22化工过程数值模拟及软件2.2.3.4塔（Columns）塔设备是化工生产中应用最为广泛的操作设备之一，通常在其中进行蒸馏（精馅）、吸收和萃取单元操作。吸收和蒸馏实际都是汽液相平衡的单元操作，只是蒸馅过程的热量平衡相对更为复杂。对塔设备的计算可以选择简捷法和严格法两种方法。下面按简捷法计算的蒸馏塔、严格法计算的蒸馏塔和液-液萃取塔这三类对塔设备模拟进行介绍。（1）简捷法计算的蒸馏塔单元操作模块AspenPlus中采用简捷法进行计算的蒸馏塔的单元操作模块有DSTWU（简捷法精馏设计）、Distl（简捷法精馏核算）和SCFrac（简捷法多塔蒸馏）三种。图2.20给出了它们的流程连接示意。Heat(optional)Heat(optional)Distillate热量（可选）热量（可选）馏出物DistillateStream4榴出物(optional)Side Products蒸气（可选）Water(optional)(any number)水（可选）侧线产品FeedFeed（任意股数）进料进料BottomBottom塔釜料塔釜料Heat(optional) Heat(optional)热量（可选）热量（可选(a)DSTWU&Distl流程连接示意(b)SCFrac流程连接示意图2.20简捷法计算的蒸馏塔的流程连接示意①DSTWU（简捷法精馏设计）DSTWU模型可针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，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进行简捷法蒸馏设计计算。其目的是确定最小回流比、最小级数或者实际回流比、实际级数。模型中假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度，需要输入轻、重关键组分的回收率，采用Winn法估算最小级数，Underwood法估算最小回流比，Gilliland法规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数。模型也估算最适宜的进料位置、冷凝器和再沸器负荷，并产生表格和回流比对级数的曲线图。②Distl（简捷法精馏核算）Distl模型可以模拟一个带有一股进料和两种产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可以带有分凝器或全凝器。模型假定塔中摩尔溢流量和相对挥发度是恒定的，采用Edmister方法计算产品组成，要求输入级数、回流比、馏出物对进料的比值和其他相关的塔设备参数。③SCFrac（简捷法多塔蒸馏）SCFrac模型可以对具有一股进料、一股可选的汽提蒸气流和任何股产品的复杂塔进行简捷法蒸馏的模拟计算（例如原油单元和减压塔），估算理论级数和每个塔段的加热（冷却）负荷。模型将有n个产品的塔分割成n-1个塔段并从上至下为这些塔段编号（见图2.21），假定对每个塔段使用恒定的相对挥发度，并且忽略从-个塔段流入下一个塔段的液体流动。计算时从上至下计算塔段，对每个塔段必须规定产品压力和基于进料流率的产品流率或分率；对所有产品物流，除馅出物外必须规定蒸汽与产品的比值。计算中由于进行蒸汽计算，所以水必须被定义为一个组分，所有的水都与塔顶产品一起离开。该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器中完成
23第2章流程模拟技术AMultidrawColumn P1-P1P2Stream-1Stream-P3P2Stream-2Stream-2P3P4FeedStream-3FeedP4Stream-3Stream-4+PSP5Stream-4图2.21SCFrac模型（2）严格法计算的蒸馏塔单元操作模块采用严格法计算的蒸馏塔包括RadFrac（严格法精馅）、MultiFrac（严格法多塔精馅）、PetroFrac（严格分馏塔）和RateFrac（基于流率的蒸馏）四种单元操作模块。①RadFrac（严格法精馏）RadFrac是一个用于模拟所有类型的多级汽-液精馅操作的严格模型，这些操作包括一般精馅、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏等。所以RadFrac既适用于常规的两相和三相蒸馏体系，也可用于窄沸程和宽沸程体系及液相为非理想性的体系。RadFrac模型可以计算塔的每一级上的游离水相或其他第二液相、固体及每一级上的中段回流，RadFrac还可以模拟带有两个液相和化学反应同时发生的塔，对两个液相使用不同的反应动力学。另外，RadFrac也可以模拟盐析出。RadFrac模型对板式塔和填料塔及其组合都适用，在管RadFrac模型计算时假定为平衡级操作，用户也可以规定Murphree效率或蒸发效率满足装置性能。图2.22给出了RadFrac严格法精馏Vapor Distillate汽相馅出物Condenser Heat Duty冷凝器热负荷Heat(optional)一热量（可选）LiquidDistillate液相馏出物WaterDistillate(optional)Feed（进料）Refiux（回流）水蒸馏产品（可选）Products(optional)产物（可选）Heat(optional)热量（可选）Return返回Products(optional)产物（可选）Decanter倾析器Heat(optional)热量（可选）Heat(optional)热量（可选）NStage（第N级）Heat(optional)热量（可选）Reboiler Heat Duty再沸器负荷Bottoms塔釜料图2.22严格法蒸馅单元操作模块流程连接示意
