Aspen精馏模拟灵敏度分析与优化实例use
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图 3.8-4
图 3.8-5
在该窗口中，定义变量 N 的属性，即具体含义. N 的属性需要定义下面内容： Type：变量类型：Block 或 stream 变量. 在中选择 Block Var，即 N 为模块变量； Block（或 stream）：确定变量归属. 在 Block 中选择 B1，表明 N 是 B1 模块的变量； Variable：变量的意义. 在中选择 Act-STAGES，表明 N 是 B1 模块的塔板数.
快速访问按钮类似. ·Next 按钮（N->）：设计过程的任意时刻点击它，系统都会自动跳转到当前应当进行的工
作位置，这为我们输入数据提供了极大的方便.
第 2 页共 37 页
2 Aspen Plus 模拟精馏简介
（1）塔模型分类
做塔新流程模拟分析必须先进行简捷塔计算--- 塔的初步设计. 计算结果为理论板数、 进料位置、最小回流比、塔顶/釜热负荷. 然后进行塔精确模拟分析，简捷塔计算结果做为精 确计算的输入依据. 本文以甲醇-水混合物系分离为例，首先介绍初步设计方法，然后介绍复 杂塔模拟计算。为初学者提供帮助。
图 3.2-1
图 3.2-2
3.3 定义组份
本节任务： ·输入物料化学成份
单击 N-> 快捷键直到进入进料参数输入页，如图 3.3-1 所示.
第 7 页共 37 页
图 3.3-1
在此窗口中，我们可以定义流程中所涉及的化学组分. 定义方法有两种： 1) 可以在 component ID 或 component name 中直接输入组分的英文名称. 其中 Component ID 是该组分的代号，用户可以进行定义和修改. 2) 可以使用 Aspen plus 提供的 find 工具，查找 Aspen plus 提供的组份. 单击 find 按钮， 进入组份查找页，在对话框中输入组分的英文名称或分子式，也可以输入其部分字符串. 这 里我们输入甲醇分子式 CH4O（注意不能输入 CH3OH），点击 find now 按钮，查找结果出现 在下面列表中，如图 3.3-2.
Aspen plus 精馏模拟 灵敏度分析与优化 实例教程 (甲醇-水系统)
仇汝臣 青岛科技大学化工学院
13376489639 8978122@163.com QQ群：182452945
北京中技培咨询服务中心
第 1 页共 37 页
Aspen plus 精馏模拟灵敏度分析与优化实例教程
1. Aspen Plus 简介
图 3.1-5
3）模块和物流命名 选择中流股/模块（单击流股/模块），点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择 rename stream
或 rename block，在对话框中输入改后的名称，即可改变名称. 在这里我们将入料改为 FEED；塔顶出料改为 D；塔底出料改为 L；改变名称后的流程
图如图 3.1-6 所示.
图 3.4-1
单击 N-> 快捷键，进入图 3.4-2 所示界面.
图 3.4-2
第 10 页共 37 页
3.5 定义流股条件
单击 N-> 快捷键，进入流股参数输入页. 同时在 data browser 窗口左侧的目录树 streams 文件夹中，可看到我们在流程图中定义的三股物料（D、FEED、L），其中 FEED 流股为已知 流股，D、L 流股为待定流股. 故我们仅定义 FEED 流股的状态参数，这时我们可以看到左侧 FEED 文件夹处于激活状态.
·DSTWU 规定与估算内容
规定 轻重关键组分的回收率 理论级数 回流比
目的 最小回流比和最小理论级数 必需回流比 必需理论级数
其它结果 进料位置、冷凝器、再沸器 的热负荷
·DSTWU计算结果 浏览汇总结果、物料和能量平衡结果、回流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ对级数曲线.
3.1 定义模拟流程
本节任务：
·创建精馏塔模型 ·绘制物流 ·模块和物流命名
第 8 页共 37 页
图 3.3-2
选择所需组分，点击面的 add 按钮，该组分就被添加到组分列表中. 用同样方法输入水 分，结果如图 3.3-3 所示.
