精馏塔的严格计算模块RadFrac
精馏塔的严格计算模块RadFrac
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帮助学生学习化工工程制图课程
RadFrac 模块可对下述过程做严格模拟计算：普通精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、反应精馏（包括平衡反应精馏、速率控制反应精馏、固定转化率反应精馏和电解质反应精馏）、三相（汽 - 液 - 液）精馏。 RadFrac 适用于两相体系、三相体系、窄沸点和宽沸点物系以及液相表现为强非理想性的物系。
1、 RadFrac 的连接图如图所示
2 、 RadFrac 模型具有以下设定表单
例 7.3 在例 7.1 简捷设计的基础上，对乙苯 - 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算，进料条件、冷凝器形式、冷凝器压力、再沸器压力、产品纯度要求与例 7.1 相同，塔顶压力 6.7kPa ，再沸器采用釜式再沸器，物性方法采用 PENG-ROB 。（ 1 ）根据例 7.1 的设计结果，利用 RadFrac 模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度；（ 2 ）求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷；（ 3 ）在满足产品纯度的基础上，绘制塔内温度分布曲线、塔内液相质量组成分布曲线；（ 4 ）在满足产品纯度的基础上，分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响；（ 5 ）求达到分离要求的最小回流比；（ 6 ）求达到分离要求的最小理论板数。
简捷计算得到的回流比 5.11 、理论板数 65 、进料位置 25 、塔顶产品与进料的摩尔流率比（ D/F ） 0.5853 ，只作为严格计算的初值。在理论板数和进料位置一定的情况下，由分离要求严格计算出回流比、塔顶产品与进料的流率比等值。合理的理论板数、适宜的进料位置需要进一步优化得到。
步骤：
（ 1 ）建立和保存文件：
启动 Aspen Plus ，选择模板 General with Metric Units ，文件保存为 Exaple7.3a-RadFrac.bkp 。
（ 2 ）建立流程图
建立如图所示的流程图，其中塔（ RADFRAC ）选用模块库中 Columns/ RadFrac / FRACT1 模块。
全局设定（在名称 Title 框中输入 RadFrac ）并规定报告形式、输入组分、选择物性方法、输入进料条件与例 7.2 相同。
（ 3 ）输入模块参数
点击
，进入
Blocks/ RADFRAC /Setup/Configuration
页面，输入模块（
RADFRAC
）的参数，输入理论板数
65
、冷凝器选择全凝器，回流比为
5.11
，塔顶产品与进料摩尔流率比（
D/F
）
0.5853
。
关于 Configuration 页面下各选项的说明：
① RadFrac 模块计算类型（ Calculation type ）有两种：平衡级模型（ Equilibrium ）和非平衡级模型（ Rate-Based ）。本例采用默认的平衡级模型。
② RadFrac 模块要求输入的板数（ Number of stages ）既可以是理论板数，也可以是实际塔板数。如果输入的是实际塔板数，那么需要设置塔的效率。此处的塔板数包括冷凝器和再沸器。本例输入的塔板数是理论板数，后续例题中，如果没有特别说明，板数均指理论板数。
③ RadFrac 模块冷凝器（ Condenser ）有四个选项，全凝器（ Total ）、部分冷凝器 — 气相塔顶产品（ Partial-Vapor ）、部分冷凝器 — 气相和液相塔顶产品（ Partial-Vapor-Liquid ）、 无冷凝器（ None ）。本例采用全凝器。
④ RadFrac 模块再沸器（ Reboiler ）有三个选项，釜式再沸器（ Kettle ）、热虹吸式再沸器（ Thermosiphon ）、无再沸器（ None ）。本例采用默认的釜式再沸器。
热虹吸式再沸器被模拟为一个带加热器的进出底部级的中段回流，如图所示。在默认情况下 RadFrac 使用 On-Stage 进料方式使再沸器的出口返回到最后一级上。
关于热虹吸式再沸器理论板数的确定，可参照下图
