【正文】 工費用 ,縮短開工時間； (3) 在科研開發(fā)中用過程模擬系統(tǒng)進行小試之后中試之前的概念設(shè)計； (4) 在新過程設(shè)計中工廠在不同的操作條件下的性能評價； (5) 在節(jié)能上 ,用“夾點技術(shù)”對一般化工廠能量回收系統(tǒng)進行分析 ,可以實現(xiàn)節(jié)能20%～ 30%； (6) 分析裝置“瓶頸” ,為設(shè) 備檢修與設(shè)備更換提供依據(jù) [2]。 ASPEN PLUS 流程 模擬 軟件 簡介 ASPEN PLUS是大型通用流程模擬系統(tǒng)， 源起于美國能源部于七十年代后期在麻省理工學院組織會戰(zhàn)，要求開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。這個項目稱為 “先進過程工程系統(tǒng) ” （ Advanced System for Process Engineering） 簡稱 ASPEN。 這一大型項目由MIT主持、能 源部資助、 55個高校和公司參與開發(fā)。 這一大型項目于 1981年底完成。 1982年 Aspen Tech公司成立將其商品化，稱為 ASPEN PLUS。成為全世界公認的標準大型流程模擬軟 件，用戶接近幾千個。 全世界各大化工、石化生產(chǎn)廠家及著名工程公司都是 ASPEN PLUS的用戶。它以嚴格的機理模型和先進的技術(shù)贏得廣大用戶的信賴，它具有以下特性： 第一， ASPEN PLUS使用最新的軟件工程技術(shù)通過它的 Microsoft Windows圖形界面和交互式客戶 服務(wù)器模擬結(jié)構(gòu)使得工程生產(chǎn)力最大。 第二， ASPEN PLUS擁有精確模擬范圍廣泛的實際應(yīng)用所需的工程能力， 這些實際應(yīng)用包括從煉油到非理想化學系統(tǒng)到含電解質(zhì)和固體的工藝過程。 ASPEN PLUS是基于序貫?zāi)K法的穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件， 具有完備的物性數(shù)據(jù)庫 ， 內(nèi)含1773種有機物、 2450種無機物、 3314種固體物、 900種水溶電解質(zhì)的基本物性參數(shù)，具 3 有豐富的狀態(tài)方程和活度系數(shù)方法 。 ASPEN PLUS 是唯一獲準與 DECHEMA 數(shù)據(jù)庫接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計二十五萬多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與 ASPEN PLUS 系統(tǒng)連接。 ASPEN PLUS 產(chǎn)品線比較長，集成能力很強 。它 是 ASPEN 工程套件（ AES）的一個組份。 AES 是集成的工程 產(chǎn)品套件，有幾十種產(chǎn)品。以 ASPEN PLUS 的嚴格機理模型為基礎(chǔ) ，形成了針對不同用途、不同層次 的 AspenTech家族軟件產(chǎn)品，并為這些軟件提供一致的物性支持。 在實際應(yīng)用中， ASPEN PLUS可以幫助工程師解決快速閃蒸計算、設(shè)計一個新的工藝過程、 查找一個原油加 工裝置的故障或者優(yōu)化一個乙烯全裝置的操作等工程和操作的關(guān)鍵問題。 流程模擬的優(yōu)越性有以下幾點： （ 1） 進行工藝過程的能量和質(zhì)量平 衡計算； （ 2） 預(yù)測物流的流率、組成和性質(zhì)； （ 3）預(yù)測操作條件、設(shè)備尺寸； （ 4） 縮短裝置設(shè)計時間，允許設(shè)計 者快速地測試各種裝置的配置方案； （ 5） 幫助改進當前工藝； （ 6） 在給定的限制條件內(nèi)優(yōu)化工藝參數(shù) ； （ 7） 輔助確定工藝約束部位 (消除瓶頸 )； （ 8） 回答 “ 如果 ? 