Aspen Plus優(yōu)化設計丙酮吸收塔

陳銳

【摘 要】吸收傳質過程中，吸收劑用量越大，吸收效果越好，精度越高。但是如果吸收劑用量過大，就會造成解析過程中負擔過重。所以本案優(yōu)化的目標為：用最小的吸收劑用量達到指定的吸收精度。首先要初步估算一個吸收劑用量，再確定平衡級數。這樣就可以用RateFrac模塊確定填料高度；然后做一次靈敏度分析，確定一個合適的吸收劑用量以及所對應的填料高度；然后將其回帶到原計算過程中，再做一次靈敏度分析，確定出第一次靈敏度分析中所確定的填料高度下所對應的塔徑；最后將填料總高度進行分段、圓整，再一次回帶到原計算過程中進行核算，至此，模擬計算結束。

【關鍵詞】Aspen Plus；吸收；優(yōu)化設計

1.設計參數

操作溫度 50℃

操作壓力 0.12MPa

氣相摩爾流量 42kmol/h

摩爾分率 H20-0；PH-0.255；ACE-0.169；N2-0.432；O2-0.144

吸收劑 H2O

填料種類 DN38聚丙烯階梯環(huán)

混合氣出口丙酮含量 50ppm

2.初步計算

Aspen Plus軟件中的RateFrac模塊是模擬諸如吸收、氣提和精餾等所有類型的多級汽液分離過程的速率型非平衡級模型。初步計算主要是為了找到一個較佳的塔高度和塔直徑。然后進一步確定一個較佳的吸收劑流量，為后面的核算做準備。

2.1定義流程

使用AspenPlus下的RateFrac模塊創(chuàng)建流程圖。如圖2-1所示。

2.2定義組分

設定單位制為公制（MET），混和氣主要成分為丙酮、苯酚、氮氣、氧氣，吸收劑主要成分為清水。

2.3定義特性計算方法

定義熱力學方法為NRTL-RK（如圖2-2所示）?！癗RTL-RK”方程對酮、醇、醚體系具有較高的預測精度，對于含水系統(tǒng)，“NRTL-RK”方程通常比其他方程擬合的更好。“NRTL-RK”模型是一種計算多元體系液相活度系數的特性計算方法，它的優(yōu)點不但在關聯強極性物系時效果較好，更主要的是可以從二元體系的關聯參數直接計算多元體系，而不必引入多元體系特有的參數。其方程如下：

1nγ=+

式中，Gij—溶液的相互作用能。Gij=exp（-αijτij）；

τji—NTRL方程參數。τji=aij+bij/T+eijlnT+fijT；

aji—溶液的有序特性參數。aij=cij+dij（T-273.15K）；aji=aij；

αji—溶液的特征函數。αji值定在0.2～0.47之間

χi—組分i的摩爾分數。

γi—組分i在液相的活度系數。

2.4定義物流

包括混合氣及吸收劑入塔時的操作溫度，操作壓力，流量以及各組分的摩爾分率等。如圖2-3所示。

2.5定義單元模型

2.5.1定義填料段數

按照拇指規(guī)則（thumb rule），每一個塔的底部就應該算一個段的高度，然而比較多的段數可以增加準確性。段的高度不應該小于使用的填料的平均高度。在本案中填料段數取10。無冷凝器和再沸器。如圖2-4所示。

2.5.2定義填料

填料選擇1.5inch散堆金屬階梯環(huán)填料，從1（表示填料塔的頂部填料段）開始，結束段的值10。

初步估計一個填料高度為1m。如圖2-5所示。

2.5.3定義塔徑

AspenPlus可以根據塔的液泛因子計算直徑。液泛氣速取空塔氣速的80%。初步估計一個塔徑為1m。如圖2-6所示。

2.5.4定義變量

本案中將要改變塔的填料高度來滿足離開塔的氣相中丙酮的摩爾分率要求。定義變量為離開塔的氣體的丙酮摩爾分率。如圖2-7所示。

2.5.5設定精度值及誤差

設定混合氣體出口中丙酮的含量值為0.00005；誤差限定值為0.000001。如圖2-8所示。

2.5.6定義處理變量為填料高度。如圖2-9所示。

模擬計算后我們想要得到的結果為填料高度，塔徑等。

2.6計算結果

初步計算后得到的填料高度為8.787m。如圖2-10所示。

物料衡算結果如下。

GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT對應的丙酮摩爾分率分別為0.169、4.98E-05、0、0.012。

從結果中可以看出，氣相出口和液相出口流股的丙酮含量均接近設計方案中希望達到的值。

2.7靈敏度分析

在實際問題中我們比較關心一個變量隨另一個變量變化的趨勢，既所謂的靈敏度分析，這一方法可用來進行流程的優(yōu)化。本案初步優(yōu)化的目標是找到填料高度與吸收劑流量之間的關系。確定一個較佳的吸收劑流量與塔高。

