ASPEN模拟第二讲：简单过程模拟

arben

任务：

现有丙酮和水的混合物，质量分数为50.0wt%丙酮和50.0wt%水（你知道wt%啥意思吗？）。要求将水和丙酮分开，要求产品中丙酮的含量为95wt%，废水中丙酮的含量为5wt%。

想一想怎么分呢？

喜欢听课的同学可能一下子就想到了分离方法：精馏。

对，精馏是化工过程最常用的分离方法。那么你知道什么情况下适合使用精馏，什么情况下不是适合精馏吗？

精馏选择的原则最重要的就是看关键组分的相对挥发度了。工业上要求当关键组分之间的相对挥发度大于1.05时，才用精馏分离，太小时说明用精馏分离时非常困难的，至少从经济上来讲不划算。

丙酮和水的相对挥发度应该是没有问题的，因为丙酮的沸点为65°C，水的沸点为100°C，相差还是比较大的，采用精馏应该不存在问题。

另外我们还要清楚丙酮和水之间有没有共沸物的形成，否则的话也不适合采用常规的精馏进行分离。我们知道乙醇和水溶液有一个共沸点，所以常规精馏得到是95wt%乙醇，如果想得到无水乙醇的话，就要采用特殊精馏了，比如共沸精馏或萃取精馏。

从丙酮-水的Txy相图中可以看出在95%浓度的范围内，也不存在共沸的问题。所以精馏应该可以分离。

你还会用ASPEN绘制双组分Txy图吗，你知道如何判断有没有共沸点吗？

但是我们现在还不用精馏来直接分离上述丙酮和水的混合物！

嘿嘿！

原因是混合物中的轻组分丙酮的含量有点多，如果全部采用精馏进行分离的话，需要全部从塔顶蒸发出去，又要重新冷凝下来，所以能耗太高了。现在我们想采用一种能耗较小的方法将它们分开，哪怕是粗分，之后再用精馏将少部分的轻组分进行分离，这种设计就会节约很多的能量。

对于均相混合物，耗能较少的规模化的分离方法，要么是吸收，要么是萃取。

吸收针对的是气相混合物，这里全部是液体，所以考虑的是萃取分离。

问题又来了，选择什么样的萃取剂比较合适呢？

老师对你锲而不舍提问的态度表示尊敬，但现在我们不能太发挥了，不然ASPEN就生气了。

让我直截了当地告诉你，现在我们选择的萃取剂是MIBK？还有印象没？

好了，现在我们要用100kg/h的MIBK萃取100kg/h的丙酮和水的混合物。

第一步：新建一个模拟文件，模板是“Chemicals with Metric Units”

第二步：输入三个要处理的组分：丙酮、水和MIBK 找不到的话就用“Find”来帮忙。 第三步：确定物性方法。系统已经给我指定“NRTL”作为物性方法，这正是我们所需要的。 确定NRTL-1方法中的交互参数，我们可以添加可用的数据库，让ASPEN在尽可能多的数据库里搜索数据。 你看所有的交互参数都是从数据库中找到的，这样就不用我们估算啥的了。 点击“运行”，在控制面板查看结果，有没有错误和警告之类的。

没有。第一阶段工作完美，下面进入“模拟”环境：

一篇开阔地，中间是绘图区，所有的模块都在下面的模块区进行选择。 常用的模块有混合/分流器、分离器、换热器、塔器和反应器等。用鼠标单击相应的标签，选择不同的模块。 所有模块的添加过程都是一样的。比如现在我们想添加混合器，单击“Mixer”混合器，观察鼠标从箭头状态变为实心的十字架状态，然后在绘图区中再点击一下就可以添加了，如果想添加多个混合器，在绘图区连续单击就可以了；如果不想添加了，单击右键就会取消添加状态，鼠标重新变为“箭头”状态。多余的模块选中后用删除键就可以删除了。

模块添加到绘图区后，系统就会自动命名为B1、B2这类的名称，双击模块的名称就可以根据需要修改模块的名称了。

选中模块后，拖动周围的红点，就可以改变模块的大小。点击左下角的物料流股，为模块添加进出物料线，每个模块都有必要的进料线和出料线，红色为必须要连的，蓝色为选项，除非要求，不要连接蓝色线。 点击物料线后，将鼠标向模块红色的箭头考虑，当箭头变成红、篮两色后，再在箭头上单击，可以按住鼠标，将进料线拖动到合适的位置释放，然后在另外位置上单击鼠标，完成物料线的绘制。绘制完物料线后，可以双击物料名称，进行修改。 简单建模方法。 模块和物料线的添加方法。（该视频少儿不宜） 视频中输入混合物流股“FEED”的参数，温度25°C，压力1bar，丙酮和水的质量流量均为50kg/hr。 在输入“MIBK”流股的参数，如上图。

1bar的压力正好等于100000Pa，有意思吧？

这样我们就把第四步完成了，最后一步是设置模块的参数。混合器没什么要设置的参数，如果你想设的话可以设一个压降。

“Reset”，重置后运行，在控制面板上看有没有错误和警告。

在控制面板查看运行的状态，我最喜欢的两句话：

No Warnings.

No Errors.

