李英利，吴东恩

(常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164)

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。

化工原理课程是化学工业技术和化学工程科学发展的必然产物。十九世纪九十年代国外高等学校相继设置化学工程系,开出的课程大都是针对不同化工行业编写各自的生产工艺学,直到二十世纪初才明确认识到各行各业通用的物理操作的共性,并于1923年美国一名教授出版了第一部《化工原理》。本课程实践性很强，是一门关于化学加工过程的技术基础课，它为过程工业(包括化工、轻工、医药、食品、环境、材料、冶金等工业部门)提供科学基础，对化工及相近学科的发展起支撑作用。化工原理课程以单元操作为内容，以传递过程原理和研究方法论为主线，研究各个物理加工过程的基本规律，典型设备的设计方法，过程的操作和调节原理。

为了学好化工原理，建议对aspen软件加以合理的创新利用，对教学效果会大有裨益。下面以化工原理精馏部分的理论塔板数的两种计算方法为例加以说明。

1 用逐板计算法求苯—甲苯分离所需理论塔板数

理论板数的计算是确定精馏塔实际塔板数及塔高的重要数据。逐板计算法计算理论板数的最基本的方法。其依据是气液平衡关系式和操作线方程。

先看一个例子，已知苯-甲苯混合液，含苯50%(摩尔百分比，下同)，用精馏塔分离。要求塔顶产品易挥发组分组成xD=0.95,塔底产品易挥发组分组成xW=0.05,选用回流比R=2.0,泡点进料，α=2.45,现用逐板计算法求理论塔板数NT。

解：(1)_列出有关计算公式：

(a)写出气液平衡关系式

(c)提馏段操作线方程

令f=F/D=200/100=2，f定义为单位馏出液所需要的进料量

(2)用逐板法计算理论塔板数:

(a) 精馏段:第一块板：因y1=xD=0.95，x1=y1/(2.45-1.45y1)=0.95/(2.45-1.45×0.95) =0.886

第二块板：y2=0.667x1+0.317=0.908

按照此法，逐板求得精馏段各塔板的y和x列表如表1：

表1 精馏段逐板求得精馏段各塔板的y和x

(b)提馏段:于xF=0.50，而x5=0.506，故第五块板以后改用提馏段操作线方程计算。

第6块板：y6=1.33x5-0.017=1.33×0.506-0.017=0.685，x6=y6/(2.45-1.45y6)=0.658/(2.45-1.45×0.658)=0.440

如此逐板求得提馏段各塔板的y和x列表如表2。

表2 提馏段逐板求得精馏段各塔板的y和x

x11=0.044

2 用Aspen软件精馏塔简捷设计法计算苯—甲苯分离所需理论塔板数

例子，设计一个常压连续精馏塔，实现苯和甲苯混合液的分离，已知原料液中含有苯0.50(摩尔分数，下同)，要求塔顶馏出液中含苯不小于0.95，塔底釜液中含苯不大于0.05。操作回流比为2，泡点进料，进料流量200 kmol/hr，进料中。α=2.45,试用aspen软件法求理论塔板数NT。

该类型属于精馏设计型计算的命题，主要涉及操作压力、回流比、所需理论板数和进料位置等参数确定。精馏过程操作压力有常压、加压和减压三种情况。这里采用常压精馏。

在Aspen Plus中建立流程模拟，选择塔Columns模块中的 DSTWU简捷模块进行计算，并连接好物流，DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算。针对相对挥发度近似恒定的物系开发，用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔。通过Winn方程(之后Fenske对Winn方程进行了完善)计算最小理论板数，使用Underwood方程计算最小回流比，根据Gilliland关联图来确定操作回流比下的理论板数或一定理论板数下所需要的回流比，及进料位置。DSTWU模块计算精度不高，常用于初步设计，当存在共沸物时，计算结果可能会出现错误，DSTWU模块的计算结果可以为严格精馏计算提供合适的初值。然后，利用Aspen Plus中特有的“NEXT”引导式输入功能，依次输入待分离的组分、选择热力学方法、进料流股信息、模块即DSTWU 信息。DSTWU 信息包括回流比(设置为2)、塔顶和塔釜压力(均为常压)、轻关键组分和重关键组分的塔顶回收率(分别为苯0.95、甲苯0.05)、塔顶冷凝器为全凝器。通过上述设置，可以模拟出该分离要求下的最小回流比和最小理论板数。具体步骤如下：