图 3.3-3
第 9 页共 37 页 3.4 确定物性计算方法
单击 N-> 快捷键，进入特性方法选择页面，如图 3.4-1. 根据不同的物系选择不同的物性计算方法. 对于理想物系可以选择 Ideal 方法；非理想物 系可选择典型的 Wiston 或 Uniquac 等方法；电解质溶液也有其相应的计算方法. 物性计算方法在 Base Method 栏的下拉框中选择. 在这里我们选择了 NRTL-PK 方法， 其他设置由系统默认确定.
图 3.7-3
3.8 灵敏度分析 3.8.1 回流比对塔盘数的影响分析
在实际问题中我们比较关心一个变量随另一个变量变化的趋势，既所谓的灵敏度分析，这 一方法可用来进行流程的优化. 下面我们结合前面的实例，来介绍在 Aspen plus 中如何进行 灵敏度分析.
将“Data Browser”窗口切换至 input 页，选择左侧目录树中的 Model Aalysis Tools/sensitivity， 进入如图 3.8-1 所示的窗口. 按下面步骤进行灵敏度分析. （1）建立新灵敏度分析任务
Aspen Plus 塔模型分类如下表.
简捷蒸馏 严格蒸馏
模型 DSTWU、 Distl 、SCFrac RadFrac、 MultiFrac、 PetroFrac、 RateFrac
（2）精馏塔的模拟类型
精馏塔的模拟类型可以分为设计式和操作式模拟计算. 可以通过定义模型的回流比进行 设计型计算，又可以定义塔板数进行操作型计算. 本章我们进行设计计算，在下一章中进行 操作型计算.
进入 Aspen Plus 后，出现图 1 所示的 Aspen Plus 软件操作界面.
图1
操作界面构成 ·标题条：在该栏目中显示运行标识. 在你给出运行名字之前，Simulation1 是缺省的标识. ·拉式菜单：Aspen Plus 的功能菜单. 这些下拉式菜单与 Windows 的标准菜单类似. ·工艺流程窗口：在该窗口中可以建立及连接所要模拟的工艺流程. ·模式选择按钮：按下此按钮你可以关闭插入对象的插入模式，并返回到选择模式. ·模型库：在这里列出建立模型可用的任何单元操作的模型.. ·状态域：显示当前有关运行的状态信息. ·快速访问按钮：快速执行 Aspen Plus 相应的命令。这些快捷按钮与其它 Windows 程序的
我们通过这个实例学习 Aspen Plus 精馏模拟应用.
第 3 页共 37 页
3. 精馏塔的简捷计算
·设计任务 确定理论塔板数 确定合适的回流比
·DSTWU 精馏模型简介
本例选择 DSTWU 简捷精馏计算模型. DSTWU 可对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷精馏 计算. DSTWU 假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度
进行计算. 运行完成后点击该页上的
图标，进入运行结果显示页，如图 3.7-2.
图 3.7-1 图 3.7-2
第 13 页共 37 页 通过选择目录树中的不同文件夹，可以查看 Streams、Blocks 计算结果. 在 Blocks / Column 页，可看到塔的设计参数. 包括最小回流比、实际回流比、最小理论板数、 实际理论板、数冷凝器和再沸器的热负荷等. 如图 3.7-3 所示.
点击窗口中的 new 按钮，在弹出的对话框中（如图 3.8-3）输入该任务的名称，如输入 N-RCurve，建立一个新的灵敏度分析任务，确定后进入灵敏度分析任务窗口，如图 3.8-3.
.
第 14 页共 37 页
图 3.8-1 图 3.8-2 图 3.8-3
第 15 页共 37 页 这个界面中 ·Define：定义测量变量 ·Vary： 定义操作变量 ·Tabulater：描述需要的结果 （2）定义测量变量（Define） 点击（图 3.8-3） New 按钮，弹出变量输入对话框（如图 3.8-4）输入新变量名称 N， 确定后出现如图 3.8-5 所示窗口
系统自身有一套默认的设置。用户也可以根据要求来自己修改或定义包括单位及其他全 局设置，在这里我们使用系统默认的设置.
