王相宇乙苯和苯乙烯的AspenPlus精馏过程模拟优化

1、本科毕业论文（设计）( 2016届 ) 题 目： 乙苯和苯乙烯的Aspen Plus 精馏过程模拟优化 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 应用化学 学生姓名： 王相宇 学号： 120911229 指导教师： 盛敏刚 职称（学位）：副教授（硕士） 完成时间： 2016 年 4 月 5 日 池州学院教务处制学位论文原创性声明本人所提交的学位论文，是在指导教师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中加以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果，如有不实之处，由本人承担一切相关责任。 声明人（签名）： 年 月 日目 录 摘要- 1 -Abstract

2、- 2 -1 前言- 3 -1.1 研究目的与意义- 3 -1.2 Aspen Plus简介- 3 -1.2.1 Aspen Plus软件的历史- 3 -1.2.2 Aspen Plus软件的特点- 3 -1.2.3 Aspen Plus的主要功能- 4 -1.2.4 分离单元模块- 4 -1.3 课题介绍- 4 -2 模拟流程及计算- 5 -2.1 物性计算- 5 -2.2 操作模型- 5 -2.3 分离物质的起始条件- 5 -2.4 参数选取- 5 -2.5 模拟流程- 5 -2.5.1 建立流程- 5 -2.5.2 进料组分- 6 -2.5.3 设置物性方法- 6 -2.5.4 流量参数

3、设置- 6 -2.5.5 精馏塔的参数设置- 7 -2.5.6 结果模拟输出- 8 -2.6 设计规定- 11 -2.6.1 输入设计规定和操纵变量- 11 -2.6.2 运行结果- 12 -3 灵敏度分析- 13 -3.1 灵敏度分析- 13 -3.2 模型分析工具设置- 13 -3.2.1 创建分析单元S-1- 13 -3.2.2 创建分析变量和设置被控变量- 13 -3.2.3 设置操纵变量- 14 -3.3 计算结果及分析- 15 -3.3.1 计算结果数据- 15 -3.3.2 数据分析- 15 -4 优化分析- 16 -4.1 优化分析- 16 -4.2 优化分析设置- 16 -4

4、.2.1 定义目标变量- 16 -4.2.2 目标变量设置- 16 -4.2.3 操纵变量设置- 16 -4.2.4 操纵变量设置- 17 -4.3 优化计算结果- 17 -5 结论- 18 -参考文献- 20 -致谢- 21 -附录- 22 -池州学院本科毕业论文（设计）摘要Aspen Plus是一种适应化学工艺越来越综合化、大规模化、复杂化的趋向，已全方位应用于化学工程研发、设计、仿真、实际操作过程控制、优化等的大型软件。利用Aspen Plus模拟设计不仅经济，而且效率高，可以节约生产成本、解决复杂计算的困难，有效的提高计算的精准性，跨越从实验到工业化扩大生产的不确定性。根据设定要求和条

5、件，利用Aspen Plus软件模拟设计一高效精馏塔，可以确定精馏塔的理论板数、回流比和最佳进料板位置等设计参数。通过模拟得出结果：回流比为R=5.36，理论板数为NT=65，进料板位置NF=28。关键词：Aspen Plus；精馏；模拟；乙苯；苯乙烯AbstractAspen Plus is a chemical process to meet more and more integrated, large scale, complicated by the trend, has comprehensive application in chemical engineering resear

6、ch and development, design, simulation and practical operation process control and optimization of large software. using the Aspen Plus simulation design not only economic and of high efficiency and can save production cost, difficult to deal with complicated calculation, effectively improve the cal

7、culation precision, across from the experiment to the uncertainty of industrialization to expend production. According to the requirements and conditions, the use of Aspen Plus software simulation design a high efficient rectifying column, column can be determined the theoretical plate number, reflu

8、x ratio and the best design parameters such as feed plate location. Through simulation results: reflux ratio R=5.36, theoretical plate number NT=65, feeding plate position NF=28. Key Words：Aspen Plus; Distillation; Simulation; Ethyl benzene; Styrene 1 前言1.1 研究目的与意义近年来，由于计算机技术在化工生产及设计应用上的飞速发展，所以就要求我们

