精馏塔设计步骤

精馏塔是生物制药，精细化工，化学化工，石油化工，环保，食品加工生产中应用极为广泛的一种分离装置。不论混合物何种物态、组成、沸点差、处理量、纯度目标，只要选择合适的操作条件和精馏方式，精馏塔都能进行有效分离。 针对行外人士可能认为精馏塔是很复杂的设备，但是如果深入了解下精馏塔的设计，我们眼中的精馏塔也是一种比较简单的设备， 本文是精馏塔设计工程师总结的如何在Aspen Plus中设计一座精馏塔。（建立DSTWU模型并向RadFrac模型过渡）。

首先来看一看设计精馏塔要使用的模块：RadFrac模块， 这是一种单塔精馏严格计算模块，可以进行单个精馏塔的严格校核和设计计算。可以进行常规精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、三相精馏、反应精馏等模拟，总之这是一个功能十分强大的模块。 那模拟一座精馏塔至少需要哪些条件呢？我们点开RadFrac模块瞧一瞧

红色半圆形标识的就是至少需要填写的信息，包括塔板数、冷凝器类型、操作规范、进料位置、进料方式和压力。  DSTWU模块通过计算可给出最小回流比、最小理论板数、实际回流比、实际理论板数(包括冷凝器和再沸器)、进料位置、冷凝器热负荷和再沸器热负荷等参数，但其计算精度不高，常用于初步设计，其计算结果可为严格精馏计算提供初值。依然来看红色半圆形标识，红色半圆形标识是运行整个流程所需要的最少的信息，也是你至少要填写的信息。你需要填写的信息有塔规范、关键组分回收率、压力和冷凝器规定。

DSTWU模块利用了假设条件或者经验估算。结果就是：物系越接近理想物系，DSTWU模拟的结果就越准。另外就是它只能算一股进料、两股出料的简单精馏塔。DSTWU模块虽然局限性比较大，但是也足够解决日常80%的问题。另外DSTWU模块存在的意义就是为RadFrac模块提供参考初始值。其实就是一个工具人模块

接下来我们通过一个例子来详细介绍DSTWU模块。设计一座苯回收精馏塔，进料量1000kmol/hr，其中苯0.4（摩尔分率，下同），甲苯0.4，异丙苯0.2，压力4bar，温度150℃（这个温度是该压力下接近泡点的冷液温度），物性方法采用PENG-ROB。要分离的物质是苯。 先来看看进料条件怎么写，苯就是C6H6，甲苯就是PH-CH3，异丙苯就是PH-C3H6。

然后把DSTWU模块拿出来，把塔顶和塔底的流股接好。

点左上角的NEXT(下一步）按钮。这是Aspen自带的专家系统，是一个非常有用的工具。下一步自动转入规定页面。

首先塔规范。 塔板数和回流比二选一。如果选择填写塔板数，需要写的是理论板数，包括冷凝器和再沸器。如果选择规定回流比时，输入值>0，表示实际回流比；输入值 <- 1，其绝对值表示实际回流比与最小回流比的比值。 比如-1.2~-2之间随便一个值，表示实际回流比是最小回流比的1.2~2倍。

其次压力。 虽然表面上填的是冷凝器压力和再沸器压力，但是实质上决定了塔顶和塔底的温度。因为压力越大，沸点就越高（高压锅里的水的沸点就会超过100℃），塔顶和塔底的温度也会变高。温度升高会导致部分物质热分解或者到达公用工程极限加热温度。 正确的做法是：先据此选取一个合适的塔顶温度，找对应压力作为塔顶压力，然后估算一个塔底压力，再进行水力学计算，若塔顶塔底压降不满足则继续调整塔底压力，直到塔底压力符合要求。 另外，压力的选取是各方面综合影响的结果，还有以下要求 1、再沸器压力（塔底压力）必须大于等于冷凝器压力（塔顶压力） 2、压力不能超过进料压力，因为流体只能从高压流向低压，如果违反，后续会产生：进料压力低于级间压力的警告。 3、压力的选取需要考虑工程实际，过高或过低的压力都难以实现。

