ASPEN软件模拟在分离中的应用

ASPEN软件模拟在分离中的应用工艺092刘峰030091054当前化学研究已达到分子设计的水平，化工生产和管理也多采用计算机控制。计算机进入化学化工领域后，在帮助深入研究化学基础理论呵促进化工生产方面都显示出强大的作用流程模拟是将一个由多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果如操作条件等。这一方法是计算机技术在化工方面最重要的应用之一。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模拟技术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工模拟中，它已成为一种普遍采用的常规手段而广泛应用于化工过程的研究开发；设计生产过程的控制、优化及技术改造等方面。各种软件的模拟计算不但大大减少了计算工作量，也便于对工艺条件进行优化，其主要的代表Aspen，PROⅡ，ChemOffice。同时应用这些流程模拟软件，还可确定工艺操作条件，优化操作参数，比较直观的看到各种参数条件下的分离的效果与塔的状态。先简要介绍ASPENPLUS软件的功能，再举例介绍该软件在各类分离工艺中的应用。1ASPLEN软件的功能概述ASPENPLUS是世界性标准流程模拟软件，也是国际上功能最强的商品化流程模拟软件，这套软件系统已广泛应用于石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品加工等许多工业领域。使用ASPENPLUS工作页面可以建立、显示模拟流程图及PFD—STYLE绘图。这款流程模拟软件主要具有以下六项功能：建立基本流程模拟模型、灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归[1]。在AspenPlus中关于精馏的模块有：（1）简捷法模型：包括DSTWU（简捷法精馏设计模型）、Distl（简捷法精馏核算模型）、SCFrac（简捷法多塔蒸馏模型）；（2）严格法模型：Radfrac（严格法精馏模型）、MultiFrac（严格法多塔精馏模型）、PetroFrac（严格法分馏塔）、RateFrac（精馏的核算与设计模型）、Extract（严格萃取塔模型）[2]。例如ASPENPLUS的RADFRAC模块是一个严格模型，可用于模拟所有类型的多级气、液分离操作，如普通精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等。适用体系包括气—液两相传质体系，气—液—液三相传质体系，窄沸程和宽沸程传质体系等。对气、液两相存在强非理想物系和理想物系都有良好的模拟效果。使用ASPEN中的灵敏度分析工具可以方便地确定过程对关键操作变量和设计变量的响应，即一个或多个流程变量变化对其他流程变量造成的影响。使用灵敏度分析工具，进行不同工艺参数条件下的对象特性的研究，从而得出最佳的操作参数[3]。2ASPLEN软件的具体应用2.1常规精馏塔分离工艺计算过程中最常见的就是对精馏塔分离，以ASPEN在二甲醚精馏塔的模拟与优化为例。汽相甲醇脱水法生产DEM具有操作简单，自动化程度高，排放量少的工艺特点，其工艺生产过程包括甲醇加热、蒸发、甲醇脱水、甲醚冷却、粗甲醚精馏。从反应器出来的气体含有二甲醚、未反应的甲醇、水等物质，它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或气液两相共存。三组分的混合体系，至少要采用两个精馏塔，即一个二甲醚精馏塔和一个甲醇回收塔来将三种物质分离。整个流程采用AspenPlus进行模拟，采用的热力学方法是UNI-QUAC。作一个精馏塔的模拟必须确定以下条件[4]：（1）进料性质（包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等）和进料位置；（2）出料性质（包括相数等）和出料位置；（3）塔的性质。如塔板数、塔的压力分布、RR（回流比）和RD（VDV/V气相产品占塔顶总产品的比率）或D（塔顶出料）、B（塔底出料）、Li（回流量）等。图2.1模拟流程图Figure2.1SimulationFlowchart首先确定反应流程，如图2.1，根据各物料的特性及产品产率要求，设定系统压力，分析理论板数、进料板位置和回流比与分离效果的关系。结合模拟出的几个参数条件下的影响关系图可以得知，当理论板数一定时，回流比随进料板位置变化出现最小值，这说明进料板存在最佳位置，使得该塔达到分离效果时需要最小的回流。