再沸器的类型选用 Kettle 还是 Thermosiphon ，一个很重要的原则是看塔底液相产品是否与返塔的气相成相平衡。如果成平衡，那么选用 Kettle ，否则选用 Thermosiphon ；如果塔底产品是从再沸器出口流出的液体，那么选用 Kettle ；如果塔底产品与进入再沸器的液体条件完全一致，那么选用 Thermosiphon 。
如选用了热虹吸再沸器，则需要指定以下参数：
-
指定再沸器流量（ Specify reboiler flow rate ）
-
指定再沸器出口条件（ Specify reboiler outlet condition ）
-
同时指定流量和出口条件（ Specify both flow and outlet condition ）
⑤ RadFrac 模块的有效相态（ Valid phases ）有六种，本例的有效相态为汽 - 液两相。
-
汽 - 液（ Vapor-Liquid ）
-
汽 - 液 - 液（ Vapor-Liquid-Liquid ）
-
汽 - 液 - 冷凝器游离水（ Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser ）
-
汽 - 液 - 任意塔板游离水（ Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage ）
-
汽 - 液 - 冷凝器富水相（ Vapor-Liquid-DirtyWaterCondenser ）
-
汽 - 液 - 任意塔板富水相（ Vapor-Liquid-DirtyWaterAnyStage ）
⑥ RadFrac 模块的收敛方法有六种：
-
标准方法（ Standard ）
-
石油 / 宽沸程物系（ Petroleum/Wide-boiling ）
-
强非理想液体（ Strongly non-ideal liquid ）
-
共沸物系（ Azeotropic ）
-
深冷体系（ Cryogenic ）
-
用户自定义（ Custom ）；本例物系为乙苯和苯乙烯，用标准方法即可，不需改动。
⑦ RadFrac 模块操作规定（ Operating specifications ）的选择：
在进料、压力、塔板数、进料位置一定的情况下，精馏塔的操作规定有十个待选项：
|
操作规定（ Operating specifications ） |
|
|
回流比（ Reflux ratio ） |
再沸器负荷（ Reboiler duty ） |
|
回流量（ Reflux rate ） |
塔顶产品流率（ Distillate rate ） |
|
再沸量（ Boilup rate ） |
塔底产品流率（ Bottoms rate ） |
|
再沸比（ Boilup ratio ） |
塔顶产品与进料流率比 （ Distillate to feed ratio ） |
|
冷凝器负荷 (Condenser duty) |
塔底产品与进料流率比 （ Bottoms to feed ratio ） |
一般首先选择回流比和塔顶产品与进料流率比 （ Distillate tofeed ratio ） [ 或塔顶产品流率（ Distillate rate ） ] ，当获得收敛的模拟结果后，为了满足设计规定的要求，有时需要重新选择合适的操作规定，并赋予初值。
精馏塔各工艺参数之间是相互影响的，明确它们之间的相互关系，有助于更好地设计一个精馏塔。精馏塔各工艺参数之间的相互关系见下表：
参数变化 |
冷凝器温度变化趋势 |
釜温变化趋势 |
说明 |
塔顶采出量加大 |
升高 |
升高 |
塔顶采出量加大，使更多重组分从塔顶出去，故冷凝器温度升高。重组分从塔顶馏出越多，塔釜组分就会更重，故釜温升高。 |
塔顶采出量减小 |
降低 |
降低 |
塔顶采出量减少，塔顶采出变轻，故冷凝器温度降低。塔釜的轻组分也随之增加，故釜温降低。 |
回流比增加 |
降低 |
升高 |
回流比增加，顶、底分离更好，塔顶采出变轻，塔釜采出变重，故冷凝器温度降低，釜温升高。 |
塔板数增加 |
降低 |
升高 |
塔板数增加，顶、底分离更好，塔顶采出变轻，塔釜采出变重，故冷凝器温度降低，釜温升高；釜温升高，但需进料板位置仍然保持在原有比例。 |
点击
，进入
Blocks/ RADFRAC /Setup/Streams
页面，输入进料位置，进料物流
FEED
进料位置为
25
，进料方式为
On-Stage
