塔内的各部分含量分布结果，物流结果显示塔顶产品乙醇的质量纯度为69.23%，塔底产品正丙醇的质量纯度为97.30%。

2.4.3 比较回流比一定与塔板数一定时的模拟结果

从以上模拟分析我们可得出当回流比为定值R=4时的模拟结果与塔板数为10块时的模拟结果，当回流比为4时，塔顶产品中乙醇的质量纯度80.10%，塔底产品正丙醇的质量纯度为98.00%；当塔板数为10块时，塔顶产品乙醇的质量纯度为69.23%，塔底产品正丙醇的质量纯度为97.30%。对两组结果进行比较，很显然当确定回流比为4时得到的产品纯度更高，更能提升实验的准确性。

2.5 灵敏度分析最佳进料位置

在进行完前面两组比较后，我们选择回流比R=4时的模拟结果继续进行优化，在Aspen plus模拟中建立灵敏度分析任务，对乙醇-正丙醇体系进行参数设置后绘制出不同理论板数时再沸器热负荷随进料位置的变化曲线，见图10。

图10 不同理论板数时再沸器热负荷随进料位置的变化Fig.10 Changes of heat load of reboiler with feed positionat different theoretical plates

从图10可以看出，随理论板数增加，曲线的最小值减小，当塔板数为10块时，最佳进料位置为第6块板，即最佳进料位置时的热负荷减少，操作费用减少，但是塔的制造费用增加。

3 结 论

本次模拟主要是利用Aspen软件对《化工原理实验》的筛板精馏实验进行了连续精馏模拟，得到如下模拟结果：

(1)当实际回流比R=4时，最小回流比为1.637，最小理论板数板数7，进料位置为第6块板，进一步进行数据处理可得到塔顶产品与塔底产品的含量，塔顶产品中乙醇的质量纯度为80.10%，塔底产品正丙醇的质量纯度为98.00%。

(2)当塔板数规定为10块时，最小回流比为1.637，实际回流比2.90，最小理论板数7，实际塔板数10，进料位置为第7块板，与R=4时的结果一样，进一步处理数据作出塔内产品含量结果，得到塔顶产品乙醇的质量纯度为69.23%，塔底产品正丙醇的质量纯度为97.30%。

以上两种结果比较后得出，当确定回流比为4时得到的产品纯度更高，更能提升实验的准确性。

(3)在Aspen plus模拟中建立灵敏度分析任务，对乙醇-正丙醇体系进行参数设置后绘制出不同理论板数时再沸器热负荷随进料位置的变化曲线。从图10得到当塔板数为10块时，最佳进料位置为第6块。

从以上模拟可以看出，Aspen Plus 模拟速度快捷、方便。此外，已知条件通过模拟就可以确定精馏实验的操作参数。将Aspen Plus应用于化工实验教学和科研中，不但节约了实验成本，解决了试验设备台套数不足等问题，并且还将实际案例应用于实验设计中，使课程教学紧密贴近实际化工过程，开阔了学生的视野和自主创新能力。同时通过软件的学习，培养了学生应用计算机进行科学研究的能力。