2.1 连接流股

苯和甲苯分离流程图见图1。

图1 苯和甲苯分离流程图

图2 设定全局特性

2.2 设定全局特性

DSTWU模块有四组模块设定参数：塔设定(Column specifications)?关键组分回收率(Key component recoveries)?压力(Pressure )④ 冷凝器设定(Condenser specifications)。可以点击simulation,进入setup|specifications|global页面进行设置。见图2。

2.3 输入化学组分信息

对ASPEN Plus V10先点击Properties，进入Components|Selection页面,输入组分Benzene(苯)，Toluene(甲苯)，见图3。

图3 输入化学组分信息

图4 选择计算方法和模型

2.4 选择计算方法和模型

物性方法是IDEAL，因为苯与甲苯性质相似。根据不同的物系，选择不同的物性计算方法。对于理想物系，可以选择Ideal方法，非理想物系可选择典型的Wiston或 Uniquac等方法。电解质溶液也有其相应的计算方法，在这里苯和甲苯体系可近似看成理想系 我们选择Ideal方法，其他设置由系统默认确定。确定物性的计算方法和模型，在窗口左侧的目录树结构中选择properties文件夹进行物性设置，点击其下的 specification 出现图 4所示窗口。

2.5 输入外部流股信息

定义流程中每股进料条件，在simulation文件夹中，在窗口左侧的目录树结构中选择streams文件夹，将可看到我们先前在流程图中定义的三股物料 D，FEED，L 。其中FEED流股为已知，流股D、 L 流股为待定流股。故我们仅定义FEED流股的状态参数。选择FEED文件夹中的Input后出现如图5所示窗口，输入苯摩尔分数0.50，甲苯摩尔分数0.50，进料流量200kmol/hr，温度为泡点进料90摄氏度。

图5 输入外部流股信息

图6 输入单元模块参数

2.6 输入单元模块参数

确定流程中每个单元操作设备的模拟模型和设计操作条件。在此流程中只有column这一个Dstwu模型。下面定义这个模型。在窗口左侧的目录树结构中选择Blocks文件夹，将可看到我们先前在流程图中定义的column模型，选择column文件夹中的Input后，出现如图6所示窗口。此模型既可以定义塔板数进行操作型计算，又可以定义回流比进行设计型计算。由于我们进行的是设计型计算，在这里定义回流比。定义回流比时有两种定义方法：定义回流比的实际值或定义回流比与最小回流比的比值，前者直接输入数值即可，后者输入负号后再入数值。在这里我们取回流比为2。接下来定义轻、重关键组分的回收率，来确定分离要求。注意：塔顶易挥发组分的回收率为D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95,塔顶难挥发组分的回收率为D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05,塔釜难挥发组分的回收率为W·(1-xW)/F·(1-xF)=100×0.95/200×0.5=0.95，塔釜易挥发组分的回收率为W·xW/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。需要注意的是：在这个模块里，轻、重关键组分的回收率都是指在塔顶的回收率。经过计算可得轻关键组分的回收率为D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95，重关键组分的回收率为塔顶难挥发组分的回收率为D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。接下来输入再沸器和冷凝器的压力。在一般的精馏设计中，再沸器和冷凝器的压力比较接近大气压力，且再沸器压力高于冷凝器压力。这里我们分别取为110kPa和105kPa，冷凝器使用全凝器。其余设置由系统默认确定，窗口如图6所示。

2.7 运行模拟

到此，数据输入完毕，可以进行模拟，点击工具栏中的蓝色 N->图标，出现新对话框，如图画面，点击OK即可进行模拟。如图7所示。

图7 运行模拟

图8 查看结果

2.8 查看结果

点击左侧的Streams文件夹或 Blocks文件夹即可查看物流或模块模型的计算结果，点击 Blocks文件夹，点击子文件夹Column中的Results可看到塔的设计参数包括最小回流比、实际回流比、最小理论板数、实际理论板数、冷凝器和再沸器的热负荷等。如图8所示，其计算出的数据包括最小回流比：1.12，实际回流比：2，最小理论板数：7；理论板数：11，加料板位置：7。可见和前面的逐板计算法结果一致。

3 总结

本文探讨了化工模拟软件Aspen Plus在化工原理精馏理论塔板数的计算过程中的应用，并和逐板计算法作了对比。事实证明，Aspen Plus容易上手，能有效地提高计算的效率与精度，使课堂教学更接近工程实际，大大提高了学生的工程观念和学习兴趣，同时能拓宽教师的教学理念，拓展了和其他专业课程的相关性，本文就苯和甲苯的分离实例为依据作了一定程度的教学创新方法的探索。