那會怎樣 ” 的問題 [3]。 ASPEN PLUS根據(jù)模型的復(fù)雜程度，支持規(guī)模工作流?？梢詮暮唵蔚?、單一的裝置流程到巨大的、多個工程師開發(fā)和維護的整廠流程。分級模塊和模板功能 使 模型的開發(fā)和維護非常簡單。 ASPEN PLUS 提供了單元操作模型到裝置流程模擬。這些模型的可靠性和增強功能已經(jīng)經(jīng)過 20多年經(jīng)驗的驗證和數(shù)以百萬計例子的證實。 ASPEN PLUS 在整個工藝裝置的從研發(fā)、工程到生產(chǎn)生命周期中，提供了經(jīng)過驗證的巨大的經(jīng)濟效益。它將穩(wěn)態(tài)模型的功能帶到工程桌面，傳遞著無與倫比的模型功能和方便使用的組合。利用 ASPEN PLUS，公司可以設(shè)計、模擬、瓶頸診斷和管理有效益的生產(chǎn)裝置 。 本設(shè)計中用到的 RadFrac— 嚴格法精餾 單元模塊介紹 RadFrac 是一個嚴格模型用于模擬所有類型的多級氣 液精餾操作 ， 這些操作包括 ：（ 1） 一般精餾 ； （ 2） 吸 收； （ 3） 再沸吸收 ； （ 4） 汽提 ； （ 5） 再沸汽提 ； （ 6） 萃取和共沸蒸餾 。 4 RadFrac適用于 ： （ 1） 兩相蒸餾體系 ； （ 2） 三相蒸餾體系 ； （ 3） 窄沸程和寬沸程體系 ； （ 4） 液相具有非理想性強的體系 。 在塔的任何地方 RadFrac可以檢測和處理游離水相或其它第二液相 RadFrac可在每級上處理固體 ； RadFrac可以處理離開任何級并 返回到同一級或一個不同的級的中段回流 ； RadFrac可以模擬發(fā)生化學反應(yīng)的塔 反應(yīng)有固定轉(zhuǎn)化率或它們是： （ 1） 平衡 ； （ 2）流率控制 ； （ 3） 電解質(zhì) 。 RadFrac也可以模擬帶有兩個液相和化學反應(yīng)同時發(fā)生的塔 ， 對兩個液相使用不同的反應(yīng)動力學 。 另外 RadFrac也可以模擬鹽析出 。 盡管 RadFrac假定為平衡級你可以規(guī)定 Murphree效率或蒸發(fā)效率可以利用 Murphree效率滿足裝置性能 ； 可以使用 RadFrac去設(shè)計和核算有塔板和 /或填料組成的塔 RadFrac可以模擬亂堆填料和規(guī)則填料 。 主要研究內(nèi)容 本論文在對 乙 醇、水、 苯 混合體系的熱力學性質(zhì)進行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用化工模擬軟件 ASPEN PLUS， 以 NRTLRK[4]方程作為物性計算方法， 對 乙 醇、水、 苯 混合物的分離過程進行了模擬計算， 塔底產(chǎn)品中 乙醇 、 苯 和 水的含量達到分離要求 ， 以系統(tǒng) 分離效果最 佳 為目標，對 精餾塔的 重要工藝參數(shù) ： 回流比、 夾帶劑的進料量 、塔板數(shù)、 夾帶劑 的進料位置 進行了優(yōu)化，通過模擬分析確定了 理想的工藝參數(shù)。 2 乙醇 、水、 苯 體系 恒沸 精餾過程的 模擬 生產(chǎn)任務(wù) 及 工藝參數(shù) 乙醇 水的混合物的處理量為 800t／ y， F F2 的進料溫度 為 25℃ ,進料壓力 為。 物料組成如表 21 所示 。 