基于AspenPlus自带数据库和NIST数据库的精馏模拟研究

2020-06-24张培义

山东化工 2020年10期

张培义

(华测检测认证集团股份有限公司惠州分公司，广东惠州 516001)

1 概述

AspenPLUS为大型化工模拟软件，不仅在学术领域被广泛使用，更在工厂实际应用中得到广泛应用。该软件将繁琐的精馏操单元数学模型集成，并采用先进的算法计算数学模型，在大多数情况下都可达到收敛的效果。在精馏单元计算时，需选择正确的热力学模型，李雷等(1)对不同热力学模型和选择方法进行了介绍。除热力学模型外，需引用数据库以确定平衡时的汽液相组成，软件内除选择热力学模型后自动生成的数据库，还增加了NIST数据库，该数据库收录了不同文献内的实验数据，汤磊(2)提出在可以获得实验数据的条件下，实验数据为首选，特别是对于实际过程的工艺设计。目前，对AspenPLUS数据库和NIST数据的对比研究较少，本文采用两种不同的数据库，针对甲醇-水和甲醇-乙醇两种体系，并改变操作变量，研究采用不同数据库，对模拟结果的影响。

2 NIST数据库及使用方法介绍

2.1 NIST数据库

自AspenPLUS V7.3版本以来，软件内镶嵌了NIST数据库，该数据库不仅包括纯物质的性质，还其包括大量的传递性质、热力学以及相平衡数据，也可进行热力学数据关联、预测和评价。

2.2 NIST数据库使用方法介绍

点击TDE NIST按钮可弹出NIST ThermoDate Engine 对话框。选择查询纯物质或二元混合物性质，点击Evaluate now按钮可查询到纯物质或二元混合物性质的性质。

对于纯物质的性质，除提供许多实验数据外，针对必要的性质还会提供对应的关联式参数。并综合关联式和实验数据，提供了可接受的关联结果。使用软件的帮助功能可查找不同关联式的具体性质。

对于二元混合物性质，除提供了大量实验数据外，软件自带一致性检测工具，点击Consistency Test—Run Consistency Test，软件对数据进行一致性检测，提供报告证明哪些数据可以使用。

2.3 NIST数据库内参数回归

AspenPLUS可以接受NIST内的搜索到的参数，选取Properties—Date建立含有待回归数据的数集。生成相应的对话框，对话框内可选择相平衡、热力学、传递、电解质、盐溶液、用户自定义等模型，以相平衡为例，可进一步选择等温或等压下等一系列类型。本文为精馏模型，考虑为压力控制温度，因此选择甲醇-水和甲醇-乙醇体系等压下的模型。切换对话框内的选项卡到Data选项，并进一步点击Retrieve TDE Binary Data...，软件会自动切换至NIST数据库的等压汽液平衡的数据库，对数据库进行一致性检测。筛选一致性检测通过的数据库，并根据塔的操作压力选择合适的数据集，并保存。点击Regression，然后点击New对保存的数据集进行回归，并检测收敛前的迭代次数，是否有误错误或警告，如没有则可用此数据进行计算，如有则选择另外的数据集。

3 精馏操作单元模拟

进料的组成、温度、压力如下表1，本文设定甲醇-水和甲醇-乙醇体系分离为常压精馏，塔顶采出轻组分的回收率高于99.5%，塔顶轻组分质量分数据高于99%。首先采用简捷法精馏计算模型，由于塔压力采用常压，低于1MPa，可选用活度系数模型，并且软件内有自带的甲醇-水和甲醇-乙醇体系交互参数，因此本文选用NRTL模型，通过简捷模型初步确定基本的进料板、塔板数、回流比、塔顶出料量/塔进料量，进一步的计算采用严格精馏计算模型：RadFrac。严格计算模型充分考虑了精馏数学模型中的多个自由度，操作变量不仅包括回流比、塔顶出料量/塔进料量、进料板、塔板数、塔操作压力，还包括不同冷凝器类型(全凝、部分冷凝)、不同再沸器类型(釜式、热虹吸式)、侧线采出等选项。能够满足工厂模拟的要求。