24化工过程数值模拟及软件的流程连接示意。RadFrac模型可以有任意级数、级间加热器（冷凝器）、倾析器和中段回流。每一级进料物流的数量没有限制，但每出料至多只能有三个（一个汽相，两个液相）。模型使用一个入口热流对所有除了冷凝器再沸器和中段回流外的级做一个负荷规定。塔的级数是由冷凝器开始从顶向下进行编号（如果没有冷凝器则从顶部级开始）。RadFrac模型的输入较之前面塔的计算模型的输入要复杂一些，输入时应该注意以下这些问题。关于进料的位置：在数据浏览器中使用SetupStreams页规定进料和产品级的位置。模型提供了Above-Stage（在级上方进料）和On-Stage（在级上进料）两个选项。图2.23给出了这两种进料的示意。如果选择Above-Stage（在级上方进料），模型规定在相邻的级间引入一股物流，液体部分流动到规定的级n，气体部分流动到上一级的级（n-1）。当进料约定是On-Stage时，进料的液相和汽相部分都流动到规定的级上。n-1n-1VaporMixedfeedMasdredtostagenILiquidAn+1On-StageAbove-Stage图2.23RadFrac模型进料位置规定示意再沸器处理：RadFrac可以模拟釜式再沸器和热虹吸式再沸器。缺省情况下RadFrac使用釜式再沸器作为该塔的最后一个级，在SetupConfiguration页中输入ReboilerDuty规定再沸器的负荷或作为计算值保留它。加热器和冷却器规定：用户可以在HeatersCoolersSideDuties页中直接规定段间加热器和冷却器的负荷，加热为正负荷，冷却为负负荷。也可以在HeatersCoolersUtilityExchangers页中选择计算UA，RadFrac将同时计算塔的负荷和加热（冷却）流体的出口温度。效率：用户可以在SetupConfiguration页中输入实际级数，然后使用Efficiencies窗口选择规定蒸发效率或Murphree效率中的一个，用于考虑平衡偏离的程度，但不能从一种效率转化为另一种效率。当用户不知道效率时或可得到实际塔操作数据时，可用Murphree效率与操作数据拟合。算法：用户可以在ConvergenceBasic页中选择一个算法对塔进行模拟（必须在SetupConfiguration页的Convergence区域中选择Custom作为选项）。缺省的标准算法和标准的初始化选项对大多数应用都是适用的。但对表2.5列出的应用，可以选用对应列出的算法改进收敛情况。表2.5某些实际应用算法的选择应用在Algorithm区域中选择算法石油和石油化工应用SumRatesNonideal（标准算法的外部循环>25次）高度非理想体系Newton算法Newton算法共沸蒸馏Initialization方法，Azeotropic吸收和汽提Sum-Rates（规定Condenser-None 和Reboiler-None）
第2章流程模拟技术25反应蒸馏的模拟：RadFrac可以处理发生在液相和/或汽相中的化学反应，用户必须在ReactionsSpecifications（反应窗口）中输入与反应有关的一些具体信息，包括反应类型和Reactions/ChemistryID、在哪个塔段发生反应、平衡常数、动力学转化参数等。物理性质：使用PropertiesPropertySections页替换全局的物性方法，可以对塔的不同部分规定不同的物性。固体处理：用户可在ConvergenceBasic页中使用固体处理选项，选用总体平衡或逐级平衡来处理惰性固体。两种方法都不考虑情性固体在相平衡中的计算，但在处理固体的质量和能量平衡上有所不同。缺省的总体平衡方法从入口物流中暂时除去所有固体，在没有固体情况下完成塔计算，然后在绝热条件下将塔釜级出来的液体产品与入口物流中除去的固体相混合。总体平衡方法保持全塔的质量和能量平衡，但不满足各级的平衡。逐级平衡对固体在所有级之间做质量和能量平衡严格的处理，从这个级抽出的产品物流中仍保持在此级中的液固比，规定的产品流率是物流的全流率，包括固体在内。②MultiFrac（严格法多塔精馏）MultiFrac（严格法多塔精馏）是一个严格模型用于模拟多个多级精馏装置相互连接的系统，它能处理一个结构复杂的系统，该系统可以包括任意数目的塔，每个塔都有任意数目的级；任何数的塔间连接或塔内连接：任意连接物流的流率随意的分离和混合。模型可以处理的操作是侧线汽提塔、中段回流、外部热交换器、单级闪蒸和进料炉。其典型应用包括热段间塔，如Petlyuk塔、空气分离塔系统吸收塔/汽提塔的组合及乙烯装置主分馏塔/急冷塔组合等较大型装置系统。在模拟时，对于系统中的每一个塔的流程连接和模拟计算，MultiFrac和RadFrac模型基本上没有大的区别，因此在参数的定义和选择上也基本相似，在此不再赞述。