9、必须掌握一些先进的计算机技术，以适应行业的发展，显得尤为重要。化工设计是指对化工过程进行操作条件的设计，设计一些的单元设备，将这些单元设备合理有效地组合起来，从而实现从原料输入到产品输出的最佳操作条件1。Aspen Plus是一种适应化学工艺越来越综合化、大规模化、复杂化的趋向，已全方位应用于化学工程研发、设计、仿真、实际操作过程控制、优化等的大型软件，拥有完善的物性数据库和完善的操作模型，能够满足工业的需求。正是由于它的精准计算，所以它现在在国内外化工设计中被广泛使用。将Aspen Plus 应用于化工设计，能为我们未来从事有关化工的工作奠定坚实的根底。本文根据设定要求和条件，利用Aspen

10、 Plus软件模拟设计一高效精馏塔用来分离乙苯和苯乙苯，确定精馏塔的理论板数、回流比和最佳进料板位置等设计参数。1.2 Aspen Plus简介1.2.1 Aspen Plus软件的历史Aspen Plus软件在19761981年期间由麻省理工学院主持，五十多个高校与公司参与开发研究的的新型化工流程模拟系统“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN）2。1981年成立AspenTech公司，将该软件商品化，并将其更名为Aspen Plus，经过三十多年的不断发展，该软件的应用范围越来越广泛。在实际应用中，Aspen P

11、lus可以帮助我们快速的解决开发、设计的过程中常见的问题，如实验数据回归、初步流程设计、物料与能量的严格计算、灵敏度分析和过程优化等3。Aspen Plus之所以被广泛用于化工、炼油、食品、医药等多种工业领域的工艺流程模拟、性能监控、优化等贯穿于整个生产流程的过程中，就是因为Aspen Plus软件能够准确模拟各种实际操作过程中可能出现的问题。1.2.2 Aspen Plus软件的特点（1） 计算结果准确可靠 20多年来Aspen Plus工业计算案例已经超过百万例，验证了软件计算结果的精确性。（2） 单元模型库丰富 Aspen Plus目前提供由50多种严格模型组成的单元操作模型库。例如、精

12、馏、吸收、萃取等单元操作的的严格计算模型。（3） 丰富的物性数据库 Aspen Plus拥有的物性数据库，约1800个纯组分、4000种固体、2500种无机物、4000种物质水溶液4，还有多种状态方程及估算物性所需的参数，我们可以根据物性的特点、操作条件选择合适的物性方法和模型。根据Aspen Plus，对两相或者三相混合物进行分离模拟计算，就能够得出塔板数、进料板位置、回流比等主要操作参数条件。（4） 热力学及传递计算方法完善 Aspen Plus拥有的计算和热力学的模型和各种方法的组合共有43种。例如：Chao-Seader模型用来计算烃类混合物；UNIFAC、Wilson、NRTL模型用

13、来计算非理想液态混合物系的活度系数等4。（5） 用户自定义能力强 Aspen Plus拥有强大的自定义功能。用户可以根据自己的需求定制Aspen Plus的模型，如操作模型、热力学模型、基础工艺条件等2。1.2.3 Aspen Plus的主要功能Aspen Plus之所以可以用来模拟单元操作过程，是因为它拥有以下功能4：（1）可以利用模型进行进行严格的能量计算和质量平衡计算；（2）预测物流的成分含量、质量流率或摩尔流率以及组分的性质；（3）预测实际操作条件；（4）具有强大的模型/流程分析功能5：计算器有FORTRAN和Excel选项；灵敏度分析工艺参数随装置规定和操作条件的变换而变化的趋势；设

14、计规定计算满足要求规定获的设计要求的工艺操作条件或参数；数据拟合将计算结果数据与实际设备数据进行拟合，确保符合工厂实际状况；优化作用确定装置操作条件，最大化或者最小化任何规定的目标，如收率、能耗、物料纯度及费用条件等。1.2.4 分离单元模块Aspen Plus具有DSYWU、Distl、RadFrac、Extract等分离单元模块。这些模块可以进行模拟蒸馏、吸收、萃取等过程；既能够模拟操作计算，又能够设计规定计算；既可以进行严格算法，又可以进行简洁算法；不仅一般精馏能够给模拟，而且特殊精馏也可以被模拟，比如说萃取精馏、反应精馏、共沸精馏等。各塔模块介绍见表1-12。表1-1 塔模块介绍模块说

