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【摘 要】吸收传质过程中，吸收剂用量越大，吸收效果越好，精度越高。但是如果吸收剂用量过大，就会造成解析过程中负担过重。所以本案优化的目标为：用最小的吸收剂用量达到指定的吸收精度。首先要初步估算一个吸收剂用量，再确定平衡级数。这样就可以用RateFrac模块确定填料高度；然后做一次灵敏度分析，确定一个合适的吸收剂用量以及所对应的填料高度；然后将其回带到原计算过程中，再做一次灵敏度分析，确定出第一次灵敏度分析中所确定的填料高度下所对应的塔径；最后将填料总高度进行分段、圆整，再一次回带到原计算过程中进行核算，至此，模拟计算结束。
【关键词】Aspen Plus；吸收；优化设计
1.设计参数
操作温度 50℃
操作压力 0.12MPa
气相摩尔流量 42kmol/h
摩尔分率 H20-0；PH-0.255；ACE-0.169；N2-0.432；O2-0.144
吸收剂 H2O
填料种类 DN38聚丙烯阶梯环
混合气出口丙酮含量 50ppm
2.初步计算
Aspen Plus软件中的RateFrac模块是模拟诸如吸收、气提和精馏等所有类型的多级汽液分离过程的速率型非平衡级模型。初步计算主要是为了找到一个较佳的塔高度和塔直径。然后进一步确定一个较佳的吸收剂流量，为后面的核算做准备。
2.1定义流程
使用AspenPlus下的RateFrac模块创建流程图。如图2-1所示。
2.2定义组分
设定单位制为公制（MET），混和气主要成分为丙酮、苯酚、氮气、氧气，吸收剂主要成分为清水。
2.3定义特性计算方法
定义热力学方法为NRTL-RK（如图2-2所示）。“NRTL-RK”方程对酮、醇、醚体系具有较高的预测精度，对于含水系统，“NRTL-RK”方程通常比其他方程拟合的更好。“NRTL-RK”模型是一種计算多元体系液相活度系数的特性计算方法，它的优点不但在关联强极性物系时效果较好，更主要的是可以从二元体系的关联参数直接计算多元体系，而不必引入多元体系特有的参数。其方程如下：
1nγ=+
式中，Gij—溶液的相互作用能。Gij=exp（-αijτij）；
τji—NTRL方程参数。τji=aij+bij/T+eijlnT+fijT；
aji—溶液的有序特性参数。aij=cij+dij（T-273.15K）；aji=aij；
αji—溶液的特征函数。αji值定在0.2～0.47之间
χi—组分i的摩尔分数。
γi—组分i在液相的活度系数。
2.4定义物流
包括混合气及吸收剂入塔时的操作温度，操作压力，流量以及各组分的摩尔分率等。如图2-3所示。
2.5定义单元模型
2.5.1定义填料段数
按照拇指规则（thumb rule），每一个塔的底部就应该算一个段的高度，然而比较多的段数可以增加准确性。段的高度不应该小于使用的填料的平均高度。在本案中填料段数取10。无冷凝器和再沸器。如图2-4所示。
2.5.2定义填料
填料选择1.5inch散堆金属阶梯环填料，从1（表示填料塔的顶部填料段）开始，结束段的值10。
初步估计一个填料高度为1m。如图2-5所示。
2.5.3定义塔径
AspenPlus可以根据塔的液泛因子计算直径。液泛气速取空塔气速的80%。初步估计一个塔径为1m。如图2-6所示。
2.5.4定义变量
本案中将要改变塔的填料高度来满足离开塔的气相中丙酮的摩尔分率要求。定义变量为离开塔的气体的丙酮摩尔分率。如图2-7所示。
2.5.5设定精度值及误差
设定混合气体出口中丙酮的含量值为0.00005；误差限定值为0.000001。如图2-8所示。
2.5.6定义处理变量为填料高度。如图2-9所示。
模拟计算后我们想要得到的结果为填料高度，塔径等。
2.6计算结果
初步计算后得到的填料高度为8.787m。如图2-10所示。
物料衡算结果如下。
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、4.98E-05、0、0.012。
从结果中可以看出，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均接近设计方案中希望达到的值。
2.7灵敏度分析
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。本案初步优化的目标是找到填料高度与吸收剂流量之间的关系。确定一个较佳的吸收剂流量与塔高。
