16 精馏过程的计算机模拟实验
16.1 实验内容
(1)分离乙醇与水的混合液，处理量为10000 kg/h，原料中乙醇的浓度为15% (mol )，
进料温度为 30℃，操作压力为常压，要求塔顶产品的乙醇浓度>89.4% (mol )、塔底废水中
乙醇浓度<0.1% (mol )，通过模拟实验(计算)求取经济的操作回流比和理论板数，确定适
宜的进料位置和温度灵敏板位置。
(２)分离乙醇与水的混合液，其中，第一股原料中乙醇的浓度为15% (mol )，进料量
为8000 kg/h，第二股原料中乙醇的浓度为30% (mol )，进料量为2000 kg/h ，进料温度均为
30℃，操作压力为常压，要求塔顶产品的乙醇浓度>89.4% (mol )、塔底废水中乙醇浓度<0.1%
(mol )，通过模拟实验(计算)求取经济的操作回流比和理论板数，确定适宜的进料位置
和温度灵敏板位置。
16.2 实验目的
(１)了解化工过程系统模拟软件(Aspen Plus )在化工过程设计及过程优化中的应用；
(２)熟悉化工过程系统模拟软件的功能极其作用
16.3 实验基本原理
16.3.1 概述
精馏是工业上分离液体混合物最常用的方法之一，也是化工过程中最重要的一个单元操
作。随着科学技术的进步，为节省能源和获得高纯度的产品，人们越来越倾向于采用复杂的
精馏技术，例如：针对来源和组成不同的物料采用了多股进料方法；为回收低冷级冷量或节
省高等级热量采用了中间再沸器；为了节省高冷级冷量采用了中间冷却器；为在一个塔中获
得多种产品采用了侧线采出；为节省加热蒸汽采用了热泵技术，等等。这些复杂精馏技术的
采用使生产工艺在经济上更合理，在技术上更可靠，显示了极大的优越性。但是，由于新技
术的大量采用，给精馏过程的设计和操作控制也带来了一定的困难，譬如，所需的理论板数
应该是多少？操作回流比应该多大？塔顶、塔底以及侧线的采出率应各是多少？用于控制操
作的温度灵敏板在什么位置，灵敏板温度应控制在什么范围？，等等，对于所有这些问题，
工程技术人员必须要给出确切的答案。
对于二组分液体混合物的普通精馏分离，根据化工原理教材中的有关理论知识，可以方
便地计算出理论板数、回流比、采出率等设计和操作参数。即使需要通过实验来测取某些数
据，例如塔板效率等，也比较方便。然而，对于多组分物系的复杂精馏分离，无论是通过计
算还是组织实验来确定所需的工艺参数，都要困难得多。
随着计算机技术和化学工程基础理论研究的发展，利用计算机模拟方法来替代复杂的
化工过程计算和实验已成为可能。所谓计算机模拟(Computer Simulation )，就是利用计算
机对过程的数学模型进行数值求解，得到过程的有关参数和其他信息，因此，这一方法也称
为数学模拟方法(Mathematical Model Simulation Method) 。
利用计算机对过程进行模拟，其实质就是在计算机上进行实际过程的实验。这种方法不
仅可以节省大量的人、财、物，而且能够更快捷、更全面地考察各种参数的改变对于过程的
影响，还可以对全过程进行优化。
16.3.2 精馏过程的数学模型和模拟
根据计算的目的不同，精馏过程的模拟计算可以分为设计型计算和操作型计算两大类。
设计型计算是在给定进料条件下，规定分离要求，确定所需的理论板数、经济上适宜的操作
回流比和最佳进料位置；操作型计算是在给定了理论板数、回流比、进料位置等参数的情况
下，计算塔顶、塔底产品的流量和组成。两中种模拟计算的结果，均能得到精馏塔中各板上
的浓度分布和温度分布。相比之下，操作型的计算方法更为成熟。
对于多组分物系的复杂精馏过程，现有的方法很难用于直接的设计计算。工程中较实
用的方法是：先将过程简化为二(关键)组分物系的普通精馏，按着简捷法(既 Fenske—
—Undewood——Gilliland——Hengstebeck 法)初估理论板数、回流比、进料位置以及塔顶、
塔底的采出率(或流量)等参数，然后根据设计要求调整上述参数，采用操作型方法反复进
行较核计算，直至达到设计要求。
精馏过程的数学模型由“MESH ”方程(组)构成，即
M 方程： 物料衡算方程
E 方程： 相平衡方程
S 方程： 组分摩尔分率加和(归一)方程
E 方程： 焓衡算方程
所谓“模拟”，就是利用一定的数学方法求取