（1）定義測量變量為填料高度。同圖2-7所示窗口輸入。

（2）定義操作變量為吸收劑流量。同圖2-9所示窗口輸入。

（3）計算結果顯示。

a 數表結果。

如圖2-11所示。每一個吸收劑用量對應一個相應的填料高度。

b 圖形顯示。

用計算出來的數據作圖，觀察H隨L的變化趨勢。如圖2-12所示。

由H-L曲線可以看出隨著吸收劑用量的減小，填料高度逐漸增加。當達到吸收劑流量為568Kmol/h，填料高度為8.41m時，隨著吸收劑流量的減小，填料高度的增加發(fā)生很大的變化，這樣就造成了一次性投資過大。所以選擇一個較佳的吸收劑流量為568Kmol/h，其所對應的填料高度為8.41米。

3.初步校核計算

初步校核計算即為將初步計算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收劑流量（L=568Kmol/h）回帶到原計算過程中，將原來計算過程中的填料高度值和吸收劑流量值替換，進而為了計算得到塔徑。

3.1數值回帶

經過初步計算后我們得到了一個較佳的填料高度及其相對應的吸收劑用量。這時我們需要將這兩個值進行回帶計算將吸收劑用量回帶到液相進料流股。吸收劑流量變成568Kmol/h。同圖2-3所示窗口輸入。

將初步計算得到的填料高度回帶到填料設定中，將填料高度改為8.41m，如圖3-1所示。

3.2校核結果

校核計算后的物料衡算結果如下。

GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股對應的丙酮摩爾分率分別為0.169、5.03E-05、0、0.012。

從校核計算結果來看，氣相出口和液相出口流股的丙酮含量均滿足設計方案中所希望達到的值。所以初步計算中所選擇的填料高度及其所對應的吸收劑用量合理。

3.3靈敏度分析

本次靈敏度分析的目的即為找出塔高于塔徑之間的變化關系，進而得到一個合適的塔徑。

（1）定義測量變量為填料高度。同圖2-12所示窗口輸入。

（2）定義操作變量為塔徑。同圖2-13所示窗口輸入。

（3）計算結果顯示。

a數表結果。

如圖3-2所示。每一個填料高度對應一個塔徑。

b圖形顯示。

用計算出來的數據作圖，觀察H隨D的變化趨勢。如圖3-3所示。

由H-D曲線可以看出隨著填料塔直徑的減小，填料高度逐漸增加，當達到塔徑為0.8m，填料高度為8.41m時，隨著D值的減小，曲線的斜率發(fā)生很大變化。即隨著塔徑的減小，填料高度變化發(fā)生很大變化。所以選擇一個較佳的填料塔直徑為0.8米。對應的填料高度為8.41m，對應的吸收劑流量為568Kmol/h。

4.核算

核算即為將初步校核計算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收劑流量值（L=568Kmol/h）以及塔徑值（D=0.8m）經過圓整后（H=9m， L=568Kmol/h，D=0.8m）回帶到原計算過程中，將原來計算過程中的填料高度值和吸收劑流量值以及塔徑值替換，然后進行物料衡算與熱量衡算。并將所得到的值與設計方案中所希望達到的值進行對比，看是否達到目標。

4.1數值回帶

經過初步計算及校核后我們得到了一個較佳的填料高度及其相對應的吸收劑用量（填料高度為9m，吸收劑流量為568Kmol/h）。以及所對應的塔徑（塔徑為0.8m）。這時我們需要將這三個值進行回帶核算將吸收劑用量回帶到液相進料流股。吸收劑流量變成568Kmol/h。同圖2-3所示窗口輸入填料設定欄中，將填料高度改為9m，同圖3-1所示窗口輸入。

塔徑設定欄中，將塔徑改為0.8米，同圖2-6所示窗口輸入。

4.2計算結果

計算結果如下：

GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股對應的丙酮摩爾分率分別為0.169、4.96E-05、0、0.012。

從核算結果來看，氣相出口和液相出口流股的丙酮含量均滿足設計方案中所希望達到的值。所以核算中所涉及的填料高度極其所對應的塔徑，以及相對應的吸收劑用量均合理，并且出于對一次性投資及多次投資成本的總和考慮，本設計方案合理可行。

【參考文獻】

[1]Aspen Plus Unit Operation Models.Aspen Technology，Inc，2001.

[2]Aspen Plus Physical Property Methods and Models.Aspen Technology，Inc，2001.

[3]袁東艷.Aspen Plus軟件在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)技術改造中的應用[J].石油化工設計，2004.