精馏塔的动态模拟
精馏塔的动态模拟
目 录
一、数学建模
二、分析与讨论
三、优化
四、程序清单
（１）分析和讨论
（２）分析和讨论
（３）最优化部分
前 言
化学工业中，精馏过程是能量消耗最大的单元操作之一，自从发生了世界性的能源问题以来，精馏过程的节能问题已广泛引起了人们的重视。近年来，已经开发了多种精馏节能的工艺流程，如多效精馏.热泵精馏、热偶精馏等。多效精馏作为一种精馏节能新工艺近几年来其理论研究不断深入，在工业生产中的应用日益广泛。 工业上普遍存在非稳定状态或动态的精馏过程.实际的生产过程不可避免地受到各种人为或非人为因素的扰动，使一些操作参数和过程变量随时间发生变化，因此对于连续精馏过程的动态特性的研究和模拟具有重要的实际意义.研究精馏塔的动态特性时通常使用数学模拟方法，这首先需要建立1个模型精馏塔，然后对模型塔中的各个塔板作非稳态物料衡算、热量衡算等，得到动态精馏过程的数学模型，在一定的初始条件下经过求解，可得到操作条件发生扰动时各个精馏过程参数随时间变化的历程，即动态响应.若精馏系统内无约束某些参数变化速度和变化范围的控制器，其动态响应称为开环响应，否则为闭环响应.
反应精馏技术将反应与分离过程在一个塔内实现, 相对传统的先反应后分离过程具有转化率高、选择性好、操作易、投资省等一系列优点, 但反应精馏过程需同时遵循质量作用定律和精馏分离原理,
其过程影响因素复杂. 自20 世纪70 年代以来, 有关反应精馏的研究重点从工艺转向数学模拟. 现已开发有灵活可靠的过程模拟计算软件. 另一方面, 自20 世纪70 年代末催化精馏技术成功地应用于甲基叔丁基醚(M TBE) 生产以后, 该技术的应用受到了学者们的关注.
一、精馏塔数学模型的建立：
根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方法，一般可以把数学模型分为集中参数模型，分布参数模型和多级集中参数模型。本次大作业利用多级集中参数模型对精馏塔动态特性进行分析和模拟。对于控制的动态数学模型，我们希望用最简单的形式，最大限度地概括出过程的特性。所以为了简化数学模型，我们必须做出以下必要的假定： 每块塔板上气相和液相分别为理想混合；
1、组分A和组分B的摩尔汽化热近似相等；汽相和液相在沿塔轴向运动过程中，显热变化对热量衡算和热损失的影响均可忽略不计；
2、整个塔分离过程A对B的相对挥发度α保持恒定；
3、每块踏板上都达到了汽液相平衡；
4、冷凝器和再沸器均处于稳态操作；
5、采用泡点进料和常压进料；
6、每块踏板上持液量远大于持汽量，后者及其变化可以忽略；
7、塔顶冷凝器为全冷凝器。
在这些假设的基础上，以物料衡算及能量衡算为基础列出精馏塔动态数学模型：
◆全凝器及馏出塔总物料衡算：
DLVtMRD dd ①
◆全凝器及馏出液易挥发组分衡算：
)( dd1DDDXYVtXM＝ ②
◆第n 块塔板总物料衡算： nnLLtM1n dd＝ ③
◆ 第n 块板易挥发组分衡算：
)()( dd111nnnnnnnYYVXXLtXM ④
◆ 离开第n 块板汽液相浓度关系：
nnn11XXY）－＋（＝ ⑤
◆ 加料板物料衡算及易挥发组分汽液相浓度平衡关系：
FLLMFFtF1 dd＝ ⑥
)()()( dd1f11FFFFFFFFYYVXXFXXLtXM＝
⑦
FFFXXY)1(1 ⑧
◆ 再沸器及塔底总物料衡算： BVLtMNB＝ dd ⑨
◆ 再沸器及塔底易挥发组分衡算：
)()( ddBBBNNBYXVXXLtXM＝ ⑩
◆ 离开再沸器及塔底的汽液相浓度关系：
BBBXXY)1(1 ⑾
◆ 塔板水力学关系：
51nnn0028.0(.AAhMMMLLWWN）－混混混混混 （12）
ii X＝混 （13）
iiWrr X＝混 （14）
查得苯和甲苯的物性数据如下表：
T
/℃ 苯0P
Kpa 甲苯0P Kpa 苯Kg/m3 甲苯ρKg/m3 苯r
KJ/Kg 甲苯r KJ/Kg 苯x % 苯y
% α
80.2 101.7941 39.3471 814.778 809.98 393.956 379.778 100.0 100.0
