旋转填料床技术是一种新型强化传递过程的技术，通过高速旋转的床体产生强大的离心力
场模拟超重力环境，气-液、液-液和液-固两相在超重力环境下填料的孔道中流动接触，巨大
的剪应力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、
液丝和液滴，微观混合和传质过程得到极大强化，单位设备体积的生产效率与传统塔设备比较，提高了1~2个数量级[1-6]。超重力精馏是这个全新技术领域的一个典型，引起了人们的广泛关注。近年来，超重力精馏的研究已经逐步走出实验室阶段，并取得了一些实质性的进展，有关的理论研究和工程化研究以及设备的开发均取得较大的进步，其特性和节能高效的特点使其显示出了巨大的发展潜力和应用前景。目前，尚未见有对超重力精馏过程模拟的论文发表，本文首次应用ASPEN PLUS 软件结合基础尝试对超重力精馏过程作了模拟研究，着重从超重力因子和气相动能因子两方面分析了模拟研究。
ASPEN PLUS 是世界性标准流程模拟软件，也是国际上功能最强的商品化流程模拟软件，这套软件系统已广泛应用于石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品加
工等许多工业领域。使用ASPEN PLUS 工作页面可以建立、显示模拟流程图及PFD-STYLE 绘
图。这款流程模拟软件主要具有以下六项功能：
建立基本流程模拟模型、
灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归，本文利
用其前三大功能对乙醇-水体系的精馏进行了建模。Flowsheet 是ASPEN PLUS 最常用的运行类型，可以使用基本的关系式，如质量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。在ASPEN PLUS 的运行环境中，只要给定合理的热力学数据、实际的操作条件和严格的ASPEN PLUS 平衡模型，就能够模拟实际装置，并帮助设计和优化现有的装置和流程。
本文应用ASPEN PLUS 结合精馏研究的基础对超重力旋转填料床的精馏进行了模拟，并建立了模型，经过分析，模型对优化设计具有一定的指导意义。
1模拟对象
模拟对象是超重力精馏体系，物系是由乙醇
-水组成，具体的参数如表1所示。
用ASPEN PLUS 软件
模拟旋转填料床精馏操作的探讨*
第38卷第1期2009年2月当代化工Contemporary Chemical Industry Vo1.38，
No.1February ，2009
*基金项目：山西省青年基金资助项目（No.2008021009-1）、高等学校博士学科点专项科研基金联合资助（No.20060110003）。
收稿日期：2008-12-10作者简介：陈健（1983—），男，江苏盐城人，在读硕士研究生，主要从事旋转填料床的设计及性能研究。电话：0351-*******，
E-mail ：newplay.er16@https://www.doczj.com/doc/c73678998.html, 。
陈健，刘有智*
摘要：运用大型化工流程软件ASPEN PLUS 对以乙醇-水为体系的旋转填料床精馏工艺进
行了模拟，介绍了模拟过程中物流、单元操作模块的选取和灵敏度分析、设计规定的计算方法。模拟结果表明，在低转速区旋转填料床的理论塔板数随气相动能因子F 和超重力因子β的增大而增大，传质单元高度为0.9～1.2cm ；并建立了传质模型，建立的模型对优化设计具有一定的指导意义。关
键
词：ASPEN PLUS ；旋转填料床；精馏；模拟
中图分类号：TQ 053.5
文献标识码：A
文章编号：1671-0460（2009）01-0017-05
（中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，山西太原030051）
2.2Aspen plus建模
结合ASPEN PLUS的使用特点，建立旋转填料床模型。以该模型为基础建立旋转填料床精馏过程模型，流程如图1所示。
2模型的建立
ASPEN PLUS化工模拟系统拥有强大的物性数据库，包括无机物、有机物、强电解质、固体、燃烧物等多种物性参数；具有灵活多样且便于计算的单元操作模块；提供了友好的图形化界面。ASPEN PLUS除了具有内置的单元操作模型外，用户可根据需要自己定义FORTRAN模块。在整个ASPEN PLUS流程中，除了可以处理物流外，还可以给模块设定功流和热流，既可以模拟质量平衡也可以模拟能量平衡。
由于其方便的模块化流程和用户端的良好控制，ASPEN PLUS软件尤其适合对全系统的综合模拟、计算和分析；可以便捷地完成流程的改变和模型变更，为系统提高效率和经济性优化提供高效的途径。
2.1自定义FORTRAN模块
因为ASPEN PLUS软件缺少旋转填料床模块，所以使用ASPEN PLUS的外部FORTRAN 子程序编写实验所需的旋转填料床模块。
ASPEN PLUS外部FORTRAN子程序，即外部用户FORTRAN，是ASPEN PLUS的一个开放式并且能做大量定制工作的功能。一个ASPEN PLUS用户模型是由一个或多个FORTRAN子程序组成，这些子程序是在ASPEN PLUS提供的模型不能满足用户的需要时用户自己编写的。用户编写后的旋转填料床模块参数如表2所示。
18当代化工第38卷第1期
表1参数表
Table1Parameter table
进料流量/（kg·h-1）馏出液量/
（kg·h-1）
w（进料液乙
醇），%
w（馏出液乙
