aspen 教程PPT 04 Separation

平衡級分離模型平衡級分離模型湯吉海2006年8月ASPEN PLUSASPEN PLUS入門入門ASPEN PLUSASPEN PLUS的單元操作模型（的單元操作模型（1 1）類型類型模型模型說明說明混合器/分流器MixerFsplitSsplit物流混合物流分流子物流分流分離器Flash2Flash3DecanterSepSep2雙出口閃蒸三出口閃蒸液-液傾析器多出口組分分離器雙出口組分分離器換熱器HeaterHeatXMHeatXHetranAerotran加熱器/冷卻器雙物流換熱器多物流換熱器與BJAC 管殼式換熱器的接口程序與BJAC 空氣冷卻換熱器的接口程序塔塔DSTWUDistlRadFracExtractMultiFracSCFracPetroFracRate-FracBatchFrac簡捷蒸餾設(shè)計簡捷蒸餾設(shè)計簡捷蒸餾核算簡捷蒸餾核算嚴(yán)格蒸餾嚴(yán)格蒸餾嚴(yán)格液嚴(yán)格液-液萃取器液萃取器復(fù)雜塔的嚴(yán)格蒸餾復(fù)雜塔的嚴(yán)格蒸餾石油的簡捷蒸餾石油的簡捷蒸餾石油的嚴(yán)格蒸餾石油的嚴(yán)格蒸餾非平衡級連續(xù)蒸餾非平衡級連續(xù)蒸餾嚴(yán)格的間歇蒸餾嚴(yán)格的間歇蒸餾ASPEN PLUSASPEN PLUS的單元操作模型（的單元操作模型（2 2）類型類型模型模型說明說明反應(yīng)器REquilRStoicRYieldRgibbsRCSTRRPlugRBatch平衡反應(yīng)器化學(xué)計量反應(yīng)器收率反應(yīng)器平衡反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器間歇反應(yīng)器壓力變送器PumpComprMcomprPipelinePipeValve泵/液壓透平壓縮機/透平多級壓縮機/透平多段管線壓降單段管線壓降嚴(yán)格閥壓降手動操作器MultDuplClChong物流倍增器物流復(fù)制器物流類變送器ASPEN PLUSASPEN PLUS的單元操作模型（的單元操作模型（3 3）類型類型模型模型說明說明固體CrystallizerCrusherScreenFabFlCycloneVscrubESPHyCycCFugeFilterSWashCCD除去混合產(chǎn)品的結(jié)晶器固體粉碎器固體分離器濾布過濾器旋風(fēng)分離器文丘里洗滌器電解質(zhì)沉降器水力旋風(fēng)分離器離心式過濾器旋轉(zhuǎn)真空過濾器單級固體洗滌器逆流傾析器用戶模型UserUser2用戶提供的單元操作模型用戶提供的單元操作模型第四章第四章 多組分平衡級分離過程計算多組分平衡級分離過程計算C4.1 多組分單級分離過程 C4.2 多組分多級分離塔的簡捷計算 C4.3 多組分多級分離塔的嚴(yán)格計算 4.1 ASPEN PLUS4.1 ASPEN PLUS的閃蒸模型的閃蒸模型C 根據(jù)規(guī)定進(jìn)行相平衡閃蒸計算A 絕熱、等溫、恒溫恒壓露點或泡點閃蒸計算；A 計算混合物的露點可以設(shè)置氣相摩爾分率為1；A 計算混合物的泡點可以設(shè)置氣相摩爾分率為0；A 據(jù)此可以確定具有一個或多個入口物流的混合物的熱狀態(tài)和相態(tài)。C 通常要固定入口物流的熱力學(xué)狀態(tài)必須規(guī)定：A 溫度、壓力、熱負(fù)荷和氣相摩爾分率中的任意兩項。A 需要注意的是，在閃蒸模型中不允許同時規(guī)定熱負(fù)荷和氣相摩爾分率。C 閃蒸模型可以用來模擬閃蒸罐、蒸發(fā)器、分液罐和其它的單級分離器。ASPEN PLUSASPEN PLUS的閃蒸模型的閃蒸模型Flash2Flash3ASPEN PLUSASPEN PLUS的閃蒸計算的閃蒸計算示例示例 C例4-1：乙醇水溶液的摩爾組成為20%乙醇和80%水，試確定該混合物在1.0、1.5、2.0和2.5 atm下的泡點溫度和露點溫度。熱力學(xué)模型采用UNIQUAC模型。