80.66 103.243 39.9743 814.267 809.35 393.625 379.497 97.0 98.8 2.54639
81.2 104.9646 40.7209 813.668 808.824 393.236 379.168 95.0 97.9 2.45363
82.3 108.5409 42.2765 812.447 807.746 392.444 378.497 90.3 95.7 2.39071 83.33 111.9754 43.7761 811.303 806.74 391.702 377.869 85.3 93.6 2.52037
84.4 115.6325 45.3789 810.116 805.688 390.932 377.216 80.3 91.4 2.60735
85.44 119.2759 46.9817 808.962 804.669 390.183 376.582 75.0 88.5
2.56522
86.8 124.1747 49.1458 807.452 803.336 389.204 375.752 70.0 85.3 2.48688
87.63 127.2405 50.5054 806.531 802.523 388.606 375.246 65.0 82.5 2.53846
89.4 133.9751 53.5055 799.566 800.788 387.332 374.166 59.2 78.9 2.57711
92.1 144.778 58.3549 801.506 798.121 385.304 372.498 48.9 71.0 2.55842
95.2 158.0008 64.3490 795.052 795.052 382.948 370.576 39.7 61.8 2.45727
98.6 173.5565 71.4767 794.096 791.686 380.364 368.468 30.0 50.0 2.33333
102.2 191.2863 79.6929 789.816 788.1 377.584 366.192 20.0 37.0 2.34921
106.1 212.029 89.4199 785.058 784.2 374.542 363.696 8.0 21.2 2.78817
110.6 238.054 101.783 779.616 779.682 371.002 360.804 0.0 0.0 0.00000
塔的示意图和设备尺寸如下：
溢流管形式 堰长Wl 堰高 孔数n 管底与受液盘距离 塔径 塔板数 孔径
弓形 0.66m 0.04m 2738个 0.032m 1.0m 10 5mm
设进料温度为90.8℃，＝2.4
方程⑤，⑧，⑾简化为：
nnnXXY4.114.2＋＝ （15）
FFFXXY4.114.2 （16）
BBBXXY4.114.2 （17）
x＝50％，y＝50％：85925.0785.0＝＋＝混Mg/mol
5.3872.3805.08.3945.0＝＋＝混WrKJ/Kg
25.80325.8033.8025.02.8045.0＝＝＋＝混ρKg/m3
QEV6106.2 （18）
5.1][25.80395.80028.0325.8095.8047.0085.0085.066.025.803nnML＝
5.1][79.1641022.46237nME＝ （19）
二．模型微分方程的仿真计算：
计算流程如下：
㈧分析和讨论总结： 开 始
给定Q、F、D、B;赋M、X初值
计算：V, L 计算：Y
求解常微分方程初值问题
XD≥XD,设计值
XB≤XB,设计值 结束 赋△t 从模型数据结果分析来看，与实际情况即理论计算都不吻合。这主要是与所建立的模型的精确性以及程序算法有关。
由于平衡级动态模型采用简化假设与实际有出入，没有考虑精馏塔复杂的流体力学特性和非平衡的传质过程，造成模型的不准确。可选用适用于多股进料及中间出料的多元物系的分段正交配置方法建立精馏塔简化数学模型，或选用考虑非平衡效应和惯性效应的三维非平衡混合动态精馏塔模型，效果应该会好些。