（1）定义测量变量为填料高度。同图2-7所示窗口输入。
（2）定义操作变量为吸收剂流量。同图2-9所示窗口输入。
（3）计算结果显示。
a 数表结果。
如图2-11所示。每一个吸收剂用量对应一个相应的填料高度。
b 图形显示。
用计算出来的数据作图，观察H随L的变化趋势。如图2-12所示。
由H-L曲线可以看出随着吸收剂用量的减小，填料高度逐渐增加。当达到吸收剂流量为568Kmol/h，填料高度为8.41m时，随着吸收剂流量的减小，填料高度的增加发生很大的变化，这样就造成了一次性投资过大。所以选择一个较佳的吸收剂流量为568Kmol/h，其所对应的填料高度为8.41米。 3.初步校核计算
初步校核计算即为将初步计算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收剂流量（L=568Kmol/h）回带到原计算过程中，将原来计算过程中的填料高度值和吸收剂流量值替换，进而为了计算得到塔径。
3.1数值回带
经过初步计算后我们得到了一个较佳的填料高度及其相对应的吸收剂用量。这时我们需要将这两个值进行回带计算将吸收剂用量回带到液相进料流股。吸收剂流量变成568Kmol/h。同图2-3所示窗口输入。
将初步计算得到的填料高度回带到填料设定中，将填料高度改为8.41m，如图3-1所示。
3.2校核结果
校核计算后的物料衡算结果如下。
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、5.03E-05、0、0.012。
从校核计算结果来看，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均满足设计方案中所希望达到的值。所以初步计算中所选择的填料高度及其所对应的吸收剂用量合理。
3.3灵敏度分析
本次灵敏度分析的目的即为找出塔高于塔径之间的变化关系，进而得到一个合适的塔径。
（1）定义测量变量为填料高度。同图2-12所示窗口输入。
（2）定义操作变量为塔径。同图2-13所示窗口输入。
（3）计算结果显示。
a数表结果。
如图3-2所示。每一个填料高度对应一个塔径。
b图形显示。
用计算出来的数据作图，观察H随D的变化趋势。如图3-3所示。
由H-D曲线可以看出随着填料塔直径的减小，填料高度逐渐增加，当达到塔径为0.8m，填料高度为8.41m时，随着D值的减小，曲线的斜率发生很大变化。即随着塔径的减小，填料高度变化发生很大变化。所以选择一个较佳的填料塔直径为0.8米。对应的填料高度为8.41m，对应的吸收剂流量为568Kmol/h。
4.核算
核算即為将初步校核计算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收剂流量值（L=568Kmol/h）以及塔径值（D=0.8m）经过圆整后（H=9m， L=568Kmol/h，D=0.8m）回带到原计算过程中，将原来计算过程中的填料高度值和吸收剂流量值以及塔径值替换，然后进行物料衡算与热量衡算。并将所得到的值与设计方案中所希望达到的值进行对比，看是否达到目标。
4.1数值回带
经过初步计算及校核后我们得到了一个较佳的填料高度及其相对应的吸收剂用量（填料高度为9m，吸收剂流量为568Kmol/h）。以及所对应的塔径（塔径为0.8m）。这时我们需要将这三个值进行回带核算将吸收剂用量回带到液相进料流股。吸收剂流量变成568Kmol/h。同图2-3所示窗口输入填料设定栏中，将填料高度改为9m，同图3-1所示窗口输入。
塔径设定栏中，将塔径改为0.8米，同图2-6所示窗口输入。
4.2计算结果
计算结果如下：
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、4.96E-05、0、0.012。
从核算结果来看，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均满足设计方案中所希望达到的值。所以核算中所涉及的填料高度极其所对应的塔径，以及相对应的吸收剂用量均合理，并且出于对一次性投资及多次投资成本的总和考虑，本设计方案合理可行。
【参考文献】
[1]Aspen Plus Unit Operation Models.Aspen Technology，Inc，2001.
