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15CHEMICALENGINEERING DESIGN 化工设计2626,36（3）基于Aspen 软件的甲醇精馏热焓控制方案设计徐明慧*东华工程科技股份有限公司合肥234002扌商要 本文介绍甲醇三塔精馏工艺背景，根据实际项目的工艺条件、精馏塔底部采用双换热器作为再沸器的特点进行热焓控制方案的设计并利用Apen 软件仿真，通过与甲醇精馏塔塔釜温度控制方案的对比验证本控制方案的优势：在保证精馏品质的同时，控制蒸汽用量，达到节能降耗的目的。
该方法对甲醇精馏控制的工业 应用具有一定指导意义。
关键词甲醇精馏温度控制热焓控制甲醇精馏是甲醇生产中的重要处理工序，甲醇精馏中最主要的设备一般是由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等组成，其中精馏塔是最主要的设备，在过程控制中精馏塔作为被控对象是一个多输 入、多输出的多变量对应关系的复杂过程［1，］,而精馏塔的出料是最终产品或者是下一工段的原料,所以，精馏塔的控制品质的好坏直接影响到整个工艺过程生产的成败，精馏塔的控制方案的研究由此也显得极为重要。
精馏塔要求进料、回流和温度在 相对稳定的条件下进行操作，因此热量输入应该控 制在相应的恒定值⑶。
根据精馏工艺的不同，精馏塔热量输入的控制方案也有很大的差异。
温度控 制随着化工工艺日益复杂，工艺参数关联度增强，常规的pis 控制难以做到实时有效的控制，谷玉凯、王华强⑷等人将模糊神经网络分类器应用在精馏塔温度控制上实现了精馏塔的智能控制；高军礼、陈玮J .等人用串级SmitP 预估补偿控制方案解决精馏塔底温度具有的大纯滞后、大惯性时间常数且难以控制的特点。
而将热焓控制用于维持精馏塔塔釜热量恒定的研究相对较少。
1甲醇三塔精馏工艺介绍本文以粗甲醇三塔精馏流程工艺为背景，工艺主要设备包括：预塔（T-01）、加压塔（T-02）、常压塔（T-03）。
工艺流程图见图1。
徐明慧：工程师。
2012年毕业于华东理工大学控制科学与工程专业获硕士学位，从事自控设计工作联系电话：187****3419, E-mail ：*********************2424,34(5)徐明慧基于Aspen软件的甲醇精馏热焓控制方案设计10精馏预塔底部出料工艺流程见图2。
Aspen plus模拟甲醇、水精馏塔设计说明书一、设计题目根据以下条件设计一座分离甲醇、水混合物的连续操作常压精馏塔：生产能力：24500吨精甲醇/年；原料组成：甲醇50%w，水50%w；产品组成：塔顶甲醇质量分率≥94%w；塔底甲醇质量分率 1 %w；进料温度：350.5K；塔顶压力常压；进料状态饱和液体。
二、设计要求对精馏塔进行详细设计，给出下列设计结果并绘制塔设备图，并写出设计说明。
(1).进料、塔顶产物、塔底产物；(2).全塔总塔板数N；最佳加料板位置N F；(3).回流比R；(4).冷凝器和再沸器温度、热负荷；(5).塔内构件塔板或填料的设计。
三、分析及模拟流程1.物料衡算（手算）目的:求解 Aspen 简捷设计模拟的输入条件。
内容:(1)生产能力:一年按300天计算，进料流量为24500/（300*24）=3.40278 t/hr。
(2)原料、塔顶与塔底的组成（题中已给出）：原料组成：甲醇50%w，水50%w；产品:塔顶甲醇≥94%w；塔底甲醇《1% w。
(3).温度及压降：进料温度：77.35摄氏度=350.5K；2.用简捷模块（DSTWU）进行设计计算目的:对精馏塔进行简捷计算，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、理论板数和加料板位置。
3.灵敏度分析目的:研究回流比与理论板数的关系（N T-R），确定合适的回流比与塔板数；研究加料板位置对产品的影响，确定合适的加料板位置。
方法:作回流比与理论塔板数的关系曲线（N T-R），从曲线上找到期望的回流比及塔板数。
4. 用详细计算模块（RadFrac）进行计算目的:精确计算精馏塔的分离能力和设备参数。
方法:用RadFrac模块进行精确计算，通过设计规定(Design Specs)和变化(Vary)两组对象进行设定，检验计算数据是否收敛，计算出塔径等主要尺寸。
5. 塔板设计目的：通过塔板设计(Tray sizing)计算给定板间距下的塔径。
1引言1.1ASPEN PLUS概述Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus 的用户。
1.2精馏塔概述精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。