另外关键组分的回收率。 先来看看什么是轻组分？什么是重组分？精馏塔分离时，按沸点的差异进行分离，塔顶获得低沸点组分，塔底获得高沸点组分，沸点低的就是轻组分，沸点高的就是重组分。 重点就在于关键二字，关键这两个字意味着控制这两种物质的纯度即可控制整个塔的分离要求。上面案例中的的三种物质沸点由低到高是：苯<甲苯<异丙苯，我要获得的是纯净的苯，苯是沸点最低的，所以苯出现在塔顶，甲苯和异丙苯就只能出现在塔底。 只要甲苯往塔底走了，那么异丙苯肯定往塔底走了，因为异丙苯的沸点比苯更高，高沸点出现在塔底。反之，如果异丙苯往塔底走了，并不能保证甲苯也跟着往塔底走。所以苯和甲苯这两个物质的分离水平就决定了整个塔的分离水平，所以称之为关键组分。 如果目标分离甲苯，谁才是轻重关键组分呢？ 答：甲苯的沸点介于两者之间，精馏的分离是对沸点做切割，我们需要切割两次，所以需要两座精馏塔。先写轻组分是甲苯（因为当甲苯出现在塔顶的时候，沸点更低的苯一定在塔顶了），重组分是异丙苯，将异丙苯分离，获得甲苯、苯混合物。再写轻组分是苯，重组分是甲苯，获得纯净的甲苯。 组分说完了，接下来说回收率。 轻关键组分在塔顶产品中的摩尔回收率：塔顶产品中的轻关键组分摩尔流量/进料中的轻关键组分摩尔流量。 重关键组分在塔顶产品中的摩尔回收率：塔顶产品中的重关键组分摩尔流量/进料中的重关键组分摩尔流量。 其实这种分割叫做清晰分割，比较少见。一般轻、重组分在塔顶塔底都有出现，区别在于含量的多少。 去物性-组分-规定页，点击检查，找到TB参数(正常沸点），按沸点顺序判断轻重关键组分。轻组分的回收率写一个接近1的值，比如0.995，重组分的回收率写一个接近0的值，比如0.005。

最后说下冷凝器规范。 包括全凝器、产品全为汽相馏出物的部分冷凝器、产品为汽液两相馏出物的部分冷凝器。这是决定塔顶温度的因素之一，一般存在不凝气的时候才会选后面两个。（比如氧气，氧气的常压沸点低，会出现在塔顶，这个时候如果选择全凝，为了液化氧气，塔顶就必须冷却到-180℃，这显然不合理）不知道的时候就选全凝器。

到这里DSTWU模块就设置好了，红色半圆形标识变成了蓝色对勾。点击NEXT下一步，出现要求的输入已完成对话框，点击确定，运行模拟。

右击DSTWU模块，选结果。可看到计算出的最小回流比为2.04，实际回流比为2.45，最小理论板数为15.3(包括全凝器和再沸器)，实际理论板数为30.2(包括全凝器和再沸器)，进料位置为第15.37块板，塔顶温度为133℃，塔底温度为180.7℃。

一般来说，低压蒸汽的加热温度是175℃，该操作压力下，塔底180℃超过了低压蒸汽的加热温度，无法使用低压蒸汽作为加热介质，需使用中压蒸汽。如果想要继续使用低压蒸汽，可以降低塔底压力，由于沸器压力（塔底压力）必须大于等于冷凝器压力（塔顶压力），塔顶和塔底压力试填2bar，点击NEXT下一步，出现要求的输入已完成对话框，点击确定，运行模拟。右击DSTWU模块，选结果。

可看到计算出的最小回流比为1.82，实际回流比为2.19，最小理论板数为13.3(包括全凝器和再沸器)，实际理论板数为26.5(包括全凝器和再沸器)，进料位置为第14.0块板，塔顶温度为104℃，塔底温度为148℃。

现在已经知道了RadFrac模块所需要的所有数据了，是时候把RadFrac模块拿出来了。把DSTWU模块删了，工具人模块实锤，拖一个RadFrac模块出来，把FEED流股、B流股、和D流股接好。按照上面的结果填写RadFrac模块填写信息。

点击NEXT下一步，出现要求的输入已完成对话框，点击确定，运行模拟。右击RadFrac模块，选结果，选切割分率。右击RadFrac模块，选流股结果。

RadFrac模块计算结果表明，苯的回收率是98.88%。这和DSTWU模块规定的99.5%有差别，这就是DSTWU模块假设条件或经验估算造成的误差。另外可以看到，关键重组分甲苯绝大部分在塔底后，更重组分异丙苯比甲苯更多的在塔底。但不论轻、重组分，在塔顶塔底都有出现，区别在于含量的多少。 至此，一个RadFrac模块就算跑通了。