在此模型中有很多的求导微分算式。目前应用广泛的求导算法有手工推导法、差商法（finite difference，FD）、符号微分法（symbolic differentiation,SD）、逆波兰表示计算法（reverse
polish notation evalution,RPN）以及自动微分法（automatic
differentiation,AD）,其中手工推导法效率低对大规模计算不适用；差商法使用条件宽乏，占用内存少，但精度低，速度也一般；符号微分法精度高，速度快，但是在实际运用中会遇到无法处理的复杂程序代码，符号膨胀，导函数不连续等问题；逆波兰表示计算法是符号微分法的一种特殊情况，其实质是运用堆栈而不是树的数据结构来表示被求导对象；而自动微分法是进来发展迅速的一种求导方法，可以灵活地对复杂程序代码进行求导。应该比本次计算所采用的算法更适合。
在采用软件模拟时，也可用选用ASPEN PLUS软件中的Mulitifral模型。ASPEN PLUS软件的灵敏度分析也可应用在本次分析中。选用方程中要使其更加严格，汽液相平衡可先用PRSV方程，
年产20万吨甲醇精馏Aspen模拟计算
年产20万吨甲醇精馏Aspen模拟计算
赖耀森;杨雪莹;李全良
【摘 要】该设计是针对20万吨的甲醇精馏工段的设计与模拟,通过对比二塔精馏、三塔精馏、四塔精馏的流程,取各种流程的优缺点对传统四塔精馏工段进行设计优化,主要详细的进行了四塔精馏工段的预精馏工段,加压塔工段,常压塔工段,回收塔工段的设计.对甲醇生产的精馏工段用Aspen plus软件对该流程进行模拟计算.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】4页(P129-132)
【关键词】甲醇精馏;四塔精馏;AspenPlus模拟
【作 者】赖耀森;杨雪莹;李全良
【作者单位】周口师范学院化学化工学院,河南周口466000;周口师范学院化学化工学院,河南周口466000;周口师范学院化学化工学院,河南周口466000
【正文语种】中 文
引言
近年来，我国的甲醇产业经过了生产结构的优化与调整，由此整个产业链能够保持积极向上的发展，已经展示出良好的发展前景。甲醇的生产成本低，并且转化率较高，同时符合我国目前的环保要求，因此甲醇被认为是现在绿色清洁的新型燃料，以后一定能较好地解决我国的能源紧缺的问题[1]。 近几年，国家的环保要求越来越严格，各大企业要想长久的生存，其生产就要采用绿色清洁的工艺技术。甲醇替代传统的化石燃料的发展路线是刚好符合当前的发展理念。若日后甲醇生产更加规范，将来的前景不可小觑。相信不久的将来其发展会带动各个能源行业的发展，更重要的是降低了我国的环境污染。综合我国的能源资源状况，其发展将在世界范围内再次掀起一场甲醇取代汽油的狂潮[2]。
1 甲醇的精馏方法
目前精馏的方法主要有双塔精馏、三塔精馏、四塔精馏，本设计以四塔精馏。四塔精馏过程包含预、加压、常压精馏塔以及甲醇回收塔。前面三部分与三塔精馏部分没有很大区别，从常压精馏塔中侧线馏出的甲醇、水和其他高沸点产物。回收塔精制甲醇，塔顶产出精甲醇，侧线馏出沸点较高的醇类，塔底馏出液进入废水回收系统。虽然增加了一个精馏塔，但是甲醇的纯度得以提高，同时降低了甲醇的损失。四塔精馏较其它工艺更加节约能量和水，但是工程更加庞大，成本也就更高。粗甲醇四塔精馏流程图如图1所示。
乙苯脱氢制苯乙烯工艺流程模拟
中国石油大学（华东） 化工模拟计算
1
化工模拟计算课程设计
题目：乙苯脱氢制苯乙烯
学生姓名： 徐向东 韩月阳 学 号： 10082330 11031405 专业班级：化学工程与工艺卓越11-2班 指导教师： 孙兰义 2004年5月10日中国石油大学（华东） 化工模拟计算
2
乙苯脱氢制苯乙烯
摘 要
乙苯脱氢制苯乙烯是目前工业生产苯乙烯的主要工艺路线，该路线经过两段脱氢工艺在脱氢催化剂的作用下反应生成苯乙烯，并经过进一步提纯制得合格的产品。本方案基于已有的数据，采用文献提供的反应动力学及热力学平衡数据利用Aspen Plus对苯乙烯生产工艺全流程进行了模拟，模拟结果能够很好地达到产品的质量要求。 在全流程模拟过程中，通过对利用灵明度分析以及设计规定等模块对整个流程进行了设计优化，以期达到降低苯乙烯单位能耗的目的。 关键词：乙苯脱氢；动态模拟；全流程优化中国石油大学（华东） 化工模拟计算
