使用Aspen Plus完成蒸馏塔的优化和动力外文翻译资料

 2022-08-11 10:08

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使用Aspen Plus完成蒸馏塔的优化和动力

摘要

全球能源需求增加，需要加强能源生产和有效利用。随着能源价格继续提高，节能是每个工业的首要任务。就优化和控制而言蒸馏是最值得研究的操作单元。因为蒸馏塔是化工厂主要的能源密集型设备，考虑到最近燃料成本的上涨，工程师们不得不寻找更优操作流程和控制系统，其中一个可操作重要的部分是找到蒸馏塔的最优进料塔板的位置。精馏中的能源消耗对整体盈利很重要。因此，塔的优化旨在更高的产量和质量的提高，。因为一个塔是多元系统，任何参数的干扰可以影响整体表现和产物丢失，这篇论文展示丙酮生产过程怎样方便的模拟得到温度，压力和组分分布，然后应用优化技术去提高性能。他是通过使用模拟器Aspen Plus完成的。通过分别操纵进料塔板位置和塔板的数量来优化再沸器负荷和最小回流比。结果表明，在第十块塔板进料时，再沸器的最小负荷为40.8mw,丙酮馏出率为98%

1.介绍

过程工业，为了完成他们的商业目标，考虑到不断变化的市场动态和强有力的环境法规，

利用模拟研究，设计一个最佳性能的设备，同时降低返工的风险。

近二十年来，模拟与控制研究在间歇和连续化工过程操作中得到了广泛应用，在过去的二十年里，工程师帮手计算技术的应用有了显着的增加，由于这些优点，工程师可以很容易地使用更强大的分析和合成技术，在数学建模方面还有改进的余地，但是大多数系统的动力学仍然可以有效地用于工程需求。在过去20年里，精馏塔建模和模拟一直是研究和工业领域讨论内容。自20世纪40年代后期以来，优化技术已被应用于具有工业重要性的问题，蒸馏过程是化学工程中最基本的单元操作，它们在化工和石油工业中作为分离方法具有重要意义。化学和石油工业在整个世界经济中占有很大的份额，蒸馏过程具有巨大的维护和运行成本，可能高于许多其他过程的总成本，因此，应该有一个有效、可靠的控制系统来保证精馏塔的高效、安全运行，它提出了各种具有挑战性的控制问题，精馏塔是高度多变量的，并表现出非线性行为。 因此，他们的控制不是一件小事。

蒸馏设计分析包括对某些情况下气液液的气液相平衡计算的详细研究，以及在讨论数字计算时对塔板间组分平衡的详细研究，精馏塔的动态模拟在开发有效的控制策略广泛应用，在目前的研究中，稳态模拟正在进行使用 aspen plus，其次是Aspen Dynamics模拟，Aspen科技公司授权的软件。Aspen Dynamics是一种动态模拟器，通常用于研究在某些稳态设计操作点附近的连续过程的动力学和控制，通过添加一个全面的在线过程建模系统，aspen plus 增强了建立和运行过程模拟的过程。

Aspen plus 和 Aspen dynamics 开发了一个非常复杂的模拟，包括多个复杂的步骤和脚本，这是一个非常冗长的设计和分析过程。研究人员已结合稳态模拟器 aspen plus 和动态模拟器 aspen dynamics进行控制方案的模拟。人们可以很容易地预测任何过程的行为，通过使用原料和工程的关系，如质量和能量平衡，相平衡和化学平衡。流程模拟有能力运行不同的情况，如“假如”分析、敏感度分析和优化运行。模拟可以设计优化的工厂，也可以通过多次运行提高现有工厂的盈利能力。

命名法：V 蒸气沸腾 R 回流 D 馏分流量 L 液体流量 B 底部流量 alpha; 相对挥发度 y 蒸气组分 x 液体组分 M 组分（液体/气体） h 焓 NF 进料板

