Aspen如何做塔设计和水力学校核
前言
Aspen提供了DSTWU、Distl、RadFrac、Extract等塔单元模块，这些模块可以模拟精馏、吸收、萃取等过程，可以进行操作型计算，也可以进行设计型计算，可以模拟普通精馏，也可以模拟复杂精馏，比如萃取精馏，共沸精馏，反应精馏等。
塔单元模块介绍
| 模块 | 说明 | 功能 | 适用对象 |
|---|---|---|---|
| DSTWU | 使用Winn-Underwood-Gilliland方法的多组分精馏简捷设计模块 | 确定最小回流比、最小理论板数以及实际回流比、实际理论板数等 | 仅有一股进料和两股产品出料的简单精馏塔 |
| Distl | 使用Edmister方法的多组分精馏简捷校核模块 | 基于回流比、理论板数及D/F（塔顶采出与进料比值）确定分离情况 | 仅有一股进料和两股产品出料的简单精馏塔 |
| SCFrac | 复杂石油分馏单元简捷设计模块 | 确定产品组成和流量，估算每个塔段理论板数和热负荷等 | 原油常减压蒸馏塔等 |
| RadFrac | 单塔精馏严格计算模块 | 进行单个精馏塔的严格校核和设计计算 | 常规精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、三相精馏、反应精馏等 |
| MultiFrac | 多塔精馏严格计算模块 | 进行复杂多塔的严格校核和设计计算 | 原有常减压精馏塔、吸收/汽提塔组合等 |
| PetroFrac | 石油蒸馏模块 | 进行石油炼制工业中复杂塔的严格校核和设计计算 | 预闪蒸塔、原油常减压蒸馏塔、催化裂化主分馏塔、乙烯装置初分馏塔和急冷塔组合等 |
| Extract | 溶剂萃取模块 | 萃取剂与原料液在塔内逆流完成原料液中所需组分的萃取 | 液-液萃取塔 |
精馏塔简捷设计
简捷法设计乙苯-苯乙烯精馏塔。
进料量12500kg/h ，温度45 °C ，压力101.325KPa ，乙苯0.5843（质量分数，下同），苯乙烯0.415，焦油0.0007（在本例题中采用正十七烷代表焦油），塔顶为全凝器，冷凝器压力6KPa ，再沸器压力14KPa ，回流比为最小回流比的1.2倍。要求塔顶产品中乙苯含量不低于0.99，塔底产品中苯乙烯含量不低于0.997。物性方法采用PENG-ROB
求最小回流比、最小理论板数、实际回流比、实际理论板数、进料位置及塔顶温度，并生成回流比随理论板数变化图
开始模拟：
新建空白模拟，输入组分：
点击下一步，选择物性方法：
点击下一步，选择转到模拟环境，建立如图所示流程图：
DSTWU模块采用ICON1图标
在全局设定中填写标题：
点击下一步，输入进料条件：
点击下一步，输入模块参数：
回流比输入-1.2表示实际回流比是最小回流比的1.2倍，如果只输入1.2则表示实际回流比是1.2
本例题中乙苯EB为轻组分，苯乙烯STYRE为重组分，根据产品纯度要求，计算可得塔顶乙苯的摩尔回收率为99.91%，塔底 苯乙烯的摩尔回收率为98.58%，苯乙烯在塔顶中的摩尔回收率为1-0.9858=0.0142
由用户指定浓度或者提出分离要求的两个组分称为关键组分，易挥发的低沸点组分称为轻关键组分，难挥发的高沸点组分称为重关键组分，假定塔内存在组分A、B、C、D，其沸点依次降低，下表可以清楚的表达不同的分离要求下所对应的轻重关键组分情况：
1 2 3 塔顶 A AB ABC 塔底 BCD CD D 轻关键组分 A B C 重关键组分 B C D
下一步，运行模拟，点解确定开始模拟：
查看结果
计算出的最小回流比为4.26，实际回流比为5.11，最小理论板数为35（这是包括全凝器和再沸器的），实际理论板数为65（也包括全凝器和再沸器），进料位置为第25块板，塔顶温度为54.59℃
一般来说使用循环水作为冷却介质时塔顶温度需要大于40℃，本例中可以使用循环水作为冷却介质
生成回流比随理论板数变化表：
进入DSTWU模块的输入，计算选项界面，勾选生成回流比与理论塔板数据表格，并输入相关数据后，点击下一步，运行模拟