第 6 页共 37 页 ·定义用户与工程信息
“Setup/Specifications”页面的 Accounting 选择项卡页面（如图 3.2-2）必须填写. 这里可 以任意输入用户信息.
·定义每个组分流量或分率（Composition） Mass-frac（质量分率）：WATER: 0.632; CH3OH: 0.368.
输入数据后的窗口如图 3.5 所示.
3.6 定义单元模型
图 3.5
第 11 页共 37 页 单击 N-> 快捷键, 进入模块定义页. 在此流程中只有 column /Dstwu 一个模型. 在窗口左 侧的目录树结构中选择的 Blocks 文件夹，可看到我们在流程图中定义的 B1 模块.
（3）设计实例
常压操作连续筛板精馏塔设计，设计参数如下[1]： 进料组份：水 63.2%、甲醇 38.6%（质量分率）； 处理量：水甲醇混合液 55t/h； 进料热状态：饱和液相进料； 进料压力：125 kPa； 操作压力：110 kPa； 单板压降：≤0.7 kPa； 塔顶馏出液：甲醇量大于 99.5 %（质量分率） 塔底釜液： 水量大于 99.5 %；（质量分率）. 回流比：自选； 全塔效率：ET=52% 热源：低压饱和水蒸汽；
Dstwu 要求定义组分的份的回收率. 计算得到两种组分的回收率为： 轻关键组分的回收率为 0.9983 重关键组分的回收率为 0.0029 ·定义再沸器和冷凝器的压力（Pressure） ·定义冷凝器类型（Condenser specifications） 选择全冷器（Total Condenser）
由于我们进行的是设计型计算，要求计算理论塔板数等，因此，这里需要定义回流比. ·定义回流（Column specifications）
输入回流比的实际值； 定义回流比与最小回流比的比值. 输入负号后再入数值. 在这里我们取最小回流比的 2 倍， 故输入-2. ·定义轻重关键组分的回收率（Key component recoveries）
输入完成后界面如图 3.6.
图 3.6
至此，数据全部输入完毕.，可以进行模拟计算了.
第 12 页共 37 页
3.7 模拟计算与结果查看
点击工具栏中的蓝色 N-> 图标，即可进行计算，同时进入“Control Panel”页显示运行信息， 如图 3.7-1. 该图标的作用是执行下一步操作，若数据未输入完毕自动转到待输入数据的窗口； 若数据输入完毕，则进行计算. 上面操作也可点击 Run 菜单中的 run 命令来直接
1）创建精馏塔模块 在模型库中选择塔设备 column 标签，如图 3.1-1.
图 3.1-1
点击该 DSTWU 模型的下拉箭头，弹出三个等效的模块，任选其一如图 3.1-2 所示.
第 4 页共 37 页
图 3.1-2
在空白流程图上单击，即可绘出一个精馏塔模型如图 3.1-3 所示.
图 3.1-3
2）绘制物流 单击流股单元下拉箭头，选择流股类型，在这里我们选择 material 类型. 选择后得到图
3.1-4 所示.
图 3.1-4
第 5 页共 37 页 在箭头提示下我们可以根据需要来绘制流股，其中红色箭头表示必须定义的流股，蓝色 箭头表示可选定义的流股，不同的模型根据设计任务绘制. 本例一股进料、塔顶和塔底两股 出料，如图 3.1-5.
·定义进料热状态（state variables） 对于不同的进料热状态选择不同的参数. 本例进料热状态为饱和液体参数如下： Vapor fraction（汽相分率）： 0； Pressure（压力）：输入 125 kPa.
·定义进料流量（Total Flow） 根据不同需要可以定义摩尔体积质量或标准体积流量.本例输入 195950kg/hr.
图 3.1-6
至此，本节创建模拟流程任务完成，我们将在 N-> 快捷键引导下进入下一步操作.
3.2 模拟设置
单击 N-> 快捷键，进入初始化设置页面，如图 3.2-1. 用户可以对 Aspen Plus 做全局设置、 定义数据输入输出单位等. ·定义数据输入输出单位
Aspen plus 提供了英制、公斤米秒制、国际单位制三种单位制. 输入数据可以在输入时改 变单位，输出报告则按在此选择的单位制输出.