3
Dehydrogenation of Ethylbenzene to Styrene
Abstract
Dehydrogenation of ethylbenzene to styrene is the main industrial process of styrene production , the manufacturing route is achieved by two styrene dehydrogenation reaction in the process of dehydrogenation catalyst ,after further purified，we can get qualified products.The program is based on existing data including the reaction kinetics and thermodynamic equilibrium data.The whole process of styrene production process were simulated by Aspen Plus,the simulation results indicates that the purity of styrene is qualified. For the purpose of energy conservation,we use the model analysis tools like ‘Sensitity’ and ‘Disegn Spec’ to get the entire process optimized。 Keywords: Dehydrogenation of Ethylbenzene; Dynamic Simulation; Optimization中国石油大学（华东） 化工模拟计算
211018600_精馏塔釜立式热虹吸再沸器的模拟与优化设计
第52卷第3期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 3 2023年3月 Liaoning Chemical Industry March，2023
收稿日期： 2023-03-06 作者简介： 徐鹭（1989-），女，辽宁锦州人，工程师，硕士，2015年毕业于东北石油大学化学工程与技术专业，现从事石油化工工艺及管道设计工作。 精馏塔釜立式热虹吸再沸器的模拟与优化设计
徐 鹭
（辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110000）
摘 要：对立式热虹吸再沸器的运行模式和特性进行了简单的描述，利用Aspen Plus、Aspen EDR模拟软件，对精馏塔釜立式热虹吸再沸器的模拟和设计过程进行了研究，研究了塔釜静压头、再沸器结构尺寸、进出口管径等对热虹吸循环稳定性的影响，并获得了最优的再沸器结构参数。再沸过程中，由于塔中的流体静态压力与再沸反应室中两相流场的浓度之比存在差异，在进行再沸反应室的优化时，对再沸反应室中的流体静态压力进行合理选取，以保证再沸反应室的基本结构尺寸，实现较好再沸器循环。 关 键 词：立式热虹吸再沸器；循环；优化设计 中图分类号：TQ051.65 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）03-0390-04
再沸器一般设置在精馏塔的底部，与精馏塔之间
有一段距离。根据汽液流动的推力与阻力相等的原
理，设计了一种自然循环型再沸器。在再沸器中，以
低压蒸气作为加热媒介，通过再沸器壳程，使管程内
的原料受热，并在其内部凝结成水。塔釜的原料经重
力作用流入再沸器管，经高温加热后，在再沸器管中
生成气－液二相流，并以高速回流。在正常运行的情
况下，塔釜液面与再沸器下管板之间的竖直距离被称
作“安装高度”。再沸器循环主要来源于再沸器前部