在结果，回流比选项卡里可以查看塔板数与回流比的关系表
在工具栏选择自定义绘图，选择X轴为理论塔板数，勾选Y轴为回流比，点击确定生成散点图：
通过作理论板数与回流比乘积vs. 理论板数NXRR vs. N 曲线，可较为明显的找出最低点，其对应的数值即为合理的理论板数（可通过将数据粘贴至Excel中进行数据拟合）
直观的得到最低点65为合适的塔板数
精馏塔简捷校核
新建模拟，输入组分和物性方法，和上例相同
建立流程图：
注意塔模块是DISTL，不要弄错了
进入全局设定，标题为Distl
进入流股报告选项，勾选摩尔和质量：
进入进料选项，和上例相同
进入模块参数，输入上例计算的结果：
点击下一步开始进行模拟
查看结果
得到冷凝器和再沸器的热负荷
进入结果摘要，流股，得到塔顶产品物流ETHBZ-PD中乙苯EB的质量分数和塔底产品物流STYR-PD中苯乙烯STYRE的质量分数：
精馏塔严格计算
在上例简捷计算的基础上，对乙苯-苯乙烯精馏塔进行严格计算，进料条件、冷凝器形式、冷凝器压力、再沸器压力、产品纯度要求以及物性方法与上例相同，塔顶压力6.7KPa ，再沸器采用釜式再沸器
求：
- 根据简捷设计的结果，利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度
- 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流量以及冷凝器和再沸器的热负荷
- 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
- 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
- 求达到分离要求的最小回流比
- 求达到分离要求的最小理论板数
新建模拟
输入组分，物性方法，与简捷设计一致
建立如图所示流程：
注意使用的是RadFrac模块FRACT1图标
进入进料条件，与简捷设计相同
输入模块参数：
进入流股，输入进料位置及进料方式：
进入压力，设置相关压力：
点击运行模拟
查看结果
结果发现产品纯度不够，题目要求乙苯质量分数为0.99，苯乙烯0.997，均不达标
RadFace模块可以通过添加设计规范达到分离要求，如产品的纯度或者回收率
添加设计规范：
新建一个调节变量：
添加第二个塔内设计规定，即苯乙烯0.997和第二个调节变量塔底产品与进料的流量比
由于塔底流量小于塔顶流量，所以把馏出物进料比改为我们刚才计算的结果，塔底产品与进料比0.4147
添加第二个设计规范：
添加第二个调节变量：
点击进行模拟，流程收敛
查看收敛结果
可以看到，质量纯度已经符合要求
可以看到热负荷和温度
塔内温度、组成、流量分布以及热负荷
选择相对应的绘图工具绘制曲线
选择组成，生成乙苯和苯乙烯的液相质量组成分布线
这个时候还可以添加灵敏度分析，让结果更精确更可靠，不过本篇文章不需要这么精确，所以之后再说~
塔水力学分析
本例采用塔水力学分析功能设计塔内件，塔板类型选择浮阀塔板，设计基准为最高喷射液泛为85%，最高降液管泡沫层高度65%，体系因子为1
选择绘图工具流率，设置为质量流量：
生成塔内气液质量流量分布图：
点击设计和指定塔内件：
生成水力学数据，跳转至下图界面：
在自动分段中选择基于流量
选择浮阀塔板，溢流程数选择2：
点击下面的查看水力学操作图，进入如下界面：
可以看到各塔板操作点均在适宜操作区内
进入塔板设计界面：
修改设计参数最大液泛和最大降液管持液量为85%和65%：
同样，将CS-2的参数也修改为85%和65%
修改完成之后运行计算，如果发现塔水力学计算结果有警报，那么修改CS-1和CS-2的塔径分别为4m和3.8m
查看结果
所有塔板工作正常
塔内压力分布图：
校核
将塔段计算模式更改为校核模式
再次查看塔内压力分布：
塔内件水力学结果：
全塔压降31.8244KPa ，全塔最大液泛率85.2266%
补充内容
可以根据下图所示的方法去调整塔器参数，以达到符合水力学结果的目的