表 21 物流 工藝參數(shù) 項 目 乙醇 水 苯 進 料 F1 組成（ %W） — 進料 F2 組成（ %W） 塔底出料 （ %W） ≥ 99% — ≤ 50ppm 5 過程模擬 模擬流程 的建立 在 ASPEN PLUS 軟件操作界 創(chuàng)建 RADFRAC精餾塔模塊 ， 根 據(jù)設(shè)計要求， 我們 繪制 兩股進料、塔頂和塔底兩股出料， 進料物流 分別 命名為 F1 和 F2。其中 F1 是 100 ㎏／ h 乙醇 水 的混合物， 其質(zhì)量分率組成為：乙醇 %，水 %。 F2 為 57 ㎏／ h 含苯、乙醇和水的混合物 ， 其 質(zhì)量分率 組成為 ： 苯 %，乙醇 %，水 1%。 塔底出料物流命名為 W， 要求乙醇含量 ≥ 99%，苯殘留量 ≤ 50ppm。 塔頂出料物流命名為 D， 設(shè)置 如圖21。 圖 21 工藝 流程圖 設(shè)置全局信息 進入 模塊 設(shè)置頁面，對 ASPEN PLUS 做全局設(shè)置、定義數(shù)據(jù)輸入輸出單位等 ，具體設(shè)置 如圖 22。 ASPEN PLUS 提供了英制、公斤米秒制、國際單位制三種單位制，輸入數(shù)據(jù)可以在輸入時改變單位， 輸出報告則按在此選擇的單位制輸出。系統(tǒng)自身有一套默認的設(shè)置。 也可以根據(jù)要求來自己修改或定義包括單位及其他全局設(shè)置 [5]， 在這里 選 SICBAR 單位制，其他使用系統(tǒng)默認的設(shè) 置。 具體設(shè)置 如圖 22。 6 圖 22 全局信息設(shè)置 圖 定義物流組分 在“ Components/Specifications”頁面下 規(guī)定 組分 為 乙醇、 水 、苯 ， 如圖 23。 圖 23 組分定義 圖 7 定義物性方法 物性方法是一批方法和模型， ASPEN PLUS 用它們計算表熱力學物性和遷移性質(zhì)。 可采用的物性方法有理想物性方法、狀態(tài)方程物性方法、活度系數(shù)物性方法、專用系統(tǒng)的物性方法等。 由于乙醇、水的混合物屬于非理想體系， 在 本文中我們選用的 物性方法為NRTLRK（ NRTL 為液相活度系數(shù)方法， RK為氣相活度系數(shù)方法） ，具體設(shè)置 如圖 24。 圖 24 物性方法定義 圖 定義 進料物流 參數(shù) 對于所有的進料物流，必須規(guī)定流率、組成、熱力學狀態(tài)。設(shè)置 F1 的初始估值為：進料溫度 20℃ ，壓力為 ,進料流量為 100㎏／ h， 各 組分質(zhì)量分率 參數(shù) [6]為水 ,乙醇 ，具體設(shè)置 圖 25。 圖 25 F1參數(shù)設(shè)置圖 8 設(shè)置進料物流 F2 的初始估值為：進料溫度 20℃ ，壓力為 ,進料流量為 57㎏／ h， 各組分質(zhì)量分率參數(shù) 為水 ,乙醇 ，苯 ，具體設(shè)置 圖 26。 圖 26 F2參數(shù)設(shè)置圖 定義 模塊 參數(shù) 全局信息設(shè)置、組分、物性方法、在 RadFrac 模塊設(shè)置選項下輸入精餾塔 塔板數(shù)為選擇冷凝器為全凝器、采用 釜 式再沸器， 收斂方法采用 標準 方法 [7]， 在操作規(guī)定下規(guī)定 餾出物質(zhì) 量流率為 69 ㎏ /h，回流比為 26， 設(shè)置界面如 圖 27。 圖 27 模塊參數(shù) 設(shè)置 圖 9 設(shè)置 F1 和 F2 均從第 6 塊板加料，設(shè)置界面如圖 28。 圖 28 進料位置設(shè)置 圖 在 Radfrac/pressure 下， stage1/condenser pressure 項中 規(guī)定 塔頂 冷凝器壓力為 ，在 stage pressure drop 項中輸入 塔板 壓降為 ， 設(shè)置 界面如 圖 29。 