有板式塔与填料塔两种主要类型。
根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入。
蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。
由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。
塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
1.2.1 精馏塔的分类气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。
AspenPlus软件对四氢呋喃-水溶液差压精馏分析Aspen Plus软件对四氢呋喃-水溶液差压精馏分析一、引言差压精馏是一种常用的分离技术，广泛应用于工业生产中的可溶性混合物分离和精馏过程中。
四氢呋喃（THF）是一种重要的有机溶剂，在制药、化工等领域中有广泛的应用。
本文将采用Aspen Plus软件对四氢呋喃-水溶液进行差压精馏分析，探索该软件在模拟和优化精馏过程中的应用。
二、模型建立和参数设定1.组分设定：考虑THF和水两个组分的理想混合物。
2.热力学设定：选择适当的热力学模型，如NRTL或UNIQUAC，以描述THF和水之间的相互作用。
3.工艺设定：设置进料温度、压力和组分等参数。
选择适当的塔型和板数，优化塔顶压力和回流比等参数。
三、模拟结果和讨论1.阶段一：进料预热在进料预热阶段，将进料从室温加热至预定温度，以保证进料温度适合精馏过程。
2.阶段二：精馏塔设计根据设定的回流比、进料温度和压力等参数，确定塔顶压力和回流比。
通过模拟计算，进一步选择合适的塔型和板数。
3.阶段三：精馏塔操作优化根据设定的回流比，优化塔顶压力和回流比，以达到最佳的分离效果和产品纯度。
通过调整进料温度和压力等参数，进行模拟计算和优化。
四、优化结果和经济分析通过Aspen Plus软件的模拟计算和优化，可以得到多种不同操作参数下的分离效果和产品纯度。
根据经济性和工艺条件的综合考虑，选取最佳的操作参数，以实现最经济高效的差压精馏过程。
五、结论本文采用Aspen Plus软件对四氢呋喃-水溶液进行差压精馏分析，得到了各个操作阶段的模拟计算结果，并通过优化操作参数，得到最佳的分离效果和产品纯度。
Aspen Plus软件在模拟和优化精馏过程中展现了其强大的功能和广泛的应用价值。
通过该软件的应用，可以提高工业生产的效率和产品质量，降低能耗和成本，具有重要的实际应用价值通过Aspen Plus软件对四氢呋喃-水溶液进行差压精馏分析，可以得到最佳的操作参数，实现最经济高效的精馏过程。
1引言1.1ASPEN PLUS概述Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“进程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年末完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。
该软件通过20连年来不断地改良、扩充和提高，已前后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
全世界各大化工、石化、炼油等进程工业制造企业及闻名的工程公司都是Aspen Plus的用户。
1.2精馏塔概述精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。
有板式塔与填料塔两种要紧类型。
依照操作方式又可分为持续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入。
蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分那么愈富集，从而达到组分分离的目的。
由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部份作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部份那么作为馏出液掏出。
塔底流出的液体，其中的一部份送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部份液体作为釜残液掏出。
