Aspen塔设备模拟不准？可能是你方法没找对

RadFrac模块是Aspen中最常用的严格塔模块，虽然挂上“严格”两个字，但并不意味着模拟结果一定是很准确的，其中决定准确性的最大因素之一是“Calculation type”，如下图所示。

在一般的模拟中我们使用默认的“Equilibrium”方法，以至于渐渐忽略了这一项设置，对另一种“Rate-Based”方法浑然不知~今天我们就来谈谈这两种方法的区别，并给出一个案例。

Equilibrium计算方法

该方法基于汽液平衡，并作出以下假设：

①离开一块塔板的汽、液两相处于相平衡状态和热平衡状态；

②在一块塔板上进入塔板的物质完全混合，离开时的两相完全分离。

用效率因子和HETP来修正这些假设，其实这和我们化工原理中学习的精馏塔计算方法是类似的。

Equilibrium方法的局限性在于：

①实际过程不是平衡状态，受速率限制的塔不能精确预测温度和浓度的分布；

②没有实验数据和工厂数据，很难获取精确的效率因子数值；

③用来修正平衡的效率因子和HETP是不确定的数，应该随操作条件、设备尺寸而变化，但计算时却假设不变。

这种方法足够简单，在模拟常规的精馏时也能取得令人满意的模拟结果，但对于复杂的精馏或者吸收可能难以达到可以接受的准确度，因此我们需要另一种更精确的计算方法——Rate-Based。

Rate-Based计算方法

Rate-Based计算方法又称为基于速率的模拟方法，其特点为：

结合塔板或填料，依据两相之间的质量和能量传递的速度来计算分离，传递速度取决于浓度和温度驱动力、塔内液相和汽相流量、流体传递性质及设备特征。仅仅假设在相界面汽液两相处于热力学平衡。

基于速率（Rate-Based）精馏计算方法示意如上图所示，将气液传质、传热过程按区域划分，分为汽相主体、汽膜、相界面、液膜、液相主体共五个区，汽相主体、液相主体温度和浓度达到均一，而在汽膜、液膜里存在浓度梯度、温度梯度，在相界面，汽液达到相平衡。计算中将膜层离散化，膜层离散化的厚度越靠近界面越薄，传质传热采用 Maxwell-Stefan方程。

基于速率的精馏，用少量的手工回归数据，对更宽范围的操作条件，能更精确地预测、推断现有操作条件范围以外的情况，计算结果更可信。

基于速率的精馏比较适合应用于三种工艺：吸收和解吸、反应精馏、强非理想系统。因为，对于吸收和解吸，质量和热量传递受限制，从组分到组分、从塔板到塔板，效率变化非常大，最低可达5%；对于反应精馏，效率是没有意义的；对于强非理想系统，效率不确定，从组分到组分、从塔板到塔板变化很大。

具体应用情况如下：

• 低效率系统，如吸收塔的板效率通常在10%-20%范围内；
• 气相和液相温度差比较大的系统，热传递受到限制，典型例子是常压塔、减压塔；
• 反应精馏塔，快的反应速率，导致质量传递受到限制，如酸性气用胺洗涤及硝酸生产；
• 强非理想系统，如共沸精馏，从组分到组分、从塔板到塔板，效率变化非常大；
• 所有填料塔，持液量和其他因子难于估计，HETP也不确定；
• 带有踪迹组分的系统，如洗涤盐酸、氯气这样的危险物质的洗涤塔；
• 乙烯厂精馏塔、气体分离装置、空分装置；
• 当需要扩展产能到更高（脱瓶颈），当需要设计一个新塔，而没有过多的设计余量时。

Rate-Based应用示例

天然气脱硫脱碳是天然气净化过程中的关键一环，目前最常用的工艺之一是选择性醇胺法，醇胺溶液一般为MDEA。流程如下图所示:

MDEA与H₂S的反应为瞬间反应，而与CO₂的反应速率相对较慢，反应速率的差异使得MDEA能够做到选择性脱除H₂S。该过程为化学吸收过程，吸收塔内需要考虑化学反应，且因为CO₂反应相对较慢，需要考虑反应动力学，因此常规的Equilibrium方法难以准确模拟，下面通过一个案例展示如何使用Rate-Based方法模拟天然气脱硫脱碳吸收塔：

选用ELECNRTL物性方法，亨利组分设置为CO₂、H₂S、CH₄、N₂。在Chemistry中定义如下平衡反应：

建议以Aspen提供的胺包为基础进行模拟，物性已经提前设置好。

接下来进入流程搭建步骤。首先要考虑吸收塔内发生的反应。前面也提到我们要考虑CO₂反应的动力学，在Reactions中定义一个类型为“REAC-DIST”类型的反应集（RadFrac模块专用），定义如下反应：

反应4、5、8、9设置为动力学反应，反应动力学采用LHHW模型，动力学参数这里不展示。

采用RadFrac模块搭建上述流程，注意在模块的“Configuration”中将计算类型改为“Rate-Based”，指定21块塔板，不设置冷凝器再沸器

注意在“Specifications”中的“Reactions”中别忘记添加刚才设置的类型为“REAC-DIST”类型的反应集，然后指定发生反应的区域。由于吸收塔无冷凝器和再沸器，1-21块板均是实际的塔板，且每块板都发生反应，所以指定所有塔板均发生反应：

然后设置流股连接位置、设置压力。接着输入胺液流股LEANIN和天然气流股GASIN的温度、压力、流量等信息。具体细节这里不展示。

注意Rate-Based方法需要基于塔板或者填料的结构进行计算，因此需要在“Column Internals”中指定结构参数，并开启校核模式“Rating”。

本例采用板式塔，结构参数如下：

接下来进入最后一步，完善Rate-Based模型设置。

在RadFrac模块下的“Rate-Based Modeling”中的“Rate-Based Setup”中对流动、传质和传热进行设置，参考下图：

注意本例中反应发生在液膜和液相主体内，因此在计算液相时“Film resistance”选择为离散膜“discretize film”，并指定离散点数为5个。因为气相无反应，H₂S吸收可以看做气膜控制，因此气膜设置了“Consider film”。下面的传质、传热以及相界面的关联式选择合适的就好。

关于持液量的设置，因为持液量是一个变化的值，因此选用经验关联式进行计算，如下图所示：

最后就可以查看结果了，这里放两张浓度和温度分布的模拟结果：

同时也可以查看水力学校核结果：

结束语

可以看出Rate-Based方法的设置比较繁琐，但模拟结果更准确，且同时能进行水力学校核。

有同学可能会问如果我一开始不知道塔设备结构参数怎么办？这时建议先采用常规的Equilibrium方法跑通一次（如果设置了动力学反应还需要规定每层塔板的持液量、停留时间等），获得水力学数据后在“Column Internals”中通过交互模式进行设计，然后再切换到Rate-Based方法重新计算，如果报错则慢慢调整，直到无错误无警告，且水力学校核通过。

参考文献

[1]化工流程模拟Aspen Plus实例教程（第二版），熊杰明，化学工业出版社，2016。

[2]   Aspen自带案例“ELECNRTL Rate Based MDEA Model”

后台回复“案例”获取模拟源文件及说明文档。

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编辑：Papaw

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