Aspen Plus軟件在乙醇-水分離塔設計中的應用

賈憲勇，汪洋，王悅偉

（天津藥物研究院藥業有限責任公司，天津300301）

1 前言

精餾是化工和石油行業最主要的分離手段，但同時精餾也是耗能巨大，設備投資高昂的操作單元。一方面在給現代社會和人們提供各種生活所需如食物、熱量等，另一方面精餾每年所消耗的能量占整個石化生產過程耗能的40%～70%[1]。同時各國的研究人員也正在開展圍繞精餾塔的各種設計，分析以及優化方面的工作。隨著時代的發展，精餾過程的研究也逐步由之前廣泛應用的手算－圖表法過渡到目前的計算機輔助設計和建模。精餾分析和設計中所包含的氣－液相平衡迭代計算和逐板組分平衡問題的求解，比較適合采用數字計算的方法進行求解[2]。相比以前許多研究者以及工程師采用的是手寫程序并求解精餾塔穩態操作的非線性代數方程組以及描述其動態狀態的非線性常微分方程組。逐步地，隨著化學工業的成熟，許多像陶氏化學、美國UOP、德國巴氏夫等國際巨頭化學公司都各自設立研發部門開發各自內部使用的工藝模擬程序。而此時作為最重要的化工單元操作之一的精餾，必然成為大家進行開發和模擬的首要任務。1980年以來，像Aspen Plus這樣的對精餾和其他化工單元操作的穩態模擬等商業軟件逐步崛起并開始占領這一領域。

乙醇和水的分離在化工領域是非常常見的問題[3]。乙醇在常溫常壓下是一種易燃、易揮發的無色透明液體，低毒性，純液體不可直接飲用；具有特殊香味，并略帶刺激；微甘，并伴有刺激的辛辣滋味。易燃，乙醇蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，能與水以任意比互溶。能與氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多數有機溶劑混溶，相對密度為0.816。常壓下的沸點為78℃。乙醇的用途很廣，可用乙醇制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等[4]。醫療上也常用體積分數為70%～75%的乙醇作消毒劑等，在國防化工、醫療衛生、食品工業、工農業生產中都有廣泛的用途。

在常壓下,乙醇與水會形成一種均相的最低恒沸混合物。乙醇-水的Txy圖如圖1所示。由圖可知共沸沸點為78.14℃，其中乙醇的基于質量分數的共沸組成為95.49%，對應的水的組成則為0.0451。所以當工藝要求的乙醇質量分數低于95.49%時，因為不形成共沸物，故可采用普通精餾即可分離。而當需要將乙醇脫水制備更高濃度的乙醇時，因為有共沸物的存在，普通精餾就無法完成，需要采用特殊精餾的方法，如萃取精餾，變壓精餾、加鹽精餾或者共沸精餾[5～8]。本文中涉及的最終乙醇的質量分數為95%，所以僅僅采用普通精餾即可進行分離。本文旨在采用Aspen軟件對精餾分離乙醇和水的混合物進行建模模擬計算，并對進一步優化之后的工藝參數與原流程進行能耗分析與對比從而為實際的工藝流程與裝置的設計提供理論指導。

2 原料分析

首先對本文中涉及的兩種物料即乙醇和水進行物性分析。乙醇分子上乙基的非極性比甲醇的甲基要強。如圖1的Txy圖所示，確實能看出兩者之間存在一定的非理想性。兩者會形成一種均相共沸物。“共沸混合物”的指的是液相和氣相的組成相等[8]。當在精餾過程中出現共沸時，兩塊塔板之間的液相和氣相的組成不會發生變化，因此難以實現組分之間的分離。故當兩組分或者多組分之間的混合物之間存在共沸現象，一般的普通精餾會存在精餾極限而無法實現分離。其中共沸點的溫度為351.0K，比乙醇的沸點351.5K要低。但是本文中涉及的最終乙醇的質量分數為95%（小于共沸組成95.49%），所以僅僅采用普通精餾即可進行分離提純。

分離物料的進料條件以及產品純度的要求如表1所示。進料質量流量為100 kg/h、溫度25℃、為了方便進料后續的常壓塔進料，原料的壓力為略高于常壓，1.05bar，同時乙醇和水的質量分數分別為90%和10%。經分離，要求的乙醇產品的質量分數為95.0%。

