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塔参数基本优化简单介绍
文中演示所用软件版本：Aspen Plus 14.0，HYSYS 14.0，PRO/II 2024
文中演示所用例子：乙醇/水萃取精馏体系，萃取剂为乙二醇
注：作者工程经验欠缺，本文只是搬运并简单介绍作者所了解的一些做法，只针对严格塔平衡模式的参数简单优化，未考虑速率模式、水力学、节能技术分析等，也并未考虑特殊工艺特殊要求等。本文内容仅供参考，如有不恰当之处希望指出更正。
1.1 准备阶段
在使用软件对塔模块进行参数基本调优时经常用到以下几种工具，具体的工具介绍与使用方法见参考书籍。面对具体需求时可能需要多种工具组合来实现。
Aspen Plus：灵敏度分析、塔内设计规定、设计规定、计算器、优化与约束、NQ 曲线等。
HYSYS：案例研究、电子表格、调节器、优化器等。
PRO/II：Case Study、Calculator、Controller、Optimizer 等。
简捷塔：相比严格塔，简捷塔的算法过于简单，简捷塔得到的一系列初始参数仍需进一步优化才行，切忌直接使用简捷塔计算结果作为最终结果。（HYSYS 还提供炼油简捷塔）
1.2 灵敏度分析
灵敏度分析：Aspen 独有的功能，简单的暴力穷举。灵敏度分析可对塔的各种参数进行分析，在面对多变量优化（如多进料多采出的塔）的情况下尤为好用。
例 1：对于一个乙二醇/水萃取剂回收塔来说，在进料组成、进料热状态、塔顶压力、单板压降确定的情况下，我们需要得到一组塔板数、进料板位置、回流比的优化结果，同时满足分离要求。
答：那么可以直接使用灵敏度分析，同时以塔板数、进料板位置、回流比作为自变量，以塔顶塔底热负荷、塔顶塔底纯度、N*R 为因变量，一次运行得到大量的结果，然后筛选得到满足要求的操作条件与设备参数即可。
例 2：面对乙醇/水萃取塔，使用乙二醇为萃取剂，如果在萃取剂进料热状态确定的情况下，那么相比例1对于一个塔来说又多引入了以下几个变量，萃取剂用量和萃取剂进料板位置。
答：此时无论是简捷塔还是根据 N*R 曲线求取最小值的做法都将难以施展，而灵敏度分析暴力穷举依然简单干脆。（HYSYS 中依靠案例研究分析萃取剂用量，PRO/II 中依靠 Case Study 分析萃取剂用量与萃取剂进料位置）。
1.3 根据 N*R 曲线最小值
孙兰义老师书中主要讲述的便是此方法。HYSYS 与 PRO/II 均是输入塔板数与进料板位置，然后操作参数依据设计规定自动求解，接下来将以 HYSYS 为例介绍。
例 1：对于一个乙二醇/水萃取剂回收塔来说，在设计规定页面规定好纯度与采出量，运行使得塔可以得到一组满足设计规定的同时满足分离要求的参数。
然后手动变化进料板位置（HYSYS 案例研究无法分析进料板位置，PRO/II 的 Case Study 可以），观察回流比与塔釜热负荷的变化，找到最小热负荷的点，此即为当前情况下最佳进料板位置。
然后依据此进料板位置与塔板数的比值，在手动变化塔板数时相应调整进料板位置，记录每次变化的回流比与塔釜热负荷。（注：塔板数变化后，进料板位置与塔板数的比值也会发生变化，也就是说每次改变完塔板数与进料板位置后，要手动对进料板位置进行 ±1、±2… 的测试，以找到当前塔板数情况下的最佳进料板位置）。
到此我们将得到塔板数、进料板位置、回流比、NR、塔釜热负荷的一系列数据，也就可以根据NR 曲线最小值筛选得到满足要求的操作条件与设备参数。
例 2：与例 1 相同的案例在 Aspen 中实现此操作。首先使用设计规定规定产品纯度（塔内设计规定不行），变量为回流比，然后灵敏度分析进料板位置，从而得到进料板位置与塔板数的比值。
然后使用计算器依据刚才得到的比值自动计算进料板位置，并在灵敏度分析中仅以塔板数为自变量，塔顶塔底纯度、塔釜热负荷、进料板位置、回流比、塔板数、N*R 为因变量，运行灵敏度分析。
最后根据 N*R 曲线最小值筛选得到满足要求的几组参数，同时注意塔板数变化后，进料板位置与塔板数的比值也会发生变化，对刚才筛选得到的几组最佳参数仍要进行最佳进料板位置的核算。
注：也可直接灵敏度分析同时以塔板数与进料板位置为自变量，设计规定去变化回流比，从而不用担心进料板位置与塔板数的比值变化问题，但会产生大量无意义数据，注意筛选即可。
1.4 求取 Rmin 与 Nmin
有时会用 Rmin 与 Nmin 去初步确定或者核对优化后的回流比与塔板数是否合适，根据 R = 1.1~1.3 Rmin，N = 1.1~1.3 Nmin。
在 Aspen 中只需要采用 1.3 节例 2 中的做法，当塔板数不断增加而回流比变化不大时，此回流比近似为 Rmin；当塔板数不断变小，回流比不断增加，能够满足分离要求的最小塔板数为 Nmin。或者直接将塔板数、进料板位置、回流比同时作为自变量暴力穷举。