醇），%
w（釜液乙
醇），%
进料温度/℃进料压力/MPa回流比
50.0010.0030.0098.50 3.5020.000.12 2.00
表2模块参数表
Table2Module parameter table
填料
内径/mm外径/mm轴向高度/mm比表面积/（m2·m-3）孔隙率材质68168407100.9542不锈钢丝网
图1ASPEN PLUS模拟流程
Fig.1Simulated flowsheet of ASPEN PLUS
在采用ASPEN PLUS建模中，选择接近的物性方法是决定模拟结果精确度的关键步骤[7]。本模拟选用了NRTL-RK模型，在ASPEN PLUS 的NRTL参数库中包含了许多参数的数据。建模过程中主要采用ASPEN PLUS内置模块，这里选择MIXER模块，同时加入用FORTRAN语言编写的计算模块CONVERT，以定义旋转填料床内气相能动因子F和超重力因子β[8]对精馏效率的影响。
为简化模拟过程，做出以下几点假设[9]：
（1）假设汽液两相均为理想状态；
（2）各组分的摩尔汽化热相等；
（3）汽液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；
（4）设备热损失为零。
按照图1定义的流程，并规定计算全局信息和组分，选择NRTL-HOC物性方法，再规定物流和单元操作模块，最后输入FORTRAN计算模块，这时状态栏会提示Input Completed，在NEXT引导下就可以计算运行了，按照设计参数算出乙醇的精馏效率为98.6%（质量分数），与设计值基本一致。
3影响旋转填料床精馏效率的因素灵敏度分析可以测定某个变量对目标值的影响程度[10]。要分别定义分析变量和操作变量，并设定操纵变量的变化范围，在NEXT帮助下运行即可，灵敏度分析是做工况研究非常有用的工具。其结果可以用Plot菜单上的Plot Wizard 绘图专家绘成曲线，以便容易地观察不同变量之间的关系。
整个精馏工艺是一个复杂的过程，由于进料特性、设备特性以及用户要求等诸多原始条件的影响，每一套精馏装置都存在一定差异，很难就其某一细节进行比较。本文着重对影响旋转填料床精馏效率的主要参数进行分析。
本模拟实验，由旋转填料床的特殊性能和汽液微观传递过程表明：影响旋转填料床精馏效率的主要参数有超重力因子β和气相能动因子F 等，它们对混合传质传热起到决定性影响。以最小理论塔板数的多少来表示精馏效率，用AS-PEN PLUS模拟计算结果如图2所示。
图2显示了超重力因子对精馏效率的影响，即在其它参数和设计工况一致的情况下，改变超重力因子的大小时，最小理论塔板数的计算结果。从图2可以看出，其它条件不变的条件下，当β<30.0483时，理论塔板数随着超重力因子β的增加而增加，当β=30.0483时，最小理论塔板数已达到6.4，再增大β，理论塔板数反而逐渐减小。
图2超重力因子和理论塔板数的关系
Fig.2Relationship between high-gravity factorsβand theoretical plate number N
图2是用ASPEN PLUS软件的Plot Wizard 绘图专家工具绘制而成。
由于ASPEN PLUS灵敏度分析要求变化的流程变量必须是流程的输入参数，因此本文编写了计算模块CONVERT可以绘出在其它参数和设计工况一致的情况下，最小理论塔板数随着气相能动因子的变化关系，如图3所示。
图3F因子对理论板数的影响
Fig.3Effects of F on theoretical plate number
从图3看出，其它条件不变的条件下，F< 0.45kg0.5/（m0.5s）时，理论塔板数随F因子的增大而增大，当F=0.45kg0.5/（m0.5s）时，最小理论塔
19
陈健，等：用ASPENPLUS软件模拟旋转填料床精馏操作的探讨2009年2月
板数已达到6.4。当F>0.45kg0.5/（m0.5s）时，理论塔板数随F因子的增大而减小。因为F增大，气体流量增大，气液湍动程度加剧，有利于传质进行，但物料在填料中的停留时间却逐渐变短，不利于传质。二者相互竞争，得最佳操作条件为F =0.45kg0.5/（m0.5s）。
4入口参数设计
在灵敏度分析的基础上，当确定了一个关键因素，并且希望它对系统的影响达到一个所期望的精确值时，可通过设计规定来实现[11]。设计规定除了要设置分析变量和操纵变量外，还要设定一个明确的期望值。其过程必须迭代求解，在物流或模块输入中操纵变量的值被用作初值，为操纵变量提供一个好的估值将有助于设计规定。设计规定实际上就是满足方程（1）：
|规定值-计算值|<允差（1）为了达到一定的精馏效率，通过调整超重力因子β、气相能动因子F等参数来实现，但一次只能改变一个输入变量。本文做了两次设计规定，计算如下：
计算1：规定精馏效率为95%，其它参数与设计参数一致，调节回流液量范围8~15L/h，控制气相能动因子F，使F值范围为0.5~0.7kg0.5/（m0.5s），计算得到精馏率能达到95%；
计算2：规定精馏效率为95%，其它参数与设计参数一致，调节超重力因子的范围28~33，计算得到精馏率能达到95%。
以上计算与灵敏度分析的结果一致，AS-PEN PLUS软件中的设计规定功能非常适用于旋转填料床的优化设计。
5结论及展望
（1）模拟计算结果表明，精馏效率随着超重力因子β和气相能动因子F的增加而增加；但随着β和F分别增加到某个数值后，精馏效率最
好，再继续增加精馏效率便会降低。模拟结果与原始设计数据较为吻合，但实际运行中精馏效率还和其它因素有关，最终取值要从整体上作经济性分析；
