張培義

(華測檢測認證集團股份有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516001)

1 概述

AspenPLUS為大型化工模擬軟件，不僅在學術(shù)領(lǐng)域被廣泛使用，更在工廠實際應用中得到廣泛應用。該軟件將繁瑣的精餾操單元數(shù)學模型集成，并采用先進的算法計算數(shù)學模型，在大多數(shù)情況下都可達到收斂的效果。在精餾單元計算時，需選擇正確的熱力學模型，李雷等(1)對不同熱力學模型和選擇方法進行了介紹。除熱力學模型外，需引用數(shù)據(jù)庫以確定平衡時的汽液相組成，軟件內(nèi)除選擇熱力學模型后自動生成的數(shù)據(jù)庫，還增加了NIST數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫收錄了不同文獻內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，湯磊(2)提出在可以獲得實驗數(shù)據(jù)的條件下，實驗數(shù)據(jù)為首選，特別是對于實際過程的工藝設(shè)計。目前，對AspenPLUS數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)的對比研究較少，本文采用兩種不同的數(shù)據(jù)庫，針對甲醇-水和甲醇-乙醇兩種體系，并改變操作變量，研究采用不同數(shù)據(jù)庫，對模擬結(jié)果的影響。

2 NIST數(shù)據(jù)庫及使用方法介紹

2.1 NIST數(shù)據(jù)庫

自AspenPLUS V7.3版本以來，軟件內(nèi)鑲嵌了NIST數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫不僅包括純物質(zhì)的性質(zhì)，還其包括大量的傳遞性質(zhì)、熱力學以及相平衡數(shù)據(jù)，也可進行熱力學數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預測和評價。

2.2 NIST數(shù)據(jù)庫使用方法介紹

點擊TDE NIST按鈕可彈出NIST ThermoDate Engine 對話框。選擇查詢純物質(zhì)或二元混合物性質(zhì)，點擊Evaluate now按鈕可查詢到純物質(zhì)或二元混合物性質(zhì)的性質(zhì)。

對于純物質(zhì)的性質(zhì)，除提供許多實驗數(shù)據(jù)外，針對必要的性質(zhì)還會提供對應的關(guān)聯(lián)式參數(shù)。并綜合關(guān)聯(lián)式和實驗數(shù)據(jù)，提供了可接受的關(guān)聯(lián)結(jié)果。使用軟件的幫助功能可查找不同關(guān)聯(lián)式的具體性質(zhì)。

對于二元混合物性質(zhì)，除提供了大量實驗數(shù)據(jù)外，軟件自帶一致性檢測工具，點擊Consistency Test—Run Consistency Test，軟件對數(shù)據(jù)進行一致性檢測，提供報告證明哪些數(shù)據(jù)可以使用。

2.3 NIST數(shù)據(jù)庫內(nèi)參數(shù)回歸

AspenPLUS可以接受NIST內(nèi)的搜索到的參數(shù)，選取Properties—Date建立含有待回歸數(shù)據(jù)的數(shù)集。生成相應的對話框，對話框內(nèi)可選擇相平衡、熱力學、傳遞、電解質(zhì)、鹽溶液、用戶自定義等模型，以相平衡為例，可進一步選擇等溫或等壓下等一系列類型。本文為精餾模型，考慮為壓力控制溫度，因此選擇甲醇-水和甲醇-乙醇體系等壓下的模型。切換對話框內(nèi)的選項卡到Data選項，并進一步點擊Retrieve TDE Binary Data...，軟件會自動切換至NIST數(shù)據(jù)庫的等壓汽液平衡的數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進行一致性檢測。篩選一致性檢測通過的數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)塔的操作壓力選擇合適的數(shù)據(jù)集，并保存。點擊Regression，然后點擊New對保存的數(shù)據(jù)集進行回歸，并檢測收斂前的迭代次數(shù)，是否有誤錯誤或警告，如沒有則可用此數(shù)據(jù)進行計算，如有則選擇另外的數(shù)據(jù)集。

3 精餾操作單元模擬

進料的組成、溫度、壓力如下表1，本文設(shè)定甲醇-水和甲醇-乙醇體系分離為常壓精餾，塔頂采出輕組分的回收率高于99.5%，塔頂輕組分質(zhì)量分數(shù)據(jù)高于99%。首先采用簡捷法精餾計算模型，由于塔壓力采用常壓，低于1MPa，可選用活度系數(shù)模型，并且軟件內(nèi)有自帶的甲醇-水和甲醇-乙醇體系交互參數(shù)，因此本文選用NRTL模型，通過簡捷模型初步確定基本的進料板、塔板數(shù)、回流比、塔頂出料量/塔進料量，進一步的計算采用嚴格精餾計算模型：RadFrac。嚴格計算模型充分考慮了精餾數(shù)學模型中的多個自由度，操作變量不僅包括回流比、塔頂出料量/塔進料量、進料板、塔板數(shù)、塔操作壓力，還包括不同冷凝器類型(全凝、部分冷凝)、不同再沸器類型(釜式、熱虹吸式)、側(cè)線采出等選項。能夠滿足工廠模擬的要求。