C C例4-2：摩爾組成分別為50/50的正戊烷和正己烷混合物在55和510 kPa條件下進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸壓力為95 kPa，計算在50溫度下達(dá)到平衡的氣相和液相產(chǎn)品組成。熱力學(xué)模型采用理想模型（IDEAL）。ASPEN PLUSASPEN PLUS的閃蒸計算的閃蒸計算練習(xí)練習(xí)C練習(xí)4-1：在101.3 kPa下，對組成為45%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）正己烷、25%正庚烷和30%正辛烷的混合物。（1）計算泡點和露點溫度；（2）將此混合物在101.3 kPa下進(jìn)行閃蒸，使進(jìn)料的50%汽化。求閃蒸溫度和兩相的組成。熱力學(xué)模型采用理想模型（IDEAL）。4.2 4.2 多組分多級分離塔的簡捷計算多組分多級分離塔的簡捷計算 C 多組分精餾過程的近似設(shè)計算法常用于：A 初步設(shè)計。A 對多種操作參數(shù)進(jìn)行評比以尋求適宜的操作條件。A 過程合成中尋找合理的分離順序。A 近似算法還可用于控制系統(tǒng)的計算以及為嚴(yán)格計算提供合適的設(shè)計變量數(shù)值和迭代變量初值。A 當(dāng)相平衡數(shù)據(jù)不夠充分和可靠時，采用近似算法不比嚴(yán)格算法遜色。C 近似算法雖然適于手算，但為了快速、準(zhǔn)確，采用計算機進(jìn)行數(shù)值求解也已廣泛應(yīng)用。多組分精餾的多組分精餾的FUGFUG簡捷計算法簡捷計算法 C多組分精餾的FUG簡捷計算法（FenskeUnderwood-Gilliland）A 用芬斯克（Fenske）公式估算最少理論板數(shù)和組分分配；A 用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；A 用吉利蘭（Gilliland）圖或相應(yīng)的關(guān)系式估算實際回流比下的理論板數(shù)。C 關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分C所謂關(guān)鍵組分，是進(jìn)料中按分離要求選取的兩個組分（不少情況是揮發(fā)度相鄰的兩個組分)，它們對于物系的分離起著控制作用，且它們在塔頂或塔釜產(chǎn)品中的濃度或回收率通常是給定的（即是應(yīng)該指定的兩個濃度變量），因而在設(shè)計中起著重要作用。C這兩組分中揮發(fā)度大的稱為輕關(guān)鍵組分，揮發(fā)度小的稱為重關(guān)鍵組分，它們各自在塔頂或塔底的含量必須加以控制，以保證分離后產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分C例如，石油裂解氣分離中的C2-C3塔，其進(jìn)料組成中有甲烷、乙烯、乙烷、內(nèi)烯、丙烷和丁烷，分離要求規(guī)定塔釜中乙烷濃度不超過0.1，塔頂產(chǎn)品中丙烯濃度也不超過0.1，試問其輕重關(guān)鍵組分分別是哪兩個?A 甲烷、乙烯沸點低于乙烷，若能將乙烷和丙烯分開，乙烷和比乙烷輕的組分必定從塔頂排出，同樣，比丙烯重的組分則必定從塔釜徘出。因此，根據(jù)規(guī)定的分離要求，則能確定乙烷是輕關(guān)鍵組分，而丙烯則是重關(guān)鍵組分。ASPEN PLUSASPEN PLUS中的簡捷法精餾塔設(shè)計模型中的簡捷法精餾塔設(shè)計模型 模型模型描述描述目的目的用于用于DSTWU使用WinnUnderwood-Gilliland 方法設(shè)計簡捷法蒸餾確定最小回流比、最小級數(shù)或者實際回流比、實際級數(shù)一個進(jìn)料物流和兩個產(chǎn)品物流的塔Distl使用Edmister方法進(jìn)行簡捷法蒸餾核算確定以回流比、級數(shù)、餾出與進(jìn)料比為基準(zhǔn)的分離程度一個進(jìn)料物流和兩個產(chǎn)品物流的塔SCFrac復(fù)雜的多個石油分餾單元的簡捷精餾確定產(chǎn)品組成和流率、每段的級數(shù)、使用分餾指數(shù)的熱負(fù)荷復(fù)雜塔例如原油單元和減壓塔DSTWU-DSTWU-簡捷法精餾設(shè)計簡捷法精餾設(shè)計 CDSTWU可對一個帶有分凝器或全凝器、一股進(jìn)料和兩種產(chǎn)品的蒸餾塔進(jìn)行簡捷法設(shè)計計算。