1.2.1精馏塔的分类气－液传质设备要紧分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采纳板式塔，也可采纳填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，依照塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最先利用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，专门是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速进展，接踵显现了大量新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。
Aspen Plus在精馏操作分析中的应用精馏是化工行业中应用很广的一种工艺操作。
影响精馏效果的因素很多，往往一个因素发生变化时，会牵扯到一些其他因素发生变化。
这使得精馏过程变得颇为灵活和复杂。
如何有效的对精馏操作进行全面详细的分析一直是技术人员的研究难点和重点。
本文简要介绍了Aspen Plus软件，并详细探讨了它在精馏操作分析中的实际应用，供大家学习交流。
标签：Aspen Plus；精馏操作；分析；应用前言精馏是化工行业中应用很广的一种工艺操作。
影响精馏效果的因素的是多方面的，主要包括分离物的组成和性质、操作过程和设备的物理参数等等。
往往一个因素发生变化时，会牵扯到一些其他因素发生变化。
由于这些影响因素多呈非线性变化，使精馏过程变得颇为灵活和复杂，如何有效的对精馏操作进行全面详细的分析一直是技术人员的研究难点和重点。
1 精馏塔的分类和原理简介精馏塔又名蒸馏塔，是一种进行蒸馏的气液塔式接触装置，主要有填料塔和板式塔两种类型，根据操作方式的不同又可以分为间隙精馏塔和连续精馏塔。
整个物料变化过程就是气相物质和液相物质相互作用的过程，首先气相从塔底进入塔内，与塔内下降的液相接触，气相中难挥发的物质源源不断的向液相转化，与此同时，液相中容易挥发的物质也会转化到气相中去，随着工序的继续，重组分在塔底积聚，轻组分流向塔顶，逐步实现轻重组分的分离。
分离出的气相进入冷凝器，液相组分一部分作为蒸馏的液体取出，另一部分继续返回塔顶进入蒸馏塔中。
塔底流出的液体，部分送入再沸器加热蒸发成气相，其它的液体作为釜残液取出。
2 Aspen Plus软件简介Aspen是由美国麻省理工学院（MIT）主持、多个部门共同参与联合开发的。
它是一款用于模拟化工生产工艺的模拟软件。
Aspen Plus拥有最完善的物性数据库，包含六千多种纯组分的物性数据。
其次，它还具有超强的热力学计算系统，以及各种单元操作模块。
Aspen Plu在整个化工工艺装置的研发、设计和安置中都发挥着巨大的作用。
如何使用A S P E N软件模拟完成精馏的设计和控制马后炮Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】如何使用ASPEN TM 软件模拟完成精馏的设计和控制威廉·L·鲁平博士第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。
方法概要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。
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%）。
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。
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。
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 2 页共18 页如何使用ASPEN TM 软件模拟完成精馏的设计和控制威廉·L·鲁平博士在上节，我们计算了所有塔板温度和两个受控变量之间的稳态增益，从而形成了一个增益矩阵K。
它有N T 行（塔板个数）和2列（受控变量――回流比R、再沸器热量输入Q――的个数）。
利用标准奇异值分解程序（如Matlab 中的s vd 函数,svd(x,0)），将此矩阵分解为三个矩阵：K=UσV T(分解的结果:U 为N T×2 矩阵, σ为2×2 矩阵,V T 为2×2 矩阵)。
以塔盘数为座标轴,绘制两个矢量U1 值和U2 值的曲线。
对应着U量值最大的一块或数块塔板则指出了塔中最有效的控制位置。
σ是2×2 的对角矩阵，(其对角线元素)是K 矩阵的奇异值。
(σ的对角元素中的)较大值和较小值的比值即为条件数，可以用来评估二元温度控制方案的可行性。
条件数较大（或者最小奇异的值较小）时表明该系统难以控制。
调节器就是装置增益矩阵的逆矩阵，假如奇异值为”0”则说明这是一个退化矩阵，不可转秩。