管路的阻力下降、再沸器传热管路的阻力下降以及再
沸器出口回程的气－液两相流的阻力下降。在推力与
阻值相等的情况下，再沸器蒸发速率较大，出口管内
物质浓度较低，入口管内物质浓度较大，塔釜中的汽
基于MATLAB_SIMULINK的间歇精馏模拟研究
第20卷 第2期 吉 林 化 工 学 院 学 报Vol.20No.2 2003年6月JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYJun. 2003
收稿日期:2002-10
-07作者简介:魏奇业(1964-),男,山东蓬莱人,在读博士,吉林化工学院副教授,主要从事化工系统工程方面的研究. 文章编号:100722853(2003)0220001203
基于MATLAB/SIMULINK的间歇精馏模拟研究
魏奇业
(吉林化工学院化学工程系,吉林吉林132022)
摘要:建立了间歇精馏塔的数学模型,在MATLAB/SIMULINK中用S-函数编制了间歇精馏塔的模拟程序,相平衡计算采用严格的热力学模型,该方法为间歇精馏的设计及操作提供了参考.关 键 词:间歇精馏;模拟;MATLAB/SIMULINK
中图分类号:TQ018 TQ028.1+1 文献标识码:A
间歇过程具有灵活多变的特性,可以用同一
套多用途、多功能的设备生产多种类型的产品,主
要用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑剂、抗氧
剂、染料和涂料等产品的生产.由于间歇精馏是一
种非稳态的传质过程,因此对间歇精馏的模拟要
比连续精馏复杂得多,模型的研究报道也相应少得多.近年来,关于间歇精馏的研究受到国内外学
者的普遍重视,取得了较大的进展[1～4].
间歇精馏塔的计算实际上是求解非线性微分
方程和代数方程的问题,MATLAB的出现为解决
这类问题提供了有利的条件.MATLAB是Math2
Works公司开发的一种面向科学和工程计算的高
级语言,现已成为国际公认的最优秀的科技界应
用软件,在世界范围内广为流行和使用[5].
SIMULINK以工具库的形式挂接在MATLAB
上,是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的
集成软件包.在MATLAB/SIMULINK中有三个
用于求解非刚性微分方程组的求解器,适合各种
非刚性问题的求解.所有求解困难的问题不一定
Aspen Plus精馏模拟(塔设计)
Aspen plus在精馏中的应用实例教程/teacherf/ 第1页共37页
Aspen plus精馏模拟实例教程
1. Aspen Plus 简介
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
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. Aspen plus在精馏中的应用实例教程/teacherf/ 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。
Aspen Plus塔模型分类如下表.
模 型
简捷蒸馏 DSTWU、 Distl 、SCFrac
严格蒸馏 RadFrac、 MultiFrac、 PetroFrac、 RateFrac
（2）精馏塔的模拟类型
间歇精馏技术及其模拟优化进展
2012年 第15期 广 东 化 工
第39卷 总第239期 · 5 ·
间歇精馏技术及其模拟优化研究进展
周年忠1，田文广2，顾宇昕1，李雁2*，陶红秀2，解新安2
(1．中国电器科学研究院，广东 广州 510000；2．华南农业大学，广东 广州 510642)
[摘 要]间歇精馏技术是一种重要的化工分离手段。文章综述了国内外间歇精馏技术及其常用的数学模型，其中主要阐述了严格模型和简捷
模型，简要讨论了降价模型、半严格模型，同时探讨了间歇精馏优化的发展及其应用，并展望了间歇精馏系统的发展趋势。
[关键词]间歇精馏；操作方式；数学模型；优化
[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2012)15-0005-02