圖1 乙醇-水的Txy圖

表1 分離物料的進料條件

3 過程模擬

針對乙醇水混合物的分離在Aspen軟件中先選擇精餾塔模型。模型選擇如圖2所示。并在模型上添加進出料流股。在流程結構已經設定完畢后。定義涉及此分離過程的化學品組成以及使用何種物性包。數值模型中考慮的是簡單二元體系中水中進一步提純乙醇至95.0%(小于共沸組成95.49%)。模擬的物性方法可采用NRTL-RK法。

圖2 乙醇-水混合物的模擬模型圖

工藝進料必須指定進料F1的各參數。其中要指定的是流量、組成、溫度和壓力等參數。進料條件設置如圖3所示。同時還需要設定精餾塔的設備參數。精餾塔的設備參數的設置如圖4所示。其中計算模型為平衡模型，總塔板數為50，塔頂冷凝器為全凝器，收斂方法選擇的是標準收斂方法。對于一個精餾塔而言，一旦進料、壓力、塔盤數、進料位置已經確定就只剩兩個自由度了。按照常用的設置，即確定餾出物流量和回流比。塔頂采出流率為90kg/h,以及質量回流比初步設置為10。當我們得到了收斂的結果以后，可以更改指定的變量值以滿足產品質量要求。對于該精餾塔的進料塔板位置，可將其先置于第20塊板上。后續優化過程中可以通過尋找能使最小化的熱公用工程量來對該進料板的位置進行優化。最后確定塔的壓力，依據乙醇分離的一般情況，塔壓設置為常壓1bar，而合理的塔板壓降大約為每塊板之間為0.0068atm。另外對于精餾塔設計的方便，并使得其能迅速達到分離目標，可結合使用Aspen的“DESIGN SPEC/VARY”功能。產品的雜質規格為：乙醇的質量濃度為95%。為了達到這個精確的產品規格，AspenPlus使用的是Design Spec/Vary功能。指定某些“控制”變量的值，本文為乙醇產品的質量濃度（95%），還要指定“調整”變量（回流比RR）。模擬程序就會試圖通過操控被調整變量使控制變量達到指定值。本文中設定的是回流比作為調控變量。

圖3 進料條件設置

圖4 塔參數設置

最終模擬過程在將迭代過程增加至200次是整個過程模擬收斂，并且乙醇產品的量也達到了95.0%。其余的結果如表2所示。其中最終的回流比RR=7.854,塔頂冷凝器熱負荷Qc=-0.204 MW,塔釜再沸器熱負荷Qr=0.209MW。

表2 乙醇-水分離模擬結果一覽表

4 模擬優化

4.1 總板數優化

乙醇和水的分離的精餾塔的溫度隨板數的變化圖如圖5所示，可知提餾段的部分有許多板是沒有分離效果的，如第21～35塊板可以進行節省。因此總板數可修改為50-15=35塊板。由模擬結果可知雖然板數得到了減少，但是此時RR=7.95，塔頂冷凝器的熱負荷Qc=-0.206MW，塔釜再沸器熱負荷Qr=0.211MW。相比于之前的分離方案，冷公用工程消耗增加了0.98%，熱公用工程增加了0.96%。

圖5 乙醇-水分離精餾塔溫度隨塔板的變化圖

4.2 進料位置優化

再沸器的熱公用工程消耗是對于大多數的精餾塔而言的最大的一項操作費用。當然，本文中的乙醇提純的精餾塔的塔頂冷凝器采用的是20℃的冷卻水進行冷卻，相比于價格昂貴的熱公用工程而言，冷卻水的費用比較低廉。但是拋開該分離過程，如果設計別的雙組分或者多組分分離過程中要涉及其他的制冷系統（如乙烯、丙烯等），則冷卻劑的費用也是需要認真衡量和考慮的。因為“design spec設計變量”的功能與靈敏度分析的功能存在沖突，所以可以換一種思路進行進料板位置優化。即可以采用當回流比固定時RR=7.95，通過靈敏度分析，選擇某進料板位置使得其乙醇的質量濃度最高。乙醇產品純度隨進料板位置變化關系圖如圖6所示。由圖6可知：當進料板位置設定為31時，乙醇產品純度最高。故優化后的進料板位置為31。