圖 29 塔壓設(shè)置 圖 10 默弗里效率 能直接反映單獨一塊塔板上傳質(zhì)的優(yōu)劣。 在 efficiencies/options 頁面下 規(guī)定 效率類型（ efficiency type）為默弗里效率（ murphree efficiencies），方法（ method）為規(guī)定全塔的效率（ specify efficiencies for column sections），完成界面如圖 210。 圖 210 默弗里效率設(shè)置 圖 在 efficiencies/vaporliquid 頁面規(guī)定 全塔的默弗里效率為 ，如圖 211。 圖 211 塔效率設(shè)置圖 11 運行模擬 數(shù)據(jù)輸入完成后 運行程序， 結(jié)果狀態(tài)顯示“ Results Available”，即結(jié)果可用 [8]，如圖 212。 圖 212 結(jié)果輸出圖 運行完成后，可以查看 streams、 blocks 等計算結(jié)果 [9]，冷凝器 的溫度和熱負荷如圖 213。 圖 213 冷凝器結(jié)果圖 12 再沸器的溫度和熱負荷 如圖 214。 圖 214 再沸器結(jié)果圖 結(jié)果優(yōu)化 優(yōu)化設(shè)置 在目錄樹中選 Model Analysis Tools 下的 sensitivity 選項對輸出結(jié)果進行靈明度分析 [10]， 設(shè)置如圖 215。 圖 215 乙醇純度 優(yōu)化設(shè)置圖 13 以 夾帶劑（ F2） 的進料量為優(yōu)化對象，設(shè)置其上限為 50㎏／ h，下限為 70 ㎏／ h，具體設(shè)置 如圖 216。 圖 216 苯進料量 優(yōu)化設(shè)置圖 以摩爾回流比為優(yōu)化對象，設(shè)置其上限為 1，下限為 30，具體 設(shè)置 如圖 217。 圖 217 回流比 優(yōu)化設(shè)置圖 14 以 夾帶劑（ F2） 的進料位置為優(yōu)化對象，設(shè)置其上限為 1，下限為 20， 具體設(shè)置 如圖 218。 圖 218 F2進料位置優(yōu)化設(shè)置圖 以精餾塔塔板數(shù)為優(yōu)化對象，設(shè)置其上限為 1，下限為 30， 具體設(shè)置 如圖 219。 圖 219 塔板數(shù)優(yōu)化設(shè)置圖 15 優(yōu)化分析 靈敏度分析是檢驗一個過程如何變化的關(guān)鍵操作變量和設(shè)計變量反應(yīng)的一個工具 ?？梢杂盟淖円粋€或多個流程變量并研究該變量對其它流程變量的影響。是做工況研究的一個最有用的工具?？梢杂渺`敏度分析 來驗證一個設(shè)計規(guī)定的解是否 在操作變量的變化范圍內(nèi)，還可以用它做簡單的過程優(yōu)化，是優(yōu)化后的變量更適合工業(yè)生產(chǎn)。 在最佳操作參數(shù)下生產(chǎn)，能夠節(jié)省能耗，從而保證最少的消耗，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。本文以 100 ㎏／ h 乙醇和水混合物 進料為基準，以苯為 夾帶劑 ，通過計算機模擬計算，考察 恒沸 精餾操作的幾個重要工藝參數(shù)對目標產(chǎn)品的影響，最終得到最佳工藝操作參數(shù)。 (1) 夾帶劑（ F2） 進料量的影響 圖 220 是在一定的加熱負荷、回流比 下 ， F2 的加入量 對塔底乙醇濃的影響，從圖中可以看出，隨著 F2 加入量的增大 ,乙醇濃度先增大后 減小， 當 F2的進料量達到 58 ㎏／ h 時 ， 乙醇濃度最大達到 %， 由此可以得到 F2的最佳進料量為 58 ㎏／ h 時 ,乙醇水 恒沸體系 可