CDSTWU假設(shè)恒定的摩爾溢流量和恒定的相對揮發(fā)度。C DSTWU也估算適宜的進(jìn)料位置、冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷，并產(chǎn)生一個可選的回流比級數(shù)的曲線圖或表格。DSTWU-DSTWU-簡捷法精餾設(shè)計簡捷法精餾設(shè)計規(guī)定規(guī)定估計估計/結(jié)果結(jié)果輕重關(guān)鍵組分的回收率最小回流比和最小理論級數(shù)理論級數(shù)必需回流比回流比必需理論級數(shù)DSTWU使用這個方法使用這個方法/關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式去估算去估算Winn最小級數(shù)Underwood最小回流比Gilliland規(guī)定級數(shù)所必需的回流比或規(guī)定回流比所必需級數(shù)ASPEN PLUSASPEN PLUS的簡捷法精餾塔設(shè)計的簡捷法精餾塔設(shè)計示例示例 C例4-3：設(shè)計一個脫乙烷精餾塔，進(jìn)料流量為100 kmol/hr，進(jìn)料組成為：氫氣0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩爾分?jǐn)?shù)），進(jìn)料流股壓力為18 atm。要求乙烯在塔頂?shù)氖章蔬_(dá)到95%，并且塔頂餾出物中乙烯純度達(dá)到99%（摩爾分?jǐn)?shù)）。塔頂設(shè)一全凝器，操作壓力為17.8 atm，塔釜有再沸器，操作壓力為18.2 atm，回流比為取3。試確定精餾塔的理論板數(shù)、進(jìn)料位置以及產(chǎn)品流股的組成。熱力學(xué)模型選擇Peng-Robinson方程。ASPEN PLUSASPEN PLUS的簡捷法精餾塔設(shè)計的簡捷法精餾塔設(shè)計練習(xí)練習(xí)C練習(xí)題4-2：設(shè)計一個丙烷精餾塔，操作平均壓力為22 atm，進(jìn)料為汽、液混合物，其中氣相占60%，進(jìn)料組成為甲烷0.26、乙烷0.09、丙烷0.25、正丁烷0.12、正戊烷0.11和正己烷0.12（摩爾分?jǐn)?shù)），塔頂設(shè)一分凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔頂?shù)氖章什怀^0.0175，確定該精餾塔的理論板數(shù)、回流比、塔頂和塔釜的采出量及換熱器的熱負(fù)荷。4.3 4.3 多組分多級分離塔的嚴(yán)格計算多組分多級分離塔的嚴(yán)格計算理論模型理論模型 CMESH方程A 組分物料衡算（M）A 相平衡關(guān)系（E）A 各相的摩爾分?jǐn)?shù)加和式（S）A 熱量衡算（H）C典型求解方法A 方程解離法A 同時校正法A 內(nèi)外法ASPEN PLUSASPEN PLUS的嚴(yán)格蒸餾模型的嚴(yán)格蒸餾模型模型模型描述描述目的目的用于用于RadFrac嚴(yán)格分餾嚴(yán)格分餾執(zhí)行各塔嚴(yán)格核算和設(shè)計計執(zhí)行各塔嚴(yán)格核算和設(shè)計計算算普通蒸餾、吸收塔、汽提塔、萃取普通蒸餾、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸餾、三相蒸餾、反應(yīng)蒸餾和共沸蒸餾、三相蒸餾、反應(yīng)蒸餾MultiFrac嚴(yán)格法多塔精餾對一些復(fù)雜的多塔執(zhí)行嚴(yán)格核算和設(shè)計計算熱整合塔、空氣分離塔、吸收/汽提塔組合、乙烯裝置初餾塔和急冷塔組合、石油煉制應(yīng)用PetroFrac石油煉制分餾對石油煉制應(yīng)用中的復(fù)雜塔執(zhí)行嚴(yán)格核算和設(shè)計計算預(yù)閃蒸塔、常壓原油單元、減壓單元、催化裂化主分餾器、延遲焦化主分餾器、減壓潤滑油分餾器、乙烯裝置初餾塔和急冷塔組合RateFrac基于流率的蒸餾對各塔和多塔執(zhí)行嚴(yán)格核算與設(shè)計。