分离单元的仿真设计

CAPD基础 第七讲 Simulation Design of Separation Processes 分离单元的仿真设计 (一 ) 分离过程模型的分类 Aspen Plus 中的分离过程 模型包含两大类别 ： 简单分离单元模型 Separators 塔设备单元模型 Columns 简单分离单元模型 简单分离单元模型包含五个模块： 两相闪蒸器 Flash2 三相闪蒸器 Flash3 倾析器 Decanter 组份分离器 Sep 两出口组份 分离器 Sep2 简单分离单元模型 （ 2） Flash2 两相闪蒸器 Flash2 模块执行给定热 力学条件下的汽 -液平衡或汽 - 液 -液平衡计算，输出一股汽 相和一股液相产物。用于模 拟闪蒸器、蒸发器、气液分 离器等 。 Flash2 两相闪蒸器 （ 2） Flash2 连接 Flash2 模块的连接图如下： Flash2 模型参数 Flash2 模块的模型参数有 3 组： 1、 闪蒸设定 ( Flash Specifications) （ 1） 温度 （ Temperature) （ 2） 压力 （ Pressure) （ 3） 蒸气分率 （ Vapor Fraction) （ 4） 热负荷 （ Heat Duty) 从以上 4 个参数中选定 2 个。 Flash2 模型参数 （ 2） 2、 有效相态 ( Valid Phase) （ 1） 汽 -液相 （ Vapor-Liquid) （ 2）汽 -液 -液相 （ Vapor-Liquid-Liquid) （ 3）汽 -液 -游离水相 （ Vapor-Liquid-Free Water) 从以上 3个参数中选定 1 个。 Flash2 模型参数 （ 3） Flash2 模块的模型参数有 3 组： Flash2 模型参数 （ 4） Flash2 模型参数 （ 5） Flash2 模块的模型参数有 3 组： 3、 液沫夹带 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 液相被带入汽相中的分率 。 Flash2 模型参数 （ 6） Flash2 应用示例（ 1） 流量为 1000 kg/hr、 压力为 0.11 MPa、 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的 饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝 ， 冷凝物流的汽 /液比 （ 摩尔 ） =1/3。 求 离开冷凝器的汽 、 液两相的温度和组 成 。 Flash2 应用示例（ 2） 流量为 1000 kg/hr、 压力为 0.5 MPa 温度为 120 、 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的物料绝热闪蒸到 0.15 MPa。 求离开闪蒸器的汽 、 液两相的 温度 、 流量和组成 。 Flash2 应用示例（ 3） 流量为 1000 kg/hr、 压力为 0.2 MPa 温度为 20 、 含丙酮 30%w、 水 70%w的物料进行部分蒸发回收丙 酮 ， 求丙酮回收率为 90%时的蒸发器 温度和热负荷以及汽 、 液两相的流量 和组成 。 灵敏度分析 Sensitivity 在进行过程设计和分析时 ， 常常 需要了解某些过程变量受其它过程变 量影响的敏感程度 ， Aspen PLUS为 此提供了一个非常有用的分析工具： 模型分析工具 (Model Analysis Tools) 下的灵敏度 (Sensitivity)对象 。 灵敏度分析 Sensitivity (2) 灵敏度分析 Sensitivity (3) 创建灵敏度对象时 ， 按以下步骤操作： 1、 从数据浏览器右侧的对象管理器 (Object Manager)中点击新建 (New) 按钮； 2、 在弹出对话框中为新对象指定一个 辨识号 (ID)； 灵敏度分析 Sensitivity (4) 步骤 1和步骤 2： 灵敏度分析 Sensitivity (5) 3、 在定义 (Define)表单中点击新建 (New) 按钮 ， 创建灵敏度对象所需的变量； 4、 在弹出对话框中输入新变量的变量 名 (Variable name)； 灵敏度分析 Sensitivity (6) 步骤 3和步骤 4： 灵敏度分析 Sensitivity (7) 5、 在变量定义 (Variable Definition)对话 框中的下拉式选择框中选择变量的类 别 (Category) 、 类型 (Type) 、 流股 (Stream)或模块 (Block)代号 ， 并指定 具体变量 (Variable)。 灵敏度分析 Sensitivity (8) 步骤 5： 灵敏度分析 Sensitivity (9) 可以定义多个分析所需的变量 ， 如下图所示： 灵敏度分析 Sensitivity (10) 步骤 6：在变化 (Vary)表单中输入调节变 量 (Manupulated variable)的类 型 、 名称和具体变量 (variable), 并 指 定 体 调 节 上 、 下限 (Upper/Lower limits) 和 增 量 (Incr)。 灵敏度分析 Sensitivity (11) 步骤 6： 灵敏度分析 Sensitivity (12) 步骤 7：在列表 (Tabulate)表单中输入需 要进行灵敏度分析的列表变量 (Tabulated variable)或组合变 量的表达式 (Expression) ， 以 及 列 表 时 的 列 序 号 (Column No.)。 灵敏度分析 Sensitivity (13) 步骤 7： 灵敏度分析 Sensitivity (14) 步骤 8：结果查看 从左侧索引栏中选择灵敏度对象下的 结果 (Results) 项目 ， 右 侧 的 汇 总 (Summary)表单中按照指定的列序号列表 给出调节变量和列表变量的对应值 。 