。
进料流股（ FeedStreams ）指定每一股进料的加料板位置，进料方式有如下五种：
① 在级上方进料（ Above-Stage ），具体指在相邻的级间引入进料物流，液相部分流动到规定的级，气相部分流动到上一级，默认情况下为 Above-Stage 。若气相自塔底进入，可使用 Above-Stage ，将塔板数设为 N+1 。
② 在级上进料（ On-Stage ），若规定为 On-Stage ，只有存在水力学计算和默弗里效率计算时，才对进料进行闪蒸计算。因此，如果没有水力学计算和默弗里效率计算，单相进料时选择 On-Stage ，可减少闪蒸计算，同时避免超临界体系的闪蒸问题。
③ 气相进料在级上（ Vapor ）和液相进料在级上（ Liquid ），即 Vapor on-Stage 和 Liquid on-Stage ，不对进料进行闪蒸计算，完全将进料处理为规定的相态，仅在最后一次收敛计算时对进料进行闪蒸计算，以确定规定的相态是否正确，这避免了在进行默弗里效率计算和塔板 / 填料校核或设计计算时不必要的进料闪蒸计算。
④ 进料进入到分相器中（ Decanter ），仅在汽 - 液 - 液三相计算中允许此操作，具体指在汽 - 液 - 液三相系统中，将进料直接引入分相器中。
产品流股（ ProductStreams ）：指定每一股侧线产品的出料板位置及产量
点击
，进入
Blocks/ RADFRAC /Setup/Pressure
页面，冷凝器压力为
6kPa
，塔顶压力为
6.7kPa
，再沸器压力为
14kPa
，即全塔压降
7.6kPa
。
压力（ Pressure ）的设置有三种方式，通过 View 右侧的下拉菜单可做更改。
① 塔顶 / 塔底（ Top/Bottom ），用户可以仅指定第一块板压力，此时代表全塔无压降；当塔内存在压降时，用户需指定第二块板压力或冷凝器压降，同时还可以指定单板压降或是全塔压降。
② 塔内压力分布（ Pressure profile ），指定某些塔板压力。
③ 塔段压降（ Section pressure drop ），指定每一塔段的压降。本例采用第一种方式。
（ 4 ）运行模拟
点击
，出现
Properties InputComplete
对话框，点击
OK
，运行模拟。
（ 5 ）查看模拟结果
由左侧数据浏览窗口进入 Blocks/ RADFRAC /StreamResults ，可查看物流结果。塔顶产品（ ETHBZ-PD ）中乙苯（ EB ）的质量纯度为 98.74% ，塔底产品（ STYR-PD ）苯乙烯（ STYRENE ）的质量纯度为 99.31% 。
RadFrac 模块不仅可以进行校核计算，也可以进行设计计算，即通过 Design Specs 来规定塔的操作要求，如产品的纯度和回收率。
（ 6 ）设计规定
本题中要求乙苯的质量纯度为 99% ，苯乙烯的质量纯度为 99.7% 。首先将文件另存为 Exaple7.3b-RadFrac.bkp 。
规定塔顶产品中乙苯的质量纯度。由左侧数据浏览窗口选择 Blocks/ RADFRAC /Designspecifications ，进入D esign specifications 页面。点击 New ，进入 Blocks/ RADFRAC /Design specifications/1/ specifications 页面，点击 type 右侧的下拉菜单，选择 Mass purity ，在 Target 中输入 0.99 ， Stream type 默认类型 Product 。
点击
，进入
Blocks/ RADFRAC /Designspecifications/1/ Components
页面，选中
Components
项
Available components
栏中的
EB
，点击
图标
，将
EB
移动至
Selected components
栏。
点击
，进入
Blocks/ RADFRAC /Designspecifications/1/ Feed/Product Streams
页面，选中
Available streams
栏中的
ETHBZ-PD
，点击
图标
，将
ETHBZ-PD
移动至
Selectedstreams
栏。