基于非平衡級計算，不需要效率和HETPs。蒸餾塔、吸收塔、汽提塔、反應(yīng)系統(tǒng)、熱整合單元、石油應(yīng)用例如原油和減壓單元、吸收/汽提塔組合Extract嚴(yán)格液-液萃取使用一個溶劑模擬一個液體物流的逆流抽提液-液抽提塔RadFracRadFrac模擬的多級氣模擬的多級氣-液精餾操作液精餾操作 C一般精餾（Ordinary distillation）C吸收（Absorption）C再沸吸收（Reboiled absorption）C汽提（Stripping）C再沸汽提（Reboiled stripping）C萃取蒸餾（Extractive distillation）C共沸蒸餾（Azeotropic distillation）C共沸蒸餾（Reactive distillation）RadFracRadFrac 適用的體系適用的體系C 兩相蒸餾體系（Two-phase systems）C 三相蒸餾體系（Three-phase systems）C 窄沸程和寬沸程體系（Narrow and wide-boiling systems）C 液相具有非理想性強的體系（Systems exhibiting strong liquid phase nonideality）C 游離水相或其它第二液相（Free-water phase or other second liquid phase)RadFracRadFrac模擬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的塔模擬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的塔C固定轉(zhuǎn)化率（Fixed conversion）C平衡反應(yīng)（Equilibrium）C流率控制反應(yīng)（Rate-controlled）C電解質(zhì)反應(yīng)（Electrolytic）RadFracRadFrac流程的連接流程的連接 算法算法 C石油和石油化工應(yīng)用A 極寬沸程的混合物和/或許多組分和設(shè)計規(guī)定，使用Sum-Rates算法 C高度非理想體系A(chǔ) 當(dāng)液相的非理想程度非常強，使用Newton算法 C共沸蒸餾C吸收和汽提A 使用Sum-Rates算法 C深冷應(yīng)用 求解策略求解策略 C塔收斂 A Inside-outInside-outB標(biāo)準(zhǔn)流率加和和非理想算法BMultiFracMultiFrac、PetroFracPetroFrac 和ExtractExtract模型 A Napthali-SandholmNapthali-Sandholm BNewtonNewton算法 C設(shè)計規(guī)定的收斂A 設(shè)計規(guī)定嵌套循環(huán)收斂（適用于除設(shè)計規(guī)定嵌套循環(huán)收斂（適用于除SUM-RATES SUM-RATES 外外的所有算法）的所有算法）A 設(shè)計規(guī)定同時收斂（設(shè)計規(guī)定同時收斂（Algorithm=SUM-RATESAlgorithm=SUM-RATES，NEWTONNEWTON）RadFracRadFrac的兩種計算模式的兩種計算模式C核算模式核算模式計算：A 溫度A 流率A 摩爾分率分布C設(shè)計模式設(shè)計模式計算：A 滿足塔的操作參數(shù)（例如純度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要滿足的規(guī)定A 有廣泛的設(shè)計和核算塔板及填料的能力RadFracRadFrac模型的基本設(shè)置（模型的基本設(shè)置（1 1）RadFracRadFrac模型的基本設(shè)置（模型的基本設(shè)置（2 2）RadFracRadFrac模型的基本設(shè)置（模型的基本設(shè)置（3 3）RadFracRadFrac模型的基本設(shè)置（模型的基本設(shè)置（4 4）ASPEN PLUSASPEN PLUS的嚴(yán)格法精餾塔計算的嚴(yán)格法精餾塔計算示例示例 C例例4-44-4：根據(jù)上節(jié)例4-3所描述的問題，采用DSTWU簡介設(shè)計模型確定的脫乙烷精餾塔理論板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比等參數(shù)，對該精餾塔采用RADFRAC嚴(yán)格模型進(jìn)行核算。