但是MultiFrac还涉及到塔与塔之间连接的问题，对此做一下介绍。MultiFrac模型可以将任意数目的物料流与任意数目的塔连接在一起，每个塔可以有任意数目的连接物流，可以是中段回流和旁路，这些物流可在两个级间或在同一级上流动，每个连接的物流可连接一个加热器。模型必须定义一个编号为1的主塔，各塔是由塔编号所标识，编号顺序对算法执行无影响。每个塔必须有一个液相产品或一个离开底部级的连接物流，顶部必须有一个汽相产品或一个汽相连接物流。主塔塔1的顶部必须是一个产品物流，不能是一个连接物流，其级数必须大于1。塔1必须规定塔底流率或馏出流率（其中馏出流率包括汽相和液相馏出物流率）、馏出物汽相分率或冷凝器温度及冷凝器负荷、再沸器负荷、回流比或回流量这四个变量之一。MultiFrac允许有任意数目的连接物流，这些物流具有相同的源塔、级和相态。在目标级引入连接物流时忽略它们的相态（即FeedConvention=On-Stage），使用ConnectStreams窗口输入连接物流的所有规定，连接物流可以有一个规定热负荷、温度或温度改变的加热器。每个终物流可以是产品物流源和一些连接外流，如果没有产品物流则至少有一股物流有一个未规定的流率。其他关于塔的算法、收敛规则等规定参见RadFrac模型。③PetroFrac（严格分馏塔）PetroFrac也是一个严格的模型，用于模拟由一个主塔和任何数目的中段回流和侧线汽提塔组成的塔结构，可以规定进料炉。对于没有中段回流和侧线汽提塔的单塔使用RadFrac模型，对于其他多塔系统使用MultiFrac模型。PetroFrac
26化工过程数值模拟及软件（严格分馅塔）典型的操作包括：预闪蒸塔、常压原油单元、减压单元、催化裂化主分馅器、延迟焦化主分馅器、减压润滑油主分馅器等。PetroFrac模型的主塔的结构可以在SetupConfiguration页规定，在进料位置的输入选项中，PetroFrac模型比MultiFrac模型多了一个选项是Furnace，该选项表示在将进料进入到规定的级之前先输入到进料炉中，通过进料炉可以有任何数目的进料物流进入到炉子附着的级n上。PetroFrac模型中中段回流与主塔联系到一起，可以是级上液相流率的全部或部分抽出，因此必须规定每个中段回流的抽出和返回级的位置，对部分抽出则必须规定流率、温度、温度变化和热负荷中的两项。侧线汽提塔可以有一个蒸气进料，必须有一个液相塔底产品。可以使蒸气汽提或再沸汽提，蒸气汽提必须输入一个蒸气物流，可以通过规定一个蒸气与产品的比值来替换它的流率；再沸汽提必须规定一个再沸器的负荷。汽提塔液相底部产品可部分返回到主塔中，必须规定采出和返回级的位置。其他关于主塔的相关输入和参数选择可参见RadFrac模型。RateFrac（基于流率的蒸馏）RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级汽-液精馏操作。RateFrac是基于流率的严格计算模型，它能直接描述同时发生的质量和热传递速率及在同时扩散的物质间考虑多组分的相互作用；对于化学反应系统，考虑在热和质量传递速率过程中化学反应的影响：对于包含平衡反应的系统，包括表示化学平衡条件的方程。因此，RateFrac可以完全避免对板式塔效率和填料塔HETP的需要，比传统的平衡模型具有更广泛的适用性和更好的预测功能。可应用于一般蒸馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏等过程的模拟。也可检测和处理冷凝器中的游离水相和模拟带有化学反应的塔。RateFrac可以对单一塔或多个塔连接组成的一个复杂的塔结构进行核算和新的设计。用FortranBlocksSensitivityAnalysis和CaseStudy模块来改变塔结构参数，例如进料位置或塔段数，模型可以生成塔段位置的分布图。模型中每个塔必须有至少一个汽相或液相物流离开顶部塔段，一个液相物流离开底部塔段。当模拟一个相互连接塔时，顶部或底部物流可以是连接物流，但冷凝器中游离水不能是一个连接物流。其他参数输入的原则如进料位置的约定、加热器的负荷输入等和MultiFrac模型中主塔1的输入参数的原则类似。模型可以从收敛的汽相和液相组成分布中反推组分的Murphree汽相效率，它们用于定义汽相物流和液相物流离开同一块级时每个组分分离的平衡接近程度。对于填料塔的每个塔段，使用与Murphree汽相效率同样的定义计算分离平衡接近程度，报告所需的按HETF定义的塔段的填料高度以达到平衡。因此在Reports页中可以选择用户想要输出的项目。RateFrac模型必须为一个给定的塔解决比平衡模型更多的方程，因此其计算时间也大于平衡模型的计算时间，特别是对包含许多组分的问题。RateFrac采用基于Newton的同步关联式方法，求解时间是以组分数目的平方增长的。RateFrac可以和其他的AspenPlus功能一起使用，使用方式上与基于平衡的模型是一样的。（3）Extract（液-液萃取塔）单元操作模块Extract（液-液萃取塔）是用于模拟液-液逆流萃取塔的严格模型，模型可以有多个进料、加热器（冷凝器）、侧线物流。Extract（液-液萃取塔）的流程连接比较简单。进料至少包括两股物流，到达第一级顶部的物流第一液相L1含量多，到达最后一级底部的物流第二液相L2含量多，两股物流逆