表1 進料情況

采用簡捷模型計算進料板、塔板數(shù)、回流比、塔頂出料量/塔進料量的計算結(jié)果如下表2。

表2 簡捷模型計算結(jié)果

通過以上表格對比，由于采用的數(shù)據(jù)庫不同，主要的操作參數(shù)進料板、塔板數(shù)、回流比等都有不同。甲醇和水體系采用實驗值時的塔板數(shù)比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫計算出來的要多，回流比也較大；甲醇-乙醇體系則相反采用實驗值時的塔板數(shù)比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫計算出來的要少，回流比也較小。通過簡捷模型可初步說明直接使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)進行計算可能會引起設(shè)計上的偏差。下面通過嚴格計算模型進行詳細對比、研究。

按照簡捷模型計算出的初步進料板、塔板數(shù)、回流比及塔頂出料量/塔進料量設(shè)置嚴格模型的操作參數(shù)，冷凝器采用全凝的形式，再沸器采用釜式，同樣采用常壓塔精餾。

計算出的塔頂、塔底出料組成及流量如下表3。

表3 嚴格模型計算結(jié)果

通過表3可以看出除了甲醇-乙醇體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫時的塔頂輕組分高于99%，其它三組均未達到此粗純度，說明使用簡捷模型與嚴格模型的計算模擬結(jié)果有偏差。正常工廠設(shè)計中一般以嚴格模型為準。

為使塔頂輕組分濃度滿足要求，本文對其它三組嚴格計算模型中的回流比進行調(diào)整，此過程采用靈敏度分析的方法。得到的數(shù)據(jù)如下：

表4 回流比與塔頂輕組分質(zhì)量分數(shù)靈敏度分析

通過表5，可得出四種選項的回流比依次為0.953、0.968、2.85、2.96時塔頂輕組分的質(zhì)量分數(shù)為99%。因此最終的塔設(shè)置參數(shù)如下表5。

表5 塔參數(shù)設(shè)置

對于甲醇-水和甲醇-乙醇兩種體系，分別使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫進行模擬。由于兩種數(shù)據(jù)庫模擬時塔頂輕組分的質(zhì)量分數(shù)相同且塔頂質(zhì)量流量相同，因此塔頂輕重組分的回收率相同。通過表5可得在塔頂輕重組分回收率相同的情況下，使用不同數(shù)據(jù)庫塔板數(shù)和回流比會不同。其中甲醇-水體系，在使用NIST數(shù)據(jù)庫時塔板數(shù)和回流比都要比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫時的數(shù)據(jù)要大；甲醇和乙醇體系中，在使用NIST數(shù)據(jù)庫時塔板數(shù)要比使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫時少，但回流比較大。為進一步的研究，本文針對兩種體系，采用兩種數(shù)據(jù)庫時，增加了相同進料板和塔板數(shù)設(shè)置，同樣以塔頂輕重組分回收率相同為前提，回流比的確定同樣使用靈敏度的方法，結(jié)果如下表6。

表6 進料板和塔板數(shù)相同的前提下回流比的數(shù)據(jù)

通過表6，可得在進料板和塔板數(shù)相同的情況下，保證相同塔頂輕重組分回收率相同，模擬出的回流比也不相同。

為進一步對比，使用表6內(nèi)的數(shù)據(jù)設(shè)置塔，模擬出每塊塔板的輕組分組成、溫度，如下圖1。

圖1 甲醇-水體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫各塔板甲醇

圖2 甲醇-水體系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫各塔板溫度

圖3 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫各塔板質(zhì)量分數(shù)

圖4 甲醇-乙醇系使用AspenPLUS自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫各塔板溫度

通過圖1 和圖3可得，對于甲醇-水和甲醇-乙醇體系，采用不同的數(shù)據(jù)庫，盡管塔頂輕重組分的回收率相同，但塔內(nèi)輕組分的質(zhì)量分數(shù)是不同的，說明如果采用的數(shù)據(jù)庫與實際不同，模擬的結(jié)果會有差異，如工廠需要側(cè)線采出，且使用不正確的數(shù)據(jù)庫則影響模擬結(jié)果。通過圖2和圖4可得，使用不同的數(shù)據(jù)庫，塔板溫度分布同樣有差異。

4 結(jié)論

本文分別使用AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫模擬甲醇-水和甲醇-乙醇精餾分離，并采用了簡捷計算模型和嚴格計算模型。通過模擬得出以下結(jié)論：

簡捷計算模型和嚴格計算模型模擬結(jié)果不同；

使用AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫和NIST數(shù)據(jù)庫對甲醇-水和甲醇-乙醇進行精餾單元模擬時，以塔頂輕重組分回收率和塔頂出料量相同為目標。計算出的塔板數(shù)、進料板、回流比不同；如設(shè)置相同的塔板數(shù)和進料板，回流比亦不相同；

使用不同數(shù)據(jù)庫模擬時，塔內(nèi)的溫度和輕組分質(zhì)量分數(shù)在不同板也可不同。

綜上所述，在進行AspenPLUS模擬中需盡量采用與實際接近的實驗室數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫進行模擬，建議盡量不采用AspenPLUS自帶的數(shù)據(jù)。