C例例4-54-5：根據(jù)例4-4，在其他條件不變的情況下，采用RADFRAC模型計算滿足塔頂餾出物中乙烯摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.99所需要的回流比。ASPEN PLUSASPEN PLUS的嚴(yán)格法精餾塔計算的嚴(yán)格法精餾塔計算練習(xí)練習(xí)C練習(xí)題4-3：設(shè)計一個甲醇精餾塔，進(jìn)料中包含50 kmol/hr的甲醇和50 kmol/hr的水。采用回流比為1.5時，要求塔頂和塔底產(chǎn)物的純度都達(dá)到99.5%。試確定精餾塔的理論板數(shù)、進(jìn)料位置，以及精餾塔內(nèi)的溫度、汽液相流率和組成分布。并確定采用BX型填料的塔徑。精餾塔內(nèi)件（塔板和填料）的設(shè)計與核算精餾塔內(nèi)件（塔板和填料）的設(shè)計與核算 C板式塔和填料塔進(jìn)行設(shè)計、核算以及執(zhí)行壓降計算的擴展功能：A TraySizing（塔板設(shè)計）A TrayRating（塔板核算）A PackSizing（填料設(shè)計）A PackRating（填料核算）C三個塔單元操作模型中是可用的：A RadFracA MultiFracA PetroFrac 板式塔類型板式塔類型C五種通用塔板類型中進(jìn)行選擇：A Bubble caps（泡罩）A Sieve（篩板）A Glitsch Ballast（Glitsch重盤式塔板）A Koch Flexitray（Koch輕便型浮閥塔板）A Nutter Float Valve（Nutter浮閥塔板）填料塔類型填料塔類型C各種各樣的不規(guī)則填料C規(guī)則填料A GoodloeA Glitsch GridA Norton Intalox Structured PackingA Sulzer BX，CY，MellapakA Kerapak、Koch Flexipac，F(xiàn)lexeramic，F(xiàn)lexigridC根據(jù)：A 塔負(fù)荷、傳輸性質(zhì)、塔板的幾何數(shù)據(jù)、填料特性。C計算：A 塔直徑、液泛接近值或最大能力接近值、降液管滯留、壓降 單通道塔板單通道塔板雙通道塔板雙通道塔板三通道塔板三通道塔板四通道塔板四通道塔板塔板和填料的設(shè)計與核算塔板和填料的設(shè)計與核算示例（示例（1 1）C例例4-64-6：根據(jù)例4-5計算得到的精餾塔，增加填料信息：填料類型：Sulzer CY Standard；HETP：0.2 m；液泛因子：最大壓降：10 kPa。試計算采用該種填料的填料塔信息。塔板和填料的設(shè)計與核算塔板和填料的設(shè)計與核算示例（示例（2 2）C 例例4-74-7：根據(jù)例4-5計算得到的精餾塔，對浮閥塔進(jìn)行核算，浮閥信息如下：A Tray type：Nutter float Valve BDHA Number of passes：1A Column diameter：0.7 mA Actual number of trays：34A Tray spacing：0.5 m.A Tray efficiency：0.5A Weir height：0.05 mA Valve density：129/sqmA Downcomer clearance：0.15 mA Side downcomer width：0.22 mA Center downcomer width：0.18 m