在 HYSYS 中，可以通过手动增大塔板数（同时注意调整进料板位置），直至回流比变化不大时，此回流比近似为 Rmin；通过设置回流比为设计规定，手动增大回流比指定值，并不断减少塔板数，反复尝试，能够满足分离要求的最小塔板数为 Nmin。
注：反复调整参数可能使得软件计算结果变化趋势异常，出现参数跳跃问题，如在求取 Rmin 时回流比计算结果忽然大增或大减，此时可考虑重置运行或忽略在运行或挂起在启用，可能是在当前情况下存在多个解导致的；此异常也与设计规定的指定值有关，可考虑删除指定值或者自行填写一个较大或较小的指定值。
在 PRO/II 中，操作同 HYSYS，是否会出现参数跳跃问题有待验证。
1.5 基于经济分析的优化
一切优化最终都是为了经济，因此可以通过经济费用经验公式关联塔参数，以此结果为导向进行参数优化。此时关于公用工程价格，塔设备费用，操作费用等应根据实际项目对经验公式进行修正。
Aspen 中仍然可借助灵敏度分析实现，借助灵敏度分析的子项 Fortran，定义经济公式即可。
例 1：见下图（乙二醇/水萃取剂回收塔参数优化）。
这里不方便放图，图请见文末的源PDF文件，见谅~
HYSYS 与 PRO/II 可借助 EXCEL 操作。
1.6 其它
NQ 曲线：Aspen 提供内置的分析工具，结合设计规定（规定纯度自动变化回流比）方便快速优化塔板数与进料板位置 [1](P393 10.11)。
优化与约束/优化器/Optimizer：Aspen、HYSYS、PRO/II 提供的相应工具，也可以用于塔参数优化，作者使用不多建议自行查书。
塔压力降设置：通常来讲减压塔或塔板数较多的塔（如丙-丙塔）不可忽略压力降设置，一般常压塔可设置单板压力降 0.7 kPa（实际应根据物系，塔板类型等确定）。
Aspen 与 PRO/II 中第一块塔板代表冷凝器，最后一块塔板代表再沸器，HYSYS 塔板则不包括冷凝器再沸器。釜式再沸器与一次通过式热虹吸再沸器相当于一块理论板，循环式热虹吸再沸器与混合式热虹吸再沸器相当于两块理论板 [2,3] (塔单元模拟补充文件P45-46[2]), (P207-208[3])。
再沸器形式（釜式或不同类型热虹吸）与过冷回流（过冷温度）对分离会产生一定影响，甚至可能影响全塔组成分布，气液分布等，建议提前考虑好。
塔板效率：与实际不同，模拟中的塔板为理论塔板，可参考经验值设置 [1,3,6] (P225表7-5[1]), (P203表8-2[3]), (P102-106[6])，也可根据实际运行数据拟合 [1] (P302例9.9)。需要注意指定塔板效率时再沸器效率建议单独指定。
在设置设计规定时可比分离要求略微大一点，这样做可以在一定程度上避免因流股波动，设计条件变动，参数调整等情况使得结果不达标问题。增加一定操作弹性。
注意设计参数对水力学的影响 [1](P384 10.10)。
可通过热力学分析核对当前参数是否合理，也能进一步发掘节能潜力 [1,4](P384 10.10[1]), (P38 2.6.2[4])。
对于回流比小于 3 的常规精馏塔建议使用馏出物流量调整回流罐液位的控制结构，对高回流比精馏塔需要通过回流量来控制回流罐液位，这样避免控制阀饱和 [7] (P128-129)。
本文主要基于乙醇/水萃取精馏体系（萃取剂为乙二醇）为例所写，体系相对较为简单，目标明确，需要优化的变量少，如遇到空分上下塔、天然气凝液回收主塔等变量可达十几个的任务时需自行安排一套优化逻辑；如遇到多效变压热耦合、隔壁塔耦合热泵等体系时，针对压力、分配比等自变量时需自行安排好考察的因变量，以进行有力的节能说明；如遇到常减压、催化裂化主分馏塔等炼油塔时建议参考相关专业教程。
参数优化并非追求所谓的最优点，而是选择满足分离要求的参数，并基于一系列限制条件（经济优化，特殊工艺，经验考量等）的筛选，从而确定一组合适的参数。同时还要考虑到单塔与整个工段的关联，整体的经济才是适合的优化。
BY 花生酥本酥
2025 年 11 月
源PDF文件下载链接：
塔参数基本优化简单介绍-0版-魔女-20251202.pdf (442.1 KB)
参考阅读：
[1] 孙兰义，化工过程模拟实训—Aspen Plus教程[M]，2版.
[2] 孙兰义，过程模拟实训—Aspen HYSYS教程[M]，2版.
[3] 孙兰义，过程模拟实训—PRO/II教程[M].
[4] 孙兰义，过程工业能量系统优化—换热网络与蒸汽动力系统[M].
[5] 王晓红，王英龙，化工过程的优化设计与控制[M].
[6] 陆恩锡，化工过程模拟—原理与应用[M].
[7] William L. Luyben(美)，Aspen模拟软件在精馏设计和控制中的应用（原著第二版）[M].
[8] 林子昕，萃取精馏制取无水乙醇过程不同节能方案的对比[J].化工进展，2018,37(5):7.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1621.
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