15、明功能适用对象 DSTWU使用Winn-Underwood-Gilliland方法的多组分精馏的简洁设计模块确定最小回流比、最小理论板数及实际回流比、实际理论板数等仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔Distl使用Edmister方法的多组分精馏的简洁校核模块计算产品组成仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔RadFrac单个塔的两相或三相严格计算模块精馏塔的严格核算和设计计算普通精馏、吸收、汽提、萃取精馏、反应精馏1.3 课题介绍 本论文主要是利用Aspen Plus中的精馏模块对乙苯和苯乙苯进行灵敏度分析及设计规定能力的操作。本论文是参考了许多文献，基于前人的研究成果，研究的是分离乙苯和苯乙苯的

16、流程。在精馏的单元操作中，原料的进料板位置和回流比的改变都会影响产品的质量分数6，利用Aspen Plus对其的操作条件进行模拟，最后得出最佳的单元操作工艺条件。2 模拟流程及计算2.1 物性计算数学模型恰当与否，将会直接影响所计算的物性数据的的准确性，从而影响到计算结果的准确度。该计算体系为非极性体系的乙苯和苯乙烯的分离，所以我们选择用PENG-ROB物性计算方法7。2.2 操作模型RadFrac模型可以对汽液分离单元操作进行严格模拟计算,比如说一般精馏、吸收、再沸吸收、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等精馏过程。可以用于气液两相传质体系、三相传质体系等。另外，对于液相具有强非理想性的体系同样能实现

17、良好的模拟结果8。2.3 分离物质的起始条件需要进行模拟分离的组分为乙苯（ETHYLBENZENE）、苯乙烯（STYRENE），它们的起始条件如下表所示：表2-1 物性参数组分ETHYLBENZENESTYRENE焦油/C17H36W%58.4341.50.07流量（kg/hr）7303.755187.58.75温度（）45压力（kPa）101.325模拟分离所需要达到的要求：塔顶产品乙苯不能低于99%（质量分数），塔底产品中苯乙烯含量不能低于99.7%（质量分数）2。 2.4 参数选取经过简洁计算后，模型塔的塔板数NT=65，其中包括一个塔顶冷凝器和一个再沸器；进料板NF=25；取回流比R=

18、5.08122（为最小回流比的1.2倍）；塔顶产品与进料摩尔流率比（D/F）=0.5897；如果计算的参数不包括某些条件，则参数设为零。2.5 模拟流程2.5.1 建立流程打开Aspen Plus软件，创建新的模拟流程图，进入用户主界面，在模型库中选择Colum类型中的RadFrac模块。图2-1 RadFrac流程图画好流程的基本单元后，用物流将个单元设备连接起来（红色标记处必连），整个流程结构画好后，红色标记会消失，流程建立工作完成。2.5.2 进料组分在Components一栏中，从Aspen Plus数据库中确定所需要输入的组分乙苯、苯乙烯、焦油。图2-2 定义组分2.5.3 设置物性

19、方法选择的物性计算方法是否合适对于模型模拟的准确性来说是至关重要的，这里我们的物性方法选择PENG-ROB方法。2.5.4 流量参数设置物流参数的设置，包括压力P=101.325kPa、温度T=30、质量分数X1=0.5843、X2=0.415、X3=0.0007、质量流量F=12500kg/hr等进料物流数据。如下图所示：图2-3 设置物流成分2.5.5 精馏塔的参数设置在DSTWU计算结果的基础上，用RadFrac模块进行精确模拟计算，输入理论板数65、回流比设为5.08112、馏出比0.5897，冷凝器选择Total（全凝）类型，再沸器选择Kettle类型。图2-4 设置理论板数、回流比