2. 稳态连续过程建模装置

丙酮被用作生物敏感过程和药剂配方的溶剂。全仪器化控制精馏塔是位于马来西亚国家石油公司第三大块的一个精馏塔，它可以使用异丙醇和丙酮的混合物自给自足地运行，第一步是在 aspen plus 建立一个模拟系统，这个系统需要一些设备来测量柱子和辅助设备的尺寸，值得注意的是，Aspen Plus流程图必须是一个连续的投料和产品流过程。为了保证产品质量，对精馏塔的参数变化进行了系统的、真实的建模，提高了对精馏塔参数变化的理解。由已知组分(混合物30% 丙酮组分)的二元混合物 ipa 和丙酮组成的虚拟大型进料通过热回收交换器从进料槽泵入精馏塔，温度和进料点均在所需温度，如图1所示。 下面的单元操作块数据用于模拟表1中提到的塔。

采用中试规模的精馏塔三段分离塔，进行了模拟实验研究。该塔由15个泡罩塔板组成，塔板大小为 dn 150x5.5 m (h) ，塔板间距约为35厘米。塔高假定为0.0025米，塔板压降为0.01 bar / 塔板。基本的Aspen Plusreg; RADFRAC已经被选中，隐含地包括一个冷凝器和一个再沸器，RADFRAC计算每个阶段的 t，p，x，y，v 和 l。它根据投料的泡点温度和露点温度来估算温度分布， RADFRAC塔在额定值或设计模式下操作。进料条件和其他参数见下文表2。 上级为第2级，下级为第14级，冷凝器和再沸器分别为第1级和第15级。 选用总冷凝器从冷凝器中提取液体。

Fig.1.Aspen Plus稳态模拟

表格1:塔/再沸器参数（参考UTP第三板蒸馏塔）

蒸馏塔(T-100)

参数 数据

参数 数据

塔高

150毫米

塔的类型

泡罩塔

塔宽

5.5米

塔面积

大约35cm

塔板数

15块板

材料

不锈钢

进料位置

可变的

其他参数

每节2塔

表格2：投料条件和其他参数（参考UTP第三板蒸馏塔）

参数 投料

参数 投料

温度[c]

30.0

回流比【摩尔】

3.0

压力【kpa】

105.6

蒸馏速率【kmol/h】

1080

分子流量【kmol/h】

3600.0

冷凝器压力【kpa】

101.3

丙酮摩尔分数

0.3

再沸器压力【kpa】

105.7

异丙醇摩尔分数

0.7

2.1热力学性质列表

选择合适的热力学模型和参数的准确性对设计的可靠性至关重要。 本文选用非任意双液(nrtl)模型作为 aspen hysys 稳态模拟的物理状态方程(base method)。 Nrtl 模型通常用于高度非理想的化学体系，可用于 ＶＬＥ 和 ＬＬＥ应用。

2.2数学模型

二元系统(两个组分)的相对挥发度在整个塔和理论(100% 有效率)塔板，即蒸汽离开塔板是平衡的液体在塔板上被假定。 这意味着简单的汽液平衡关系

单一进料流在其鼓泡点以饱和液体形式进入塔盘，进料流量为 f (摩尔 / 分) ，组成为 z (更多挥发性组分的摩尔分数)。 顶置蒸汽在冷凝器中完全凝结，流入回流鼓，回流鼓持量为 md (摩尔)。 鼓的内容被假设是完全混合的组成 xd。 鼓内的液体处于气泡点。 回流被泵回塔顶塔盘(nt) ，以速率 r 顶馏分产品以速率 d 被除去，液体底部产品以速率 b 被除去，并且组成 xb。 在热虹吸式再沸器中，以 v 的速率产生蒸汽沸腾，我们假设再沸器中的液体和塔底的液体完全混合在一起，具有相同的组成 xb 和总滞留量(摩尔)。

冷凝器和回流器

组件的连续性(更易挥发的组件)

再沸器和柱基:

完全连续性:

组件连续性

每个模块的稳态运行由以下方程组组成，通常称为网格方程。 [网状物质平衡方程，效率关系，求和方程，和热(焓)平衡方程。

物质平衡方程

板效率方程

在这里，

求和方程

焓平衡方程

2.3 假设

精馏塔由下列假设的非理想塔组成，

①塔板上的液体是完全混合且不可压缩的。

②盘蒸汽滞留可以忽略不计。

③忽略了冷凝器和再沸器的动力学。

④汽液处于热平衡(相同温度) ，但不处于相平衡状态。

⑤假设柱是完全隔离的。

2.4塔优化参数

化学过程中的能量减少对能量优化和成本效益生产至关重要。 然而，蒸馏是高能量密集型的，在一个典型的化学或石油化学过程中可以消耗总能量的十分之九。 在大多数精馏塔中，主要操作费用是再沸器能耗。 在模拟中，使用了设计规格来保持塔的顶部和底部组成，以获得最大的纯度。 这可以通过使用优化方法的塔进料位置，最小没有。 以及最低回流比。 选择最佳进料位置对于提高精馏塔的性能至关重要。 精馏塔进料位置不当会降低塔的性能，在相同的回流 / 沸腾比下分离度降低，或者需要较高的回流 / 沸腾比才能保持分离度[21]。 目标是尽量减少重沸器的热负荷，它占运行费用的很大一部分。 因此，最佳化问题被解决。

目标函数1： 目标函数2：

最小热 最小回流比

计算： 计算：

2.5 Aspen Dynamics

对于控制策略的发展，需要将稳态模型转化为动态模型。 将在 aspen plus 中建立的模型导出为 aspen 动力学中的压力驱动模拟。 在输出到Aspen Dynamics系统之前，必须确定每个设备的尺寸和初始规格，包括(在Aspen Dynamics系统中阀门压降、泵的吸入或排出压力等) ，加上塔的动力学，回流鼓的尺寸为直径4.08 m，长度为8.16 m，水仓的尺寸为直径5.08 m，高度为10.16 m。 应该注意的是，水泵不习惯的流量将设置为零的流量，因为错误信息会出现在阿斯彭动态时，通过泵的流量是零。 在这个阶段的文件现在准备检查作为一个现实的压力驱动的动态模拟可以研究。 这可以通过点击压力检查，要么这个文件准备移动到阿斯彭动态或没有。 在正确定义管道的情况下，该文件准备导出到 aspen dynamics，以生成“ dynf”扩展文件

2.6 Aspen Dynamics和控制结构的初步建立

成功导出文件“ dynf”并在 aspen dynamics 中打开后，第一件事是检查两个集成器是否运行正常。 在实践中，常见的错误消息可以被称为“未能进行初始化”。 这是因为管道错误，所以必须有一些修正，在阿斯彭加稳定状态，以配置适当的控制结构。 直径较大的15个塔盘的塔需要一些时间在塔顶输送蒸汽。 一旦蒸汽到达上塔顶部，蒸汽就被浓缩，液体开始充满回流鼓。 建立了满足泵吸汽蚀余量要求的充液量，使回流筒内液体保持在较低水平。 在阿斯彭动力学中打开的初始流程如图2所示。 一个默认控制器已经自动安装与闭环程序流程图，即压力控制器在冷凝器，在控制配置面板可以看到，默认的压力范围是从(0-2bar)和这个控制器是保持控制器的压力通过操纵冷凝器散热(直接 qc)的阿斯彭加默认调整参数使用(kc 20和 i 12分钟)

Fig.2一开始输出Aspen Dynamics界面

3.结果与讨论

3.1稳态模拟

本研究的第一步是分析一个给定的二元混合物系统，用一个定义的物理性质包。 阿斯彭的物理属性系统有很大的不同。 不同模型的内置二进制参数。 通过计算全部隐藏的相平衡关系，可以很容易地在山杨中生成柱状图，即温度、压力、组成。 选择块状柱，绘制柱温曲线和组成曲线，如图3所示。 当回流比为3摩尔时，塔顶丙酮的纯度为97%。

Fig.3：温度，压力和塔的组分分布

3.2最佳进料板和最小条件

一旦压力、温度、组成分布和摩尔纯度被确定到期望值，我们就可以找到最佳的进料盘。 此外，最小回流比和最小回流比。 也可以确定在最佳条件下运行塔。 在固定的塔顶和塔底组成下进行模拟，得到最佳的进料塔板。

如图4所示，

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