[2]Aspen Plus Physical Property Methods and Models.Aspen Technology，Inc，2001.
[3]袁东艳.Aspen Plus软件在吸收稳定系统技术改造中的应用[J].石油化工设计，2004.
【关键词】Aspen Plus；吸收；优化设计
1.设计参数
操作温度 50℃
操作压力 0.12MPa
气相摩尔流量 42kmol/h
摩尔分率 H20-0；PH-0.255；ACE-0.169；N2-0.432；O2-0.144
吸收剂 H2O
填料种类 DN38聚丙烯阶梯环
混合气出口丙酮含量 50ppm
2.初步计算
Aspen Plus软件中的RateFrac模块是模拟诸如吸收、气提和精馏等所有类型的多级汽液分离过程的速率型非平衡级模型。初步计算主要是为了找到一个较佳的塔高度和塔直径。然后进一步确定一个较佳的吸收剂流量，为后面的核算做准备。
2.1定义流程
使用AspenPlus下的RateFrac模块创建流程图。如图2-1所示。
2.2定义组分
设定单位制为公制（MET），混和气主要成分为丙酮、苯酚、氮气、氧气，吸收剂主要成分为清水。
2.3定义特性计算方法
定义热力学方法为NRTL-RK（如图2-2所示）。“NRTL-RK”方程对酮、醇、醚体系具有较高的预测精度，对于含水系统，“NRTL-RK”方程通常比其他方程拟合的更好。“NRTL-RK”模型是一種计算多元体系液相活度系数的特性计算方法，它的优点不但在关联强极性物系时效果较好，更主要的是可以从二元体系的关联参数直接计算多元体系，而不必引入多元体系特有的参数。其方程如下：
1nγ=+
式中，Gij—溶液的相互作用能。Gij=exp（-αijτij）；
τji—NTRL方程参数。τji=aij+bij/T+eijlnT+fijT；
aji—溶液的有序特性参数。aij=cij+dij（T-273.15K）；aji=aij；
αji—溶液的特征函数。αji值定在0.2～0.47之间
χi—组分i的摩尔分数。
γi—组分i在液相的活度系数。
2.4定义物流
包括混合气及吸收剂入塔时的操作温度，操作压力，流量以及各组分的摩尔分率等。如图2-3所示。
2.5定义单元模型
2.5.1定义填料段数
按照拇指规则（thumb rule），每一个塔的底部就应该算一个段的高度，然而比较多的段数可以增加准确性。段的高度不应该小于使用的填料的平均高度。在本案中填料段数取10。无冷凝器和再沸器。如图2-4所示。
2.5.2定义填料
填料选择1.5inch散堆金属阶梯环填料，从1（表示填料塔的顶部填料段）开始，结束段的值10。
初步估计一个填料高度为1m。如图2-5所示。
2.5.3定义塔径
AspenPlus可以根据塔的液泛因子计算直径。液泛气速取空塔气速的80%。初步估计一个塔径为1m。如图2-6所示。
2.5.4定义变量
本案中将要改变塔的填料高度来满足离开塔的气相中丙酮的摩尔分率要求。定义变量为离开塔的气体的丙酮摩尔分率。如图2-7所示。
2.5.5设定精度值及误差
设定混合气体出口中丙酮的含量值为0.00005；误差限定值为0.000001。如图2-8所示。
2.5.6定义处理变量为填料高度。如图2-9所示。
模拟计算后我们想要得到的结果为填料高度，塔径等。
2.6计算结果
初步计算后得到的填料高度为8.787m。如图2-10所示。
物料衡算结果如下。
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、4.98E-05、0、0.012。
从结果中可以看出，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均接近设计方案中希望达到的值。
2.7灵敏度分析
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。本案初步优化的目标是找到填料高度与吸收剂流量之间的关系。确定一个较佳的吸收剂流量与塔高。
（1）定义测量变量为填料高度。同图2-7所示窗口输入。
（2）定义操作变量为吸收剂流量。同图2-9所示窗口输入。
（3）计算结果显示。
a 数表结果。
如图2-11所示。每一个吸收剂用量对应一个相应的填料高度。