20、和馏出率在Stream页面中输入物流的进料板位置NT=25；在Pressure页中输入第一块塔板即冷凝器的压力P=6kPa，塔顶压力P=6.7kPa，全塔压降P=7.3kPa。所有数据全部输入完毕后，开始进行运算。当页面上显示计算完成时，既可以在其他窗口查看相关计算结果数据。如图2-5、2-6所示：图2-5 进料板位置设置图2-6 压力设置2.5.6 结果模拟输出可以查看到各块塔板的温度、压力、热负荷、相平衡常数，以及每种相态的流量、组分组成和物性，据此可以确定最佳进料板位置。部分数据如下图所示：图2-7 程序运行部分结果上图详细数据见附表一图2-8 TPFQ结果上图详细数据见附表二图2-9

21、每一块塔板上的组分组成上图详细数据见附表三上图数据绘制图形如下：图2-10 塔内液相质量组成分布曲线图2-11 乙苯和苯乙烯的产品纯度运行结果不满足99%的乙苯从塔顶排出，同时塔底排出的苯乙烯纯度也小于所要求的值99.7%，所以要加入设计规定。2.6 设计规定对于单元操作来讲，要想一些参数达到要求，就需要调整某些参数来满足要求。设计规定：99%的乙苯从塔顶排出，99.7%的苯乙烯从塔底排出。操纵变量：回流比的变化范围48，塔底产品与进料摩尔流率比变化范围0.40.43。参数设计如下：2.6.1 输入设计规定和操纵变量输入乙苯的设计规定、目标值、目标组分、目标物流。输入质量纯度与目标值，如下图：

22、图2-12 乙苯的设计规定和目标值选取目标组分为EB图2-13 选择组分选取目标物流为ETHBZ-PD图2-14 选择产物物流设定乙苯的操纵变量-回流比，变化范围为从4到8。图2-15 操纵变量设置用同样的方法将苯乙烯的设计规定和操纵变量添加进去。2.6.2 运行结果设计规定完成后运行计算，部分结果如下：图2-16运行结果概要根据运行结果，我们可以得出乙苯的质量纯度达到我们所要求的99%，苯乙烯的纯度也达到所要求的99.7%，满足设计规定。3 灵敏度分析3.1 灵敏度分析通过灵敏度分析，Aspen Plus会在不同的条件下完成模拟结果，通过对计算结果的分析，找到最佳工艺条件。本文选择对进料板位

23、置进行灵敏度分析，目标变量是最小能耗，变量是进料板位置。3.2 模型分析工具设置3.2.1 创建分析单元S-1图3-1 创建分析单元3.2.2 创建分析变量和设置被控变量图3-2 创建分析变量图3-3 选择变量类型和说明3.2.3 设置操纵变量操纵变量为塔板数和进料板位置 ，首先定义塔板数从60增到65，增量为1。 图3-4 定义操纵变量-塔板数继续定义操纵变量进料位置，从20变化到35，增量为1，如下图3-5所示，设置完成后，开始运行计算。图3-5 定义操纵变量-进料位置3.3 计算结果及分析3.3.1 计算结果数据计算部分数据如下图所示：图3-6 计算结果部分数据3.3.2 数据分析由数据

24、绘制的图形如下：图3-7 灵敏度分析S-1结果图由数据及图形分析可得到，当能耗最小时，进料板位置应选择在NF=28。而且，如果再改变理论板数，能耗变化不会太大，且设备费用也会增加。4 优化分析4.1 优化分析Aspen Plus优化功能允许构建一定的目标函数，通过设置操纵变量及设计规定来满足设计规定的前提下，使目标函数达到最小或者最大。在塔顶乙苯的质量分数为99%，且塔底苯乙烯的质量分数为99.7%的前提下，使用目标函数“0.001*ENG2+ENG1”9为最小的操作条件。4.2 优化分析设置4.2.1 定义目标变量图4-1 定义目标变量4.2.2 目标变量设置分别设置摩尔回流比、塔板数为目标

25、变量。 图4-2 定义第一个变量 图4-3 定义第二个变量4.2.3 操纵变量设置目标变量的定义和设置完成后，编写目标函数，具体如下所示：图4-4 编写目标函数4.2.4 操纵变量设置设置塔板数为操纵变量，设置参数如下图：图4-5 操纵变量设置4.3 优化计算结果完成以上设置后，进行运行计算，得出结果。如下图所示为运行结果部分数据：图4-6 优化计算得到的混合物的分离结果图4-7 核算后的回流比、热负荷的结果Aspen Plus的模拟结果满足了99.7%的苯乙烯从塔底排出，而98.98%的乙苯也近似满足从塔顶排出分离要求，此时的回流比为R=5.36，理论板数为NT=65，进料板位置NF=28，