查看流股信息，用“流股摘要”，“Stream Summary”查看。 现在我们介绍一下Mixer，FSplit和SSplit三个模块的区别。

Mixer，混合器。多个流股混合成一个流股，没啥说的。

FSlit，分流器，把一个流股分成两个或多个流股。就像分配阀一样，你家10方，他家10方，老王家人多，分20方，只有量的不同，配方完全一样。英语为Splitter。

SSplit，第一个S表示Solid，涉及到了固体，区别还是很大的。

英语还有一个Separator，分离器。分离就是要分开了，比如把混合物分离成纯组分，组成发生了变化。

还有一个Separator，分离器。意思就是把混合物分开。

现在我们就准备添加一个分离器，将丙酮从水中萃取到MIBK中。

分离器“Separators”下面有5中分离模块：Flash2，Flash3，Decanter，Sep和Sep2。 这些分离模块可用于简单的单级平衡分离或者物料衡算，比如闪蒸、分液等操作。 根据上表的介绍，结合我们的情况，你觉得我们该用哪个模块作为分离器呢？

我们的体系现在至少有两个液相，也可能会出现一个汽相的平衡相，所以最合适的模型是Flash3，或Decanter。

不妨，现在我们用Flash3模型试一试。

先添加一个Flash3模块：

你可以看出，Flash3有一个进料流股、三个出料流股必须要连接。现在我们理解一下第一液相和第二液相的概念。

我们知道对于液液平衡体系，它至少存在两个液相：一个油相，一个水相。但ASPEN现在还分不清哪个是油相，哪个是水相。在模块设置里，由我们来指定。

添加Flash3模块和三个出料流股，并分别命名。我们设第一液相为MIBK相，第二液相为水相。右键单击混合器MIXER-1的出料流股，从快捷菜单选“重新连接”|“目标”，连接到Flash3的入料流股上。 双击“Flash3-1”模块，打开它的Specifications，参数定义页面，可以设置三相闪蒸罐的温度、压力、热负荷和汽相分数四个参数中的两个。我们选择输入温度为50°C、压力为1bar。 在“Key Components”关键组分页面下，设置第二液相为水相。通过这种定义，ASPEN将两个液相流股中“水”含量多的流股指定为第二液相，这与我们刚才的设置相一致。 现在参数设置完了。最后一步，运行。最好“重置”以后再运行，别忘了保存文件。 运行完成后，在“控制面板”里查看有没有错误和警告。当然我们最希望看到的是No warnings，No errors。 但是你发现没有 ？经过萃取后水相中水的质量分数只有78%，没有达到95%的要求。

怎么办？

对于现在这个单级萃取器来说，我们只能通过增加MIBK的用量来达到这个目的。MIBK的量应该增加到多少呢？不妨用灵敏度分析来看看。

灵敏度分析

现在的思路是提高萃取剂MIBK 的用量，那么水相中丙酮的量应该会减少，那么就看看两者之间的关系吧，最好用曲线表达出来，这就是所谓的灵敏度分析。

新建一个灵敏度分析“S-1”，你可以从上面的功能区找到，也可以从导航栏找到，找找看。 在"Vary”标签下，新建一个自变量“1”设为MIBK流股中MIBK的质量流量，从100变化到500kg/h，间隔为10kg/h。 在“Define”定义因变量，也即是Flahs3-1出料流股FL1-H2O中的水的质量分数，输入变量名MFH2O，小心选择，不用弄错了。

弄错了也没什么大不了的，回头修改就行了。

在“Tabulate”中选择“Fill Variables”把我们刚刚定义的变量“MFH2O”填进去就行了。

设置完毕，可以运行了

在“S-1”的“results”下你可以看到当MIBK用量达到500kg/h后，仍没有满足95%的要求。说明此路不通。

顺便我们从“Plot”绘图框中，把这条曲线绘制出来吧，一般显摆的时候用。

曲线再好看也没有用，至少可以告诉我们另选方法。

再用一个分相器试试？

所谓设计，也只不过就是试来试去的。不行再想其他办法。

添加一个混合器“MIXER-2”，和一个分相器DECANTER，连出料的时候注意“第一液相”和“第二液相”的提示。 输入“MIBK-2”流股参数，还是100kg/h，只不过换了一种方式输入。 输入“DECANTER”模块的参数，注意我们选择H2O作为第二液相，要跟你的流股设置相一致。 从流股摘要中查看水相中水的质量分数，超过了92%。是不是比单级萃取效果更加明显。

这让想起了洗衣服的时候怎么才能省水的问题，少量多次，原理是不是一样？

但是还没有达到95wt%的要求。接下来你想怎么样继续提高水相中水的含量呢？

再加一个分相器？可以。但是我不想这么办了。我想继续提高MIBK-2的流量试一试。

不过这次我不想用灵敏度分析了，我想用“设计规定”试一试，

从导航栏“Flowsheet Options”下选择“Design Specs”，新建一个设计规定，名称为“DS-1”。

设计规定的思路是我们现在规定水相中的水的质量分数为95%，让系统自己调整MIBK-2的流量，直到满足规定的要求为止。

在Defin下面定义一个变量MFH2O表示DEC-H2O流股中水的质量分数。 在“Spec”表单中定义MFH2O的目标值为0.95，误差为0.001。这是根据要求定的。谁要求的？你要求的，或者甲方要求的。 在“Vary”下定义自变量，也就是MIBK-2流股中MIBK的质量流量，变化范围是100到500kg/h。这个范围已经足够大了。

又可以重新运行了。

好在没出撒毛病。在“DS-1”的“Results”下面查看结果，你可看到当MIBK-2中MIBK的流量达到195.2kg/h后就行了。

把“MIBK-2”中MIBK的流量改为195.2kg/h试一试。

Perfect！不是吗？