Development in Batch Distillation Technology and it’s Simulation and Optimization
Zhou Nianzhong1, Tian Wenguang2, Gu Yuxin1, LI Yan2*, Tao Hongxiu2, Xie Xinan2
(1. China National Electric Apparatus Research Institute, Guangzhou 510000；2. South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Abstract: Batch distillation is an important unit operation. The research progress on operation model of batch distillation at home and abroad was particularly
introduced. Several kinds of mathematical models that are usually used, such as rigorous model and short-cut model, price reduction model, semi-rigorous model
间歇精馏过程模拟优化研究进展
收稿日期
:2002-12-17 第
21卷 第
2期计 算 机 仿 真
2004年
2月
文章编号
:1006-9348(
2004)
02-0004-03
间歇精馏过程模拟优化研究进展
王浩平
,项曙光
(青岛科技大学计算机与化工研究所
,山东青岛
266042)
摘要
:该文讨论了描述间歇精馏过程的严格模型及其基础上的各种简化模型
,包括简捷模型、分段模型、半严格模型和降阶
模型。总结了求解刚性微分方程的各种方法
,其中各类
BDF方法在解刚性方程时效果较好。分析比较了优化间歇精馏过程
的两种方法以及综合优化问题的两种方法—二层法和
SA法。
关键词
:间歇精馏
;数学模型
;模拟
;优化
中图分类号
:TP273+
.1 文献标识码
:A
1 引言
间歇精馏是经常用于小规模生产的一个重要的单元操
作
,与连续精馏相比
,其突出的特征是它在设计和操作中的
灵活性。多年来
,它不但没有被连续精馏所全部取代
,而且
在现代化工生产中还占有很重要的地位。
间歇精馏的研究内容主要有两个方面
:
一是关于其数学
模型及其计算方法的研究。间歇精馏过程是一个动态过程
,
其严格的数学模型是复杂的微分代数方程组
,因此在实际应
用中常根据不同情况对模型进行简化并导出一些新的计算
方法。二是关于优化的研究
,从不同的优化目标出发
,采用
不同的优化方法
,提出了不同的优化方案和新的操作模式及
新的塔结构。同时
,间歇精馏的综合优化问题近年来也得到
了发展。
本文讨论了间歇精馏的严格模型及其基础上的各种简
化模型。由于其数学模型大都是微分代数方程
,本文介绍了
其求解方法
,并比较了基于微分代数方程的两种优化方法以
及综合优化问题的两种方法。
2 间歇精馏的数学模型
间歇精馏的数学模型包括严格模型、简捷模型、半严格
模型和降阶模型。
2.1 严格模型
(RigorousModel)严格模型包括各组分每层板上及冷凝器和再沸器中组分物料平衡的微分方程、能量平衡微分方程、汽液平衡方程
以及水力学方程等。
Distefano第一次提出了多组分间歇精馏
过程的完整动力学。
乙腈-水二元共沸体系的变压精馏动态研究
ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０２４，３４（１）
收稿日期：２０２３０７１１作者简介：杨阳阳（１９９１－），男，中级职称，研究方向为石油化工工艺、管道及材料设计。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｙｙ１１＠ｃｎｏｏｃｃｏｍｃｎ乙腈水二元共沸体系的变压精馏动态研究