表1 进料情况

采用简捷模型计算进料板、塔板数、回流比、塔顶出料量/塔进料量的计算结果如下表2。

表2 简捷模型计算结果

通过以上表格对比，由于采用的数据库不同，主要的操作参数进料板、塔板数、回流比等都有不同。甲醇和水体系采用实验值时的塔板数比使用AspenPLUS自带数据库计算出来的要多，回流比也较大；甲醇-乙醇体系则相反采用实验值时的塔板数比使用AspenPLUS自带数据库计算出来的要少，回流比也较小。通过简捷模型可初步说明直接使用AspenPLUS自带数据进行计算可能会引起设计上的偏差。下面通过严格计算模型进行详细对比、研究。

按照简捷模型计算出的初步进料板、塔板数、回流比及塔顶出料量/塔进料量设置严格模型的操作参数，冷凝器采用全凝的形式，再沸器采用釜式，同样采用常压塔精馏。

计算出的塔顶、塔底出料组成及流量如下表3。

表3 严格模型计算结果

通过表3可以看出除了甲醇-乙醇体系使用AspenPLUS自带数据库时的塔顶轻组分高于99%，其它三组均未达到此粗纯度，说明使用简捷模型与严格模型的计算模拟结果有偏差。正常工厂设计中一般以严格模型为准。

为使塔顶轻组分浓度满足要求，本文对其它三组严格计算模型中的回流比进行调整，此过程采用灵敏度分析的方法。得到的数据如下：

表4 回流比与塔顶轻组分质量分数灵敏度分析

通过表5，可得出四种选项的回流比依次为0.953、0.968、2.85、2.96时塔顶轻组分的质量分数为99%。因此最终的塔设置参数如下表5。

表5 塔参数设置

对于甲醇-水和甲醇-乙醇两种体系，分别使用AspenPLUS自带数据库和NIST数据库进行模拟。由于两种数据库模拟时塔顶轻组分的质量分数相同且塔顶质量流量相同，因此塔顶轻重组分的回收率相同。通过表5可得在塔顶轻重组分回收率相同的情况下，使用不同数据库塔板数和回流比会不同。其中甲醇-水体系，在使用NIST数据库时塔板数和回流比都要比使用AspenPLUS自带数据库时的数据要大；甲醇和乙醇体系中，在使用NIST数据库时塔板数要比使用AspenPLUS自带数据库时少，但回流比较大。为进一步的研究，本文针对两种体系，采用两种数据库时，增加了相同进料板和塔板数设置，同样以塔顶轻重组分回收率相同为前提，回流比的确定同样使用灵敏度的方法，结果如下表6。

表6 进料板和塔板数相同的前提下回流比的数据

通过表6，可得在进料板和塔板数相同的情况下，保证相同塔顶轻重组分回收率相同，模拟出的回流比也不相同。

为进一步对比，使用表6内的数据设置塔，模拟出每块塔板的轻组分组成、温度，如下图1。

图1 甲醇-水体系使用AspenPLUS自带数据库和NIST数据库各塔板甲醇

图2 甲醇-水体系使用AspenPLUS自带数据库和NIST数据库各塔板温度

图3 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自带数据库和NIST数据库各塔板质量分数

图4 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自带数据库和NIST数据库各塔板温度

通过图1 和图3可得，对于甲醇-水和甲醇-乙醇体系，采用不同的数据库，尽管塔顶轻重组分的回收率相同，但塔内轻组分的质量分数是不同的，说明如果采用的数据库与实际不同，模拟的结果会有差异，如工厂需要侧线采出，且使用不正确的数据库则影响模拟结果。通过图2和图4可得，使用不同的数据库，塔板温度分布同样有差异。