图 3.8-5
在该窗口中，定义变量 N 的属性，即具体含义. N 的属性需要定义下面内容： Type：变量类型：Block 或 stream 变量. 在中选择 Block Var，即 N 为模块变量； Block（或 stream）：确定变量归属. 在 Block 中选择 B1，表明 N 是 B1 模块的变量； Variable：变量的意义. 在中选择 Act-STAGES，表明 N 是 B1 模块的塔板数.
快速访问按钮类似. ·Next 按钮（N->）：设计过程的任意时刻点击它，系统都会自动跳转到当前应当进行的工
作位置，这为我们输入数据提供了极大的方便.
第 2 页共 37 页
2 Aspen Plus 模拟精馏简介
（1）塔模型分类
做塔新流程模拟分析必须先进行简捷塔计算--- 塔的初步设计. 计算结果为理论板数、 进料位置、最小回流比、塔顶/釜热负荷. 然后进行塔精确模拟分析，简捷塔计算结果做为精 确计算的输入依据. 本文以甲醇-水混合物系分离为例，首先介绍初步设计方法，然后介绍复 杂塔模拟计算。为初学者提供帮助。
图 3.2-1
图 3.2-2
3.3 定义组份
本节任务： ·输入物料化学成份
单击 N-> 快捷键直到进入进料参数输入页，如图 3.3-1 所示.
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图 3.3-1
在此窗口中，我们可以定义流程中所涉及的化学组分. 定义方法有两种： 1) 可以在 component ID 或 component name 中直接输入组分的英文名称. 其中 Component ID 是该组分的代号，用户可以进行定义和修改. 2) 可以使用 Aspen plus 提供的 find 工具，查找 Aspen plus 提供的组份. 单击 find 按钮， 进入组份查找页，在对话框中输入组分的英文名称或分子式，也可以输入其部分字符串. 这 里我们输入甲醇分子式 CH4O（注意不能输入 CH3OH），点击 find now 按钮，查找结果出现 在下面列表中，如图 3.3-2.
Aspen plus 精馏模拟 灵敏度分析与优化 实例教程 (甲醇-水系统)
仇汝臣 青岛科技大学化工学院
13376489639 8978122@163.com QQ群：182452945
北京中技培咨询服务中心
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Aspen plus 精馏模拟灵敏度分析与优化实例教程
1. Aspen Plus 简介
图 3.1-5
3）模块和物流命名 选择中流股/模块（单击流股/模块），点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择 rename stream
或 rename block，在对话框中输入改后的名称，即可改变名称. 在这里我们将入料改为 FEED；塔顶出料改为 D；塔底出料改为 L；改变名称后的流程
图如图 3.1-6 所示.
图 3.4-1
单击 N-> 快捷键，进入图 3.4-2 所示界面.
图 3.4-2
第 10 页共 37 页
3.5 定义流股条件
单击 N-> 快捷键，进入流股参数输入页. 同时在 data browser 窗口左侧的目录树 streams 文件夹中，可看到我们在流程图中定义的三股物料（D、FEED、L），其中 FEED 流股为已知 流股，D、L 流股为待定流股. 故我们仅定义 FEED 流股的状态参数，这时我们可以看到左侧 FEED 文件夹处于激活状态.
·DSTWU 规定与估算内容
规定 轻重关键组分的回收率 理论级数 回流比
目的 最小回流比和最小理论级数 必需回流比 必需理论级数
其它结果 进料位置、冷凝器、再沸器 的热负荷
·DSTWU计算结果 浏览汇总结果、物料和能量平衡结果、回流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ对级数曲线.
3.1 定义模拟流程
本节任务：
·创建精馏塔模型 ·绘制物流 ·模块和物流命名
第 8 页共 37 页
图 3.3-2
选择所需组分，点击面的 add 按钮，该组分就被添加到组分列表中. 用同样方法输入水 分，结果如图 3.3-3 所示.