26、馏出比D/F=0.5896，模拟过程满足了设计的要求，从而模拟过程就可以指导生产实践了。5 结论在计算模拟中严格按照所要求的起始条件：含乙苯58.43%、苯乙烯41.5%、焦油 0.07%的混合物（F=12500kg/h、P=101.325kPa、T=45）用精馏塔分离，严格按照99%的乙苯从塔顶排出，99.7%的苯乙烯从塔底排出的分离要求，进行模拟采用全凝器。应用Aspen Plus软件中的DSTWU简洁计算模型和RadFrac严格计算模型，对乙苯和苯乙烯混合物的分离进行模拟，得到符合实际条件的操作参数。根据设计规定、灵敏度分析、优化分析，在保证能耗较低、且满足回收率的条件下，模拟得出最终结

27、果，R=5.36、NT=65、NF=28、D/F=0.5896。综上所述，应用Aspen Plus进行模拟，避免实际操作上不必要的麻烦，既可以模拟分离，又可以进行优化和灵敏度分析，减轻了计算量10，大大提高了设计效率和质量，因此利用Aspen Plus模拟设计不仅经济，而且效率高，可以节约生产成本、解决复杂计算的困难，有效的提高计算的精准性11。参考文献1 曹俊雅，王光耀，朱凯，等Aspen Plus 在化工设计中的应用实践与探索J新课程研究（中旬刊，2012，（8）：93-942 孙兰义化工流程模拟实训-Aspen Plus教程M北京：化学工业出版社，2010：2-3，88-893 薛科创，

28、闫晓前Aspen Plus 8.0在精馏设计中的应用J广东化工，2014，41(2)：107-108.4 李谦，毛立群，房晓敏计算机在化学化工中的应用M北京：化学工业出版社，2014：156-1575 熊杰明，杨索和Aspen Plus 实例教程M北京：化学工业出版社，2012：1-26 王智娟，王惠平乙苯-苯乙烯精馏分离过程模拟计算J广东化工，2013，40(2)：29-307 李蓓Aspen Plus在精馏操作分析中的应用J科技创新与应用，2013，(26)：328 樊艳良用 Aspen Plus 对反应精馏的模拟计算J上海化工，2007，32（5）：4-99 万利国计算机在化学化工中的应

29、用M化学工业出版社，2011：1-810 刘宽，王铁刚，王莉，等当代流程模拟软件的介绍与对比J当代化工，2013，42(11)：1550-155311 刘湘，王兰娟化工设计软件在化工原理课程设计中的应用J化工高等教育，2012，(6)：64-66致谢这篇论文是在盛敏刚老师的指导下完成的，盛老师严谨、扎实的工作作风，勤奋、进取的治学态度，以及宽以待人的学者风范、诲人不倦的育人精神，使我受益匪浅。我很荣幸能够跟着盛老师做论文。另外，还要感谢学校、感谢亲爱的老师们，是他们的辛勤工作，让的我们的思想得以升华、知识得以转化吸收。我们每一点点滴滴的进步都是老师们对我们关爱与希望的体现！衷心祝愿敬爱的老师们

30、身体健康、工作顺利、桃李满天下！最后，还要感谢充满友爱的同学们。在这四年里，因为有他们的陪伴，生活的道路上我才不会感到孤单。在生活和学习上都给予了我无私的帮助。衷心祝愿亲爱的同学们前程似锦！附录附表一 模拟结果数据FEEDETHBZ-PDSTYR-PDEB69.2792269.031670.2475558STYRENE49.205680.887822548.31786TAR0.08299753.03E-660.0829975Total Flow kmol/hr118.567969.9194948.64841Total Flow kg/hr125007421.3815078.619Total F