杨阳阳，徐东芳
（中海油石化工程有限公司，山东青岛 ２６６１００）
摘要 针对乙腈水变压精馏稳态工艺流程，建立了变压精馏动态模型，探究了其不同的动态方案。研究
表明：无论是引入回流量塔顶采出量比例控制模块的控制结构，还是回流量进料流量比例控制模块的控制结
构，面对扰动时产品纯度均出现发散型震荡现象；温度控制结构比组成温度控制结构的稳定时间短，但只能使
水产品纯度维持在质量分数为９９８８％附近；常压塔再沸器热负荷与进料流量比例控制模块能及时调整常压塔蒸
汽流率；组成控制器可以在线监测产品纯度，组成温度控制结构抗扰动能力更强。
关键词 变压精馏；乙腈水；动态特性
中图分类号：ＴＱ０２８ 文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－６２４７．２０２４．０１．００６
１ 概述
在制药和化工行业中，众多工艺需要使用无水
乙腈进行化学反应，但在使用无水乙腈之后，其反
应混合物又必须通过加水的方式进行后续处理，从
而导致反应后的大量乙腈废液的处理和乙腈的回收
再利用成为一大难题。由于乙腈与水可以在任意条
件下进行均相互溶，且能形成二元共沸混合物，直
接蒸馏回收的乙腈因纯度较低无法满足工业使用要
求。回收乙腈最常用的方法包括盐析法、添加脱水
剂进行共沸蒸馏、萃取精馏等。这些方法往往存在
工艺流程复杂、设备投资和耗能高、加入较多的溶
剂或者盐类会额外造成更多的高ＣＯＤ废水等缺点。
因不加入第三种组分，避免了产品中夹带其他杂
质，近年来变压精馏分离共沸物的方法研究逐渐成
熟［１６］。杨金环等［１］对比分析了萃取精馏和变压精
馏的工艺过程；刘金贵等［２］提出多效变压精馏工
aspenplus动态模拟参考例子
第6章 动态模拟
6.1 概述
自动化技术的进步推动了工业生产的飞速发展，在促进产业革命中起着十分重要的作
用。化工自动化是在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，
使生产在不同程度上自动地进行。其中自动控制更是自动化生产的核心部分。 Aspen plus进行的是工艺的稳态模拟，是工厂连续操作后，工艺条件处于稳定时，物
流参数在某一范围内处于稳定值，因此Aspen plus模拟得到的理想情况下的各种物流信息。
但是在实际生产中，必不可免会遇到由于设备的突然故障造成或其他的工艺条件改变（开、停车过程）造成流程处于非稳态操作条件下，从而影响产品的产量和纯度。因此在化工生
产中，对于设备的控制，或者说是在控制下的设备所具有的抵抗干扰性和操作弹性也具有
相当重要的作用。 基于Aspen plus模拟的基础上，考虑到实际工艺生产中，产品分离的重要性，使用Aspen Dynamics对高沸塔进行动态模拟，分析精馏塔在干扰影响下各参数及物流的变化。 6.2 高沸塔动态模拟
对高沸塔进行动态模拟，在Aspen Dynamics环境下，其默认的控制和典型精馏塔控制
比较（见下图），在动态模拟默认控制基础上，根据典型精馏塔控制方案，可以对高沸塔控
制方案进行改进。
表6-1 两种方案比较 动态模拟默认控制 典型精馏塔控制
塔顶压力 塔顶压力
塔顶回流罐液位控制 塔顶回流罐液位控制
塔釜液位控制 塔釜液位控制 塔板温度控制 精馏塔是利用被分离物料中组分的相对挥发度不同，通过在精馏塔各个塔板物料的温
度、压力的不同，改变其气液平衡组成从而实现物流的分离。其中轻组分经过多次部分汽
化在塔顶富集，重组分经过多次部分冷凝最终在塔釜富集。 若要得到指定要求的产品纯度和产品产量，需要对精馏塔操作过程中各项工艺参数进
行检测和控制，其中产品的纯度由塔顶温度控制；塔顶冷凝器负荷是通过塔顶压力控制；
回流比是通过塔顶回流罐液位控制。在理想的情况下，由以上的控制系统可以实现指定纯度的产品。
如何使用ASPEN 软件模拟完成精馏的设计和控制 Ch 6
如何使用ASPENTM 软件模拟完成精馏的设计和控制 威廉·L·鲁平 博士