（2）从以上分析可知，文中建立的模型适用于精馏工艺。为了更好地模拟分析精馏效率的其它影响因素，如填料中液膜厚度δ，液体在填料中的停留时间T，转子的内外径R
1
，R
2
，转子轴向
高度h，填料的空隙率ε与比表面积α
f
，液体密度ρ、表面张力σ和粘度μ，操作温度与压力P 等因素影响，本文建立的模型还需要进一步完善。特别在使用ASPEN PLUS设计规定时，对收敛问题要充分重视。ASPEN PLUS软件的功能非常强大，有待进一步熟悉使用。
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20当代化工第38卷第1期
（下转第23页）
Discussion on Simulation of Distillation Operation in
Rotating Packed Bed by ASPEN PLUS
CHEN Jian ，LIU You-zhi
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology ，University of North
China ，Taiyuan 030051，Shanxi ，China ）
Abstract ：The distillation process of ethanol-water in rotating packed bed was simulated by ASPEN PLUS soft-ware ，which is used in chemical processes extensively ．Process of logistics ，selection of unit operation modules ，sensitivity analysis and calculation method in the design were studied ．The results showed that ，in low rotating speed ，theoretical plate number of the rotating packed bed increases with increasing of the gas-kinetic factors F and the high gravity factors β，the height of mass-transfer unit （HTU ）is 0.9～1.2cm ．Mass transfer model was estab-lished ．The conclusions by model agreed with the original design data ，implying that the model established can be used in process optimal design ．
Key words ：ASPEN PLUS ；Rotating packed bed ；Distillation ；Simulation
（上接第20页）
Comparative Study on Dry Decolorization
by Activated Charcoal or Slag
LU Sheng
（Department of Chemical Engineering and Material Science ，Eastern Liaoning University ，
Liaoning Dandong 118003，China ）
Abstract ：The decolorization experiments of acid fuchsine by slag or activated charcoal were carried out and com-pared in this paper ．The result indicated that the activated charcoal and the slag decolorization possess comparabili-ty ，
their biggest decolorization ability may reach 96%and 86%separately ．Also the adsorption isotherms are con-sistent with the Langmuir equation basically ．
Key words ：Activated charcoal ；Slag ；Decolorization ；Dyestuff ；Adsorption
图5
pH 值—脱色率
Fig.5
The pH value-decolourizing efficiency
3结论
（1）炉渣与活性炭相比较，炉渣具有一定效
果的吸附作用、处理的成本比较低并且可实现废物利用等优点，是一种相对经济的高效的染料废
水的处理方法。
（2）活性炭和炉渣的投入量都在2.5g ，活性炭对酸性品红的脱色率为96%；炉渣对酸性品红的脱色率在86%。
（3）炉渣对酸性品红有一定的处理效果，但是需要很大的投加量，用来吸附染料废水中的有害物质和脱水。
（4）炉渣的吸附符合Langmuir 吸附等温式。（5）炉渣和活性炭的脱色作用均受到pH 较大的影响。
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23
卢声：活性炭与炉渣对染料脱色作用的对比研究2009年2月