31、low cum/hr14.528748.8476916.005139Temperature C4554.6036783.01812Pressure bar1.013250.060.14Vapor Frac000Liquid Frac111Solid Frac000Enthalpy kcal/mol9.598208-1.05920627.14892EB0.58841560.98754030.0051751STYRENE0.40998770.01245960.990895TAR0.001596699.82E-680.00392994附表二 TPFQ结果数据StageTemperaturePress

32、urekPaHeat dutykWLiquid from (Mole)kmol/hrVapor from (Mole)kmol/hr154.60367426-4738.89233425.1105050257.12508076.70358.663606425.11050357.55258386.815873020358.664248428.58309457.98006836.931746030358.653621428.58373558.40832417.047619050358.630767428.57311658.83814247.163492060358.594765428.5502575

33、9.27029477.279365080358.544773428.51425859.70550627.39523810358.480092428.46426960.14442297.511111110358.400231428.399581060.5875737.626984130358.304975428.319721161.03532477.742857140358.194461428.224461261.48784227.858730160358.06924428.113951361.94504487.974603170357.930313427.988731462.406588.09

34、0476190357.779204427.849801562.87177638.206349210357.617857427.698691663.33967978.322222220357.448672427.537341763.80904678.438095240357.274382427.368161864.27839288.553968250357.097938427.193871964.7460568.669841270356.922121427.017422065.21043388.785714290356.750438426.841612165.66952758.901587303

35、56.585542426.669922266.12150589.017460320356.429122426.505032366.56517759.133333330356.283632426.348612466.99919779.249206350356.144044426.203122567.42663629.365079370487.115674426.063532667.74276099.480952380487.303814438.467262768.05981549.59682540487.482966438.655402868.37852859.712698410487.6508

36、31438.834552968.7002419.828571430487.806054439.002423069.02619959.944444440487.946343439.157643169.357936410.06031750488.069203439.297933269.697213810171837439.420793370.046023510.29206350488.251197439.523423470.406566910.40793650488.304106439.602783570.781202110.52380950488.326906439.6

37、55693671.172680510.63968250488.318724439.678493771.582501610.75555560488.275101439.670313872.013247910.87142860488.195958439.626693972.466258510.98730160487.833173439.547544072.942902711.10317460487.693089439.184764173.442478111.21904760487.398761439.044684273.961817311.33492060487.357485438.7503543

38、74.497605211.45079370487.237711438.709074475.045123511.56666670487.08272438.589304575.598360311.68253970486.917977438.434314676.14931311.79841270486.756357438.269564776.691935911.91428570486.612034438.107944877.219483712.03015870486.492687437.963624977.726693912403203437.844275078.20978

39、2712.26190480486.345536437.754795178.666541112.37777780486.319331437.697125279.096228112.49365080486.322639437.670925379.499325812.60952380486.352565437.674225479.877227812.72539680486.405808437.704155580.231922912.84126980486.478987437.757395680.565718312.95714290486.568914437.830575780.881020313.0

40、7301590486.672709437.920505881.18017771378785438.02435981.465381213.30476190486.912172438.139446081.738608413.42063490487.043846438.263766182.00160113.53650790487.181344438.395436282.255865313.6523810487.323404438.532936382.502686713.7682540487.468613438.674996482.743378713.8841270487.5

41、51836438.820206583.0181176144865.25625148.6484096438.90342附表三 液相组成分布StageEBSTYRENETAR10.9875403160.0124596849.82E-6820.9827262040.0172737966.83E-6530.9771878940.0228121063.91E-6240.9708418850.0291581152.19E-5950.9636025580.0363974421.21E-5660.9553847210.0446152796.51E-5470.9461069860.0538930143.44E-

42、5180.9356959960.0643040041.78E-4890.9240914590.0759085418.99E-46100.9112518450.0887481554.44E-43110.8971604190.1028395812.13E-40120.8818311690.1181688311.00E-37130.8653139870.1346860134.57E-35140.8476984170.1523015832.03E-32150.8291151980.1708848028.75E-30160.8097350270.1902649733.67E-27170.7897641380.2102358621.49E-24180.7694367320.2305632685.88E-22190.7490047270.2509952732.25E-19200.7287257260.2712742748.37E-17210.7088502710.2911497293.02E-14220.689609950.310390051.06E-11230.6712074020.3287925943.62E-09240.6538081460.3461906531.20E-06250.6