图 3.3-3
第 9 页共 37 页 3.4 确定物性计算方法
单击 N-> 快捷键，进入特性方法选择页面，如图 3.4-1. 根据不同的物系选择不同的物性计算方法. 对于理想物系可以选择 Ideal 方法；非理想物 系可选择典型的 Wiston 或 Uniquac 等方法；电解质溶液也有其相应的计算方法. 物性计算方法在 Base Method 栏的下拉框中选择. 在这里我们选择了 NRTL-PK 方法， 其他设置由系统默认确定.
图 3.7-3
3.8 灵敏度分析 3.8.1 回流比对塔盘数的影响分析
在实际问题中我们比较关心一个变量随另一个变量变化的趋势，既所谓的灵敏度分析，这 一方法可用来进行流程的优化. 下面我们结合前面的实例，来介绍在 Aspen plus 中如何进行 灵敏度分析.
将“Data Browser”窗口切换至 input 页，选择左侧目录树中的 Model Aalysis Tools/sensitivity， 进入如图 3.8-1 所示的窗口. 按下面步骤进行灵敏度分析. （1）建立新灵敏度分析任务
Aspen Plus 塔模型分类如下表.
简捷蒸馏 严格蒸馏
模型 DSTWU、 Distl 、SCFrac RadFrac、 MultiFrac、 PetroFrac、 RateFrac
（2）精馏塔的模拟类型
精馏塔的模拟类型可以分为设计式和操作式模拟计算. 可以通过定义模型的回流比进行 设计型计算，又可以定义塔板数进行操作型计算. 本章我们进行设计计算，在下一章中进行 操作型计算.
进入 Aspen Plus 后，出现图 1 所示的 Aspen Plus 软件操作界面.
图1
操作界面构成 ·标题条：在该栏目中显示运行标识. 在你给出运行名字之前，Simulation1 是缺省的标识. ·拉式菜单：Aspen Plus 的功能菜单. 这些下拉式菜单与 Windows 的标准菜单类似. ·工艺流程窗口：在该窗口中可以建立及连接所要模拟的工艺流程. ·模式选择按钮：按下此按钮你可以关闭插入对象的插入模式，并返回到选择模式. ·模型库：在这里列出建立模型可用的任何单元操作的模型.. ·状态域：显示当前有关运行的状态信息. ·快速访问按钮：快速执行 Aspen Plus 相应的命令。这些快捷按钮与其它 Windows 程序的
我们通过这个实例学习 Aspen Plus 精馏模拟应用.
第 3 页共 37 页
3. 精馏塔的简捷计算
·设计任务 确定理论塔板数 确定合适的回流比
·DSTWU 精馏模型简介
本例选择 DSTWU 简捷精馏计算模型. DSTWU 可对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷精馏 计算. DSTWU 假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度
进行计算. 运行完成后点击该页上的
图标，进入运行结果显示页，如图 3.7-2.
图 3.7-1 图 3.7-2
第 13 页共 37 页 通过选择目录树中的不同文件夹，可以查看 Streams、Blocks 计算结果. 在 Blocks / Column 页，可看到塔的设计参数. 包括最小回流比、实际回流比、最小理论板数、 实际理论板、数冷凝器和再沸器的热负荷等. 如图 3.7-3 所示.
点击窗口中的 new 按钮，在弹出的对话框中（如图 3.8-3）输入该任务的名称，如输入 N-RCurve，建立一个新的灵敏度分析任务，确定后进入灵敏度分析任务窗口，如图 3.8-3.
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图 3.8-1 图 3.8-2 图 3.8-3
第 15 页共 37 页 这个界面中 ·Define：定义测量变量 ·Vary： 定义操作变量 ·Tabulater：描述需要的结果 （2）定义测量变量（Define） 点击（图 3.8-3） New 按钮，弹出变量输入对话框（如图 3.8-4）输入新变量名称 N， 确定后出现如图 3.8-5 所示窗口
系统自身有一套默认的设置。用户也可以根据要求来自己修改或定义包括单位及其他全 局设置，在这里我们使用系统默认的设置.
第 6 页共 37 页 ·定义用户与工程信息
“Setup/Specifications”页面的 Accounting 选择项卡页面（如图 3.2-2）必须填写. 这里可 以任意输入用户信息.