随着理论板的增加，达到分离要求的最佳进料板位置也相应发生变化，从而可以确定最佳进料位置。当理论板数增加到一定数目达到分离要求，继续增加对分离效果增加不明显的话，考虑投资成本即可确定理论板数。同样改变回流比，模拟结果，当回流比低于一定值时，产品纯度达不到分离要求；回流比增大，塔顶产品的纯度得到了提升；当回流比大于某数值时，曲线趋于平直，说明再增大回流比对分离效果的提高不大[5]。2.2旋转填料床分离旋转填料床技术是一种新型强化传递过程的技术，通过高速旋转的床体产生强大的离心力场模拟超重力环境，气—液、液—液和液—固两相在超重力环境下填料的孔道中流动接触，巨大的剪应力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，微观混合和传质过程得到极大强化，单位设备体积的生产效率与传统塔设备比较，提高了1～2个数量级。Flowsheet是ASPENPLUS最常用的运行类型，可以使用基本的关系式，如质量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。在ASPENPLUS的运行环境中，只要给定合理的热力学数据、实际的操作条件和严格的ASPENPLUS平衡模型，就能够模拟实际装置，并帮助设计和优化现有的装置和流程。用其前三大功能对乙醇—水体系的精馏进行了建模，结合ASPENPLUS的使用特点，建立旋转填料床模型。以该模型为基础建立旋转填料床精馏过程模型[1]。在采用ASPENPLUS建模中，选择接近的物性方法是决定模拟结果精确度的关键步骤。设计好流程后规定计算全局信息和组分，选择NRTL—HOC物性方法，再规定物流和单元操作模块，最后输入FORTRAN计算模块，这时状态栏会提示InputCompleted，在NEXT引导下就可以计算运行了。整个精馏工艺是一个复杂的过程，由于进料特性、设备特性以及用户要求等诸多原始条件的影响，每一套精馏装置都存在一定差异，很难就其某一细节进行比较。可着重对主要参数进行分析比较，模拟分析对精馏效率的影响因素。使用ASPENPLUS中的灵敏度分析工具，可以方便的确定过程对关键操作变量和设计变量的响应，如进料位置分析，回流比分析，馏出比分析。2.3变压吸附分离同样，ASPENPLUS对其他的分离方式也能有很好的模拟，例如变压吸附分离过程原理简单、控制方便、自动化程度高，能量消耗低等优点，因此在工业上得到广泛的运用。通过计算机模拟的方法可以描述化工分离或者反应过程，解释过程中现象，甚至直接利用模拟的结果辅助工业设计和优化。参照变压吸附气固相平衡图，利用ASPENADSIM流程模拟软件建立一个虚拟的三组分体系单塔变压吸附分离模拟模型，模拟流程图如图2.2。图2.2模拟所用的模拟流程图Figure2.1SimulationsusedintheSimulationFlowChart分别以A、B、C代表混合气体中的轻组分、中间组分、重组分，假设气体为理想气体。设置的吸附塔尺寸，通过模拟变压吸附过程中塔内吸附剂对不同组分的吸附量的动态变化过程，描述整个过程中的每一步的塔内的吸附动态。模型模拟得到了塔内气相组成、出口浓度、塔的压力状态等的动态结果，揭示了在升压、吸附、降压、冲洗等步骤中吸附塔内气相的变化过程，很好的描述了变压吸附分离过程。再通过对变压吸附分离过程中塔内吸附动态进行模拟，可解释常见变压吸附过程的塔内的分离原理[6]。3小结以上几种只是举了分离应用中的一些例子，就可以足以说明，充分合理利用ASPEN软件，能方便快捷地应用于分离的设计和操作分析，而且可以节省大量的人力物力资源，大大提高工作效率。同时可以与模型计算结果相拟合，证明模拟的正确性。参考文献[1]陈健,刘有智.用ASPENPLUS软件模拟旋转填料床精馏操作的探讨[J].当代化工,2009,38(1):17-23.[2]张东彦,吴幼青,高晋生.甲基萘烷基化产物的Aspen精馏分离模拟[J].华东理工大学学报,2008,34(5):641-645.[3]石东坡.甲醇双塔精馏流程的模拟与分析[J].广州化工,2009,37(5):202-204.[4]赫钢.AspenPlus在LPG气体分离塔校核中的应用[J].中国造船,2008,49(2):454-463[5]王洪林.二甲醚精馏塔的模拟与优化[J].广西轻工业,2009(2):14-19.[6]何东荣,周向辉,张东辉.利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程[J].天然气化工:C1化学与化工,2009,34(3):11-15.