新建一个操纵变量。规定回流比为操纵变量，回流比的变化范围为 4~8 。 左侧数据浏览窗口选择 Blocks/ RADFRAC /Vary ，进入 Adjusted Variables 页面，点击 New ，进入 Blocks/ RADFRAC /Vary/1/ specifications 页面，在 Type 中选择 Reflux ratio ，输入回流比值的下限（ Lower bound ） 4 和上限（ Upper bound ） 8 。
至此，一个设计规定和一个操纵变量已定义完成，要求塔底产品中苯乙烯的质量纯度为 99.7% ，所以继续添加设计规定和操纵变量，输入内容见下表。
Design Specs |
Vary2 |
||
Type |
Mass purity |
Bottoms to feed ratio |
|
Target |
0.997 |
Lower bound |
0.40 |
Stream type |
Product |
Upper bound |
0.43 |
components |
STYRENE |
- |
- |
Product |
STYR-PD |
- |
- |
由于塔底流率小于塔顶流率，因此，第二个操纵变量选择 Bottomsto feed ratio 。既然要选择 Bottomsto feed ratio 作为操纵变量，那么在塔模块的 Setup/Configuration 页面应赋予 Bottomsto feed ratio 初值。因此将 Blocks/ RADFRAC / Setup/Configuration 页面中的 Distillateto feed ratio 改为 Bottomsto feed ratio ，值为 0.4147 （设计规定前的严格计算模拟结果）。
在进行精馏塔的设计规定时，可考虑以下几点
① 与规定热负荷相比，优先考虑规定流率，尤其是对于宽沸程物系。
② 规定塔顶产品或塔底产品与进料的流率比（ Distillate （ orBottoms ） to feed ratio ）是一种很有效的方法，特别是在进料流率不明确的情况下。与规定产品流率相比，塔顶产品与进料流率比（ Distillate to feed ratio ）或塔底产品与进料的流率比（ Bottoms to feed ratio ）的值和边界条件更容易估计。规定塔顶产品或塔底产品与进料的流率比适合进行流率灵敏度分析的场合。
③ 当两个规定等价时，优先考虑数值较小者。如果没有侧线抽出，塔顶采出与塔底采出等价，应优先设定数值较小者。一般情况下，设定下面参数中数值较小者：回流量（ Reflux rate ）或再沸量（ Boilup rate ）；回流比（ Reflux ratio ）或再沸比（ Boilup ratio ）；塔顶产品流率（ Distillate rate ）或塔底产品流率（ Bottoms rate ）；塔顶产品与进料流率比（ Distillate to feed ratio ）或塔底产品与进料流率比（ Bottoms to feed ratio ）。
（ 7 ）运行模拟并查看运行结果
两个设计规定和操纵变量添加完毕，点击 ， 出现 Properties Input Complete 对话框，点击 OK ，运行模拟。由左侧数据浏览窗口进入 Blocks/ RADFRAC / Results 查看模拟结果。满足分离要求所需的回流比为 5.49 ，塔顶产品流率为 69.44kmol/h ，冷凝器热负荷为 5024.9kW ，再沸器热负荷为 5151.9kW 。
左侧数据浏览窗口进入 Blocks/ RADFRAC /StreamResults ，在 Material 页面可看到物流结果，产品满足分离要求。
（ 8 ）绘制曲线
由左侧数据浏览窗口进入 Blocks/ RADFRAC /Profiles ，在 TPFQ 页面查看塔内温度，在 Compositions 页面查看塔内组成分布。可利用绘图导向（ Plot Wizard ）生产塔内温度分布曲线和组成分布曲线。
Aspen Plus 可生成的 12 种图形，分别为温度（ Temp ）、组成（ Comp ）、流率（ Flow Rate ）、压力（ Pressure ）、 K 值（ K-Values ）、相对挥发度（ Rel Vol ）、分离因子 （ Sep Factor ）、流率比（ Flow Ratio ）、 T-H （ CGCC （ T-H ））总组合曲线、 S-H （ CGCC （ S-H ））总组合曲线、水力学分析（ Hydraulics ）、有效能损失曲线（ Exergy ）（后四种图用于精馏塔的热力学分析和水力学分析）
绘制塔内温度分布曲线。
生成塔内液相质量组成分布曲线。