1.增益矩阵的概念:按照控制理论, 在多变量耦合控制系统中, 选择其中第i 个受控变量, 当只有u j 作用时, 即只改变u j, 使其他各受控变量u k (k=1,2,3….n,k≠j)保持不变, 当u j 变化Δu j 时,所得的控制变量y i 的变化量与u j 的变化量之比,称为u j 到y i 通道的第一放大系数,Δy也有称为开路增益的, K =|(u ,k=1,2,3...,n,k≠j) 此处稳态开路增益的概念与自控常用的相对增益矩阵的概念有区别.iij Δu kj2.奇异值分解的实际例子:上述的描述过于抽象,现在按照Luyben 先生1997 年的” Essentials of Process Control”第458 页的讲述,试举例如下:某9 块塔盘的精馏塔用于分离水和异丙醇,对于其两个受控变量回流比R 及热输入Q, 各塔盘温度有如下的稳态增益:塔盘编号ΔT n/ΔR ΔT n/ΔQ987654321上表内各项即为该塔的稳态增益矩阵K 的各元素, K 矩阵有9 行 2 列ΔT9 ΔT8= ..ΔT1RKQ对K 做奇异值分解,得到以下3 个矩阵: K= U ΣV T- Σ= 9 V T = -U=?.3452 0- -- --- - ?????- ----则矩阵U 的第一列中最大的元素是, 对应的塔盘数为6, 因此, SVD法的结论是受控变量为回流量时,可以控制第6块塔盘的温度.必须指出,一般的对于一个m×n 阶矩阵A 的奇异值分解,得到的是一个m×m 阶正交矩阵U, m×n 阶对角阵Σ和n×n 阶正交矩阵V,这时所用的MATLAB 命令是[U,S,V] = svd(X),此处所用的MATLAB 命令是[U,S,V] = svd(X,0), 即求”经济尺寸”的奇异值分解,与常规的SVD 得到的U,Σ,V 的矩阵阶数并不相同.详情请参见MATLAB 主页: 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。
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第3 页共18 页如何使用ASPEN TM 软件模拟完成精馏的设计和控制威廉·L·鲁平博士3.条件数的概念: 在数值计算领域,条件数是与特定问题使用数字计算的可控制性(适定性)相关的一个度量参数.问题的条件数较小,则称其为良态的,假如条件数较大则称为病态的. 对于矩阵的条件数而言,并没有关于良态和病态的界定数值.在我们的讨论所涉及范围内, 由条件数的定义推导出: 矩阵的条件数κ(A), 有:σ(A)其中σmax(A)和σmin(A)分别是矩阵A 奇异值的极大和极小值.κ(A)= maxσ(A)min扩展阅读资料:1. 有关奇异值分解在增益矩阵上的应用，参见：C. F. Moore, Selection of controlled and manipulated variables, in Practical Distillation Control, Van Nostrand- Reinhold, 1992, Chapter 8. 或Luyben 的Essentials of Process Control,(1997)第13 章; 或Luyben 的Plantwide Process Control(1998) 第6 章.2. 有关奇异值分解本身的线性代数定义、意义及其在数值计算中的作用及MATLAB 中的基本使用，建议阅读：《数值分析与科学计算》，第2 章等相关内容，Jeffery J. Leader 着，清华大学出版社2008 年5 月第1 版。
3.有关开路稳态增益、增益矩阵、相对增益矩阵及其解析解法的实际应用，增益值的对比和对实际控制结构选择上的指导意义，参见《自动化仪表与过程控制，第四版》第8 章及以下相关内容，作者：施仁、刘文江等，电子工业出版社，2009 年2 月第1 版。
恒定温度判据判据保持塔的馏出物和塔底产品的纯度不变，我们在预期的范围里改变进料组成值。
选择其温度不随进料组成变化而变化那块塔板。
这个方法的困难性在于，对于进料组成的所有变化，可能并不存在保持恒定温度的塔板。
对于多组分体系，尤其如此，非关键组分可能的改变会严重影响塔板温度，尤其在靠近塔两端处。
产品变化最小判据满足产品变化最小判据的要点在于选择面对进料组成波动，塔盘的温度保持不变，引起的产品纯度变化最小的塔板。
选择几个候选塔板位置。
固定某一块塔板的温度，及第二控制自由度，如回流比或回流流量。
然后，在预期范围内改变进料组成，计算产品的组成。
对于其他塔板位置，重复上述过程。
选择面对进料组成波动，其温度保持不变，引起产品纯度变化最小的那块塔板。