译者免责声明：译者已经竭尽所能地确保译文正确完整地传达原作的意旨。然而文中所论及的方法在工程中的具体使用，其使用责任完全在于使用人员。本文仅为学习了解所用，一切版权归于John Wiley & Sons,Inc. 请于下载后的24小时之内将此删除，译者不承担由此引起的一切法律责任。 第 1 页 共 18 页 第6章：使用稳态计算选择控制结构 Steadt-state Calculations for Control Structure Selection 在我们转入将稳态模拟转化为动态模拟细节讨论之前，要先讨论一些重要的稳态模拟计算方法。因为经常被用于精馏设计中帮助为其选择一个实用且高效的控制结构，。故此类讨论可能是一定意义的。 绝大部分精馏塔的设计是为了将两种关键组分分离获得指定的分离效果。通常是两个设计自由度指定为馏出物中重关键组分的浓度和塔底产品中轻关键组分的浓度。因此，在精馏塔的操作和控制中，“理想的”控制结构需测定两股产品的组成并操控两输入变量（如，回流流量和再沸器的输入热量），从而能够达到两股产品中关键组分的纯度要求。 然而，由于一些现实的原因，很少有精馏塔使用这种理想的控制结构。组分检测仪通常购价昂贵且维修成本高，其可靠性对连续在线控制而言，有时略显不足。如果使用色层法，还会在控制回路中引入死时间。此外，不使用直接测量组分法，通常也有可能取得非常高效的控制效果。 温度测量被广泛应用于组分的推理控制。温度传感器廉价而又可靠，在控制回路上只有很小的测量滞后。对恒压二元体系，温度与组成是一一对应相关的。这在多组分体系中不适用，但精馏塔中合适位置的温度通常能够相当准确地提供关于关键组分浓度的信息。 在单端控制结构中，只需控制某块塔板的温度；选择剩下的“控制自由度”时应使产品质量可变性最小。例如，确定一定的回流比RR或者固定回流与进料流量的比值R/F。有时候，需要控制两个温度（双温控制系统）。我们将在本章中讨论这些被选方案。 如果选择使用塔板温度控制，那么问题便是选择最佳一块或数块塔板，该处的温度保持恒定。在精馏文献中，这个问题已讨论了半个世纪以上，且提出了一些可选择的方法。我们将一一审视这些方法，并举例说明其在各个系统中的有效性。 需要重点关注的是，所有这些方法都仅使用稳态信息，因此，如Aspen Plus之类的稳态过程模拟器可便捷地用于计算。这些方法均要求恒定某些变量的同时将另一些变量变化。例如，两股产品的组成或是某块塔板温度及回流流量恒定不变，而进料组成变化。在Aspen Plus中，“Design Spec/Vary”功能可以用来使期望的自变量恒定不变，计算所有其余应变量的值。 在一些方法中，变化的变量是进料组成。但对于任何一种方法，均不考虑进料流量。这是因为进料流量的扰动可以直接通过固定受控变量的流量与进料量的比值来处理。当然，这需要假设整个塔的塔板效率固定不变。同时，还需要假设每个塔板的压力均不变。这很少见，因为当气液流率变化时，塔板压降及塔板持液高度也会发生变化。但是，这些影响均小到不足以对控制系统造成很大的不利影响。 6.1方法概要 6.1.1 斜率判据 满足斜率判据，关键在于选择相邻塔板之间温差最大的那块塔板。 绘制出在设计条件下的温度剖面图，研究剖面图的斜率，寻找斜率最大的那块塔板。相邻塔板之间温度变化大，说明该区域内重要成分的组成发生了变化。控制此位置的塔板温度不变，则应该可以维持此精馏塔的组成剖面，防止轻组分流向塔底、重组分窜入塔顶。 6.1.2 灵敏度判据 满足灵敏度判据的重点在于寻找由于一个受控变量的变化引起最大温度变化的那块塔板。 改变某一个受控变量（比如，回流流量），使其发生很小的变化（设计值的0.1%）。研究产生的塔板温度变化，观察哪块塔板的温度变化最大。对于其他受控变量（如再沸器热量输入），重复这一过程。塔板温度的变化值除以受控变量的变化值，就是这个塔板温度与此受控变量之间的开环稳态增益。温度变化最大的塔板即是最“灵敏”的，故选择控制它。增益较大，说明此塔板的温度可以由相应的受控变量有效地控制。增益较小说明阀门饱和态易于发生，且操作区域受到限制。 6.1.3 奇异值分解 判据 Moore 曾详尽地研究了稳态增益矩阵中奇异值分解（Singular Value Decomposition）问题。 如何使用ASPENTM 软件模拟完成精馏的设计和控制 威廉·L·鲁平 博士