圖6 乙醇產品純度隨進料板位置變化關系圖

5 精餾塔尺寸設計估算

5.1 塔高估算

在精餾塔的設計中前期主要考慮的是塔徑和塔高的計算。已知精餾塔的塔板數，很容易可以計算出塔高。依據工業經驗可知，塔板之間的間距一般可設置為0.61m。現假如總理論板數為NT，則實際的精餾塔塔板數為NT-2（第一塊板指塔頂回流罐，最后一塊板是塔釜再沸器）。除了實際的塔板之外，在設計過程中需要為回流管進塔和塔進料部分的進料分布器以及塔釜出料留出適度的空間。概括起來要滿足以下兩個要求：(1)提供塔板中緩沖時所用的持液量；(2)提供泵所需的汽蝕余量。

因此，依據工業經驗，在設計的過程中塔的高度一般會按塔板間距所要求的高度后外加20%的裕度。于是，高度可以按下經驗公式進行估算[9]：

將NT=35代入上式進行求解可得出L=24.16m。

5.2 塔徑估算

氣相的最大流速決定的精餾塔的塔徑D。如果氣相的最大流速過高，精餾塔將會發生液泛，液相和氣相水力條件就會失效。可以通過可靠的關聯式來確定氣相的最大流速。對于非恒摩爾數溢流體系而言，各層塔盤的氣相流量是均不相同的，氣相流量最大的塔板將用來確定塔的直徑。假如已知氣相的質量流量及氣相密度，則可以計算出氣相的體積流量。而后，可以計算出塔的截面面積。在本文中可以采用Aspen軟件對該精餾塔的塔徑進行估算。基于4.1中塔板之間的間距一般為0.61m，在Aspen的“Tray Sizing”中的塔板類型設置為Koch Flexitray（柯赫浮閥塔盤）。在其他值保持缺省狀態下，最終可得出該塔的估計直徑為0.258 m。

Aspen Plus計算出的塔徑可以是由下列的近似探索算法做校核。下式中采用英制單位，F因子應該等于1[9]。

其中Vmax是最大氣相流速，單位ft/s；ρV是氣相的密度，單位lb/ft3。

由塔的水力學計算結果可得，最高氣相體積流量為4.4 ft3/s，在第31層塔板上。該級的氣相密度為0.0858 lb/ft3。當上式中的F取1時，得到的Vmax為3.414 ft/s，據此得出的塔截面積為1.289 ft2。相應的塔直徑D為1.28ft，為0.397m。這比Aspen Plus計算得出的塔徑要大。最終設定D為0.397m。

5.3 經濟估算

最后，對于精餾塔的設計還需要進行經濟估算，其中重要的經濟指標包括：塔設備投資成本、換熱器設備投資成本、總設備投資成本、總能耗投資成本以及最重要的年度總成本（TAC）。具體的核算要求則要結合設備經濟估算方法和能量估算方法。塔器(其高度L和直徑D，單位m)，以及兩換熱器(冷凝器，換熱面積AC,單位m2；再沸器，換熱面積AR，單位m2)是精餾塔系統中最主要的設備。其他較小設備的各種費用較這兩部分比起來可以進行忽略。塔板的成本比起塔器和換熱器而言顯得很小，除非是使用了規整填料等昂貴的內構件。表3給出了經濟核算參數值以及確定尺寸所用的關系式和參數。

以表3的經濟參數為依據，在MATLAB軟件中進行建模計算，其MATLAB源程序如圖7所示。最終計算得出塔頂冷凝器換熱面積AC為8.383 m2，塔釜再沸器換熱面積AR為8.6355 m2，塔設備投資成本為8.47萬美元，換熱器投資成本為5.87萬美元，再沸器所消耗的能量成本為4.995萬美元，總設備投資成本為14.34萬美元，最終的年度總成本費用(TAC)為7.31萬美元。經過優化以及各種估算后的各參數值如表4所示。

表3 TAC經濟參數優化依據[10]

圖7 TAC估算所使用的Matlab源程序

表4 乙醇-水分離參數一覽表

6 結論

本文結合Aspen Plus軟件完成了乙醇-水的分離任務并進行了模擬優化。在對該設備進行設計估算的同時結合了經驗公式和軟件模擬兩種方法。而且還對該精餾塔進行了經濟估算，結合MATLAB軟件對其中涉及設備投資、能耗投資以及總年度費用等進行了估算，為實際的工業生產設計提供一定的指導。