·定义每个组分流量或分率（Composition） Mass-frac（质量分率）：WATER: 0.632; CH3OH: 0.368.
输入数据后的窗口如图 3.5 所示.
3.6 定义单元模型
图 3.5
第 11 页共 37 页 单击 N-> 快捷键, 进入模块定义页. 在此流程中只有 column /Dstwu 一个模型. 在窗口左 侧的目录树结构中选择的 Blocks 文件夹，可看到我们在流程图中定义的 B1 模块.
（3）设计实例
常压操作连续筛板精馏塔设计，设计参数如下[1]： 进料组份：水 63.2%、甲醇 38.6%（质量分率）； 处理量：水甲醇混合液 55t/h； 进料热状态：饱和液相进料； 进料压力：125 kPa； 操作压力：110 kPa； 单板压降：≤0.7 kPa； 塔顶馏出液：甲醇量大于 99.5 %（质量分率） 塔底釜液： 水量大于 99.5 %；（质量分率）. 回流比：自选； 全塔效率：ET=52% 热源：低压饱和水蒸汽；
Dstwu 要求定义组分的份的回收率. 计算得到两种组分的回收率为： 轻关键组分的回收率为 0.9983 重关键组分的回收率为 0.0029 ·定义再沸器和冷凝器的压力（Pressure） ·定义冷凝器类型（Condenser specifications） 选择全冷器（Total Condenser）
由于我们进行的是设计型计算，要求计算理论塔板数等，因此，这里需要定义回流比. ·定义回流（Column specifications）
输入回流比的实际值； 定义回流比与最小回流比的比值. 输入负号后再入数值. 在这里我们取最小回流比的 2 倍， 故输入-2. ·定义轻重关键组分的回收率（Key component recoveries）
输入完成后界面如图 3.6.
图 3.6
至此，数据全部输入完毕.，可以进行模拟计算了.
第 12 页共 37 页
3.7 模拟计算与结果查看
点击工具栏中的蓝色 N-> 图标，即可进行计算，同时进入“Control Panel”页显示运行信息， 如图 3.7-1. 该图标的作用是执行下一步操作，若数据未输入完毕自动转到待输入数据的窗口； 若数据输入完毕，则进行计算. 上面操作也可点击 Run 菜单中的 run 命令来直接
1）创建精馏塔模块 在模型库中选择塔设备 column 标签，如图 3.1-1.
图 3.1-1
点击该 DSTWU 模型的下拉箭头，弹出三个等效的模块，任选其一如图 3.1-2 所示.
第 4 页共 37 页
图 3.1-2
在空白流程图上单击，即可绘出一个精馏塔模型如图 3.1-3 所示.
图 3.1-3
2）绘制物流 单击流股单元下拉箭头，选择流股类型，在这里我们选择 material 类型. 选择后得到图
3.1-4 所示.
图 3.1-4
第 5 页共 37 页 在箭头提示下我们可以根据需要来绘制流股，其中红色箭头表示必须定义的流股，蓝色 箭头表示可选定义的流股，不同的模型根据设计任务绘制. 本例一股进料、塔顶和塔底两股 出料，如图 3.1-5.
·定义进料热状态（state variables） 对于不同的进料热状态选择不同的参数. 本例进料热状态为饱和液体参数如下： Vapor fraction（汽相分率）： 0； Pressure（压力）：输入 125 kPa.
·定义进料流量（Total Flow） 根据不同需要可以定义摩尔体积质量或标准体积流量.本例输入 195950kg/hr.
图 3.1-6
至此，本节创建模拟流程任务完成，我们将在 N-> 快捷键引导下进入下一步操作.
3.2 模拟设置
单击 N-> 快捷键，进入初始化设置页面，如图 3.2-1. 用户可以对 Aspen Plus 做全局设置、 定义数据输入输出单位等. ·定义数据输入输出单位
Aspen plus 提供了英制、公斤米秒制、国际单位制三种单位制. 输入数据可以在输入时改 变单位，输出报告则按在此选择的单位制输出.