b 图形显示。
用计算出来的数据作图，观察H随L的变化趋势。如图2-12所示。
由H-L曲线可以看出随着吸收剂用量的减小，填料高度逐渐增加。当达到吸收剂流量为568Kmol/h，填料高度为8.41m时，随着吸收剂流量的减小，填料高度的增加发生很大的变化，这样就造成了一次性投资过大。所以选择一个较佳的吸收剂流量为568Kmol/h，其所对应的填料高度为8.41米。 3.初步校核计算
初步校核计算即为将初步计算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收剂流量（L=568Kmol/h）回带到原计算过程中，将原来计算过程中的填料高度值和吸收剂流量值替换，进而为了计算得到塔径。
3.1数值回带
经过初步计算后我们得到了一个较佳的填料高度及其相对应的吸收剂用量。这时我们需要将这两个值进行回带计算将吸收剂用量回带到液相进料流股。吸收剂流量变成568Kmol/h。同图2-3所示窗口输入。
将初步计算得到的填料高度回带到填料设定中，将填料高度改为8.41m，如图3-1所示。
3.2校核结果
校核计算后的物料衡算结果如下。
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、5.03E-05、0、0.012。
从校核计算结果来看，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均满足设计方案中所希望达到的值。所以初步计算中所选择的填料高度及其所对应的吸收剂用量合理。
3.3灵敏度分析
本次灵敏度分析的目的即为找出塔高于塔径之间的变化关系，进而得到一个合适的塔径。
（1）定义测量变量为填料高度。同图2-12所示窗口输入。
（2）定义操作变量为塔径。同图2-13所示窗口输入。
（3）计算结果显示。
a数表结果。
如图3-2所示。每一个填料高度对应一个塔径。
b图形显示。
用计算出来的数据作图，观察H随D的变化趋势。如图3-3所示。
由H-D曲线可以看出随着填料塔直径的减小，填料高度逐渐增加，当达到塔径为0.8m，填料高度为8.41m时，随着D值的减小，曲线的斜率发生很大变化。即随着塔径的减小，填料高度变化发生很大变化。所以选择一个较佳的填料塔直径为0.8米。对应的填料高度为8.41m，对应的吸收剂流量为568Kmol/h。
4.核算
核算即為将初步校核计算后得到的填料高度值（H=8.41m）和吸收剂流量值（L=568Kmol/h）以及塔径值（D=0.8m）经过圆整后（H=9m， L=568Kmol/h，D=0.8m）回带到原计算过程中，将原来计算过程中的填料高度值和吸收剂流量值以及塔径值替换，然后进行物料衡算与热量衡算。并将所得到的值与设计方案中所希望达到的值进行对比，看是否达到目标。
4.1数值回带
经过初步计算及校核后我们得到了一个较佳的填料高度及其相对应的吸收剂用量（填料高度为9m，吸收剂流量为568Kmol/h）。以及所对应的塔径（塔径为0.8m）。这时我们需要将这三个值进行回带核算将吸收剂用量回带到液相进料流股。吸收剂流量变成568Kmol/h。同图2-3所示窗口输入填料设定栏中，将填料高度改为9m，同图3-1所示窗口输入。
塔径设定栏中，将塔径改为0.8米，同图2-6所示窗口输入。
4.2计算结果
计算结果如下：
GAS-IN、GAS-OUT、LIQ-IN、LIQ-OUT流股对应的丙酮摩尔分率分别为0.169、4.96E-05、0、0.012。
从核算结果来看，气相出口和液相出口流股的丙酮含量均满足设计方案中所希望达到的值。所以核算中所涉及的填料高度极其所对应的塔径，以及相对应的吸收剂用量均合理，并且出于对一次性投资及多次投资成本的总和考虑，本设计方案合理可行。
【参考文献】
[1]Aspen Plus Unit Operation Models.Aspen Technology，Inc，2001.
[2]Aspen Plus Physical Property Methods and Models.Aspen Technology，Inc，2001.
[3]袁东艳.Aspen Plus软件在吸收稳定系统技术改造中的应用[J].石油化工设计，2004.