灵敏度分析 Sensitivity (15) 步骤 8： 变量关系图 Plot 在查看和分析灵敏度分析的列表 数据时 ， 用图形描述的函数关系曲线 常常能让我们更直观和全面地了解过 程变量间的依赖趋势 ， ASPTEN Plus 为此提供了绘图 (Plot)功能 ， 可以将 列表数据中的任意两列绘制成 XY曲 线图 。 变量关系图 Plot （ 2） 步骤 1：选择横坐标变量 在列表数据中选中一列 ， 从窗 口菜单 Plot项的下拉框里选择 X轴变 量 (X-Axis Variable)； 变量关系图 Plot （ 3） 变量关系图 Plot （ 4） 步骤 2：选择纵坐标变量 再选中列表数据的另一列 ， 从 窗口菜单 Plot项的下拉框里选择 Y轴 变量 (Y-Axis Variable)； 变量关系图 Plot （ 5） 变量关系图 Plot （ 6） 步骤 3：绘制曲线 然后点击窗口菜单 Plot项的下 拉框里的显示绘图 (Display Plot), 即可得到曲线图 。 变量关系图 Plot （ 7） 变量关系图 Plot （ 8） Flash2 应用示例（ 4） 流量为 1000 kg/hr、 压力为 0.2 MPa 温度为 20 、 含丙酮 30%w、 水 70 %w的物料进行部分蒸发回收丙酮 ， 蒸发器热负荷为 250 kW。 分析液沫 夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的 影响 。 Flash3 三相闪蒸器 Flash3 模块执行给定热 力学条件下的汽 -液 -液平衡计 算 ， 输出一股汽相和两股液相 产物 。 用于模拟闪蒸器 、 蒸发 器 、 液 -液分离器 、 汽 -液 -液分 离器等 。 Flash3 三相闪蒸器 （ 2） Flash3 连接 Flash3 的连接图如下： Flash3 模型参数 Flash3 的模型参数有 3 组： 1、 闪蒸设定 ( Flash Specifications) （ 1） 温度 （ Temperature) （ 2） 压力 （ Pressure) （ 3） 蒸汽分率 （ Vapor Fraction) （ 4） 热负荷 （ Heat Duty) 从以上 4 个参数中选定 2 个。 Flash3 模型参数 （ 2） Flash3 模型参数 （ 3） Flash3 的模型参数有 3 组： 2、 关键组份 ( Key Component) 指定关键组份后，含关键组份 摩尔分率大的液相作为第二液相。 如未指定关键组份，则密度大 的液相作为第二液相。 Flash3 模型参数 （ 4） 3、 液沫夹带 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 分别设定两个液相被夹带入汽 相中的分率。 Flash3 模型参数 （ 5） Flash3 的模型参数有 3 组： Flash3 模型参数 （ 6） Flash3 应用示例（ 1） 流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、 含乙醇 30 %w、正己烷 30%w、水 40 %w 的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝 物流的汽 /液比（摩尔） =1/9。求离开冷凝 器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组 成。 Flash3 应用示例（ 2） F= 500 kg/hr、 P= 0.8 MPa、 T=100 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的物流与 F= 500 kg/hr、 P= 0.8 MPa、 T=70 含正己烷 60%w、 乙醇 40 %w的物流在闪蒸器中混 合并绝热闪蒸到 P= 0.11 MPa， 求离开闪蒸 器的汽 、 液 、 液三相的温度 、 质量流量和 组成 。 Flash3 应用示例（ 3） 在示例 （ 2） 中分别设置 乙醇和己烷为关键组份，观察 输出结果有什么变化。 Decanter 倾析器 Decanter 模块执行给定 热力学条件下的液 -液平衡或 液 -游离水平衡计算 ， 输出两 股液相产物 。 用于模拟液 -液 分离器 、 水倾析器等 。 Decanter 倾析器 （ 2） Decanter 连接 Decanter 模块的连接图如下： Decanter 模型参数 Decanter 模块的模型参数有 3 组： 1、 倾析设定 ( Decanter Specifications) （ 1） 压力 （ Pressure) （ 2） 温度 /热负荷 （ Temperature/Heat Duty ) Decanter 模型参数 （ 2） 2、 关键组份 ( Key Component) 指定关键组份后 ， 含关键组份摩尔 分率大的液相作为第二液相 。 如未指定关键组份 ， 则密度大的液 相作为第二液相 。 Decanter 模型参数 （ 3） Decanter 模块的模型参数有 3 组： Decanter 模型参数 （ 4） Decanter 模型参数 （ 5） Decanter 模块的模型参数有 3 组： 3、 组份分离效率 ( Separation Efficiencies) 分别设定每个组份在两相中的分 离效率（代表了相组成偏离平衡组 成的程度）。 Decanter 应用示例 (1) 用水 （ P= 0.2 MPa、 T=20 ） 从含乙 醇 40 %w、 正己烷 60%w的混合液 （ F= 500 kg/hr、 P= 0.2 MPa、 T=20 ） 中萃 取乙醇 ， 要求乙醇的萃取率达到 97%， 求 需要的水流量和萃取相和萃余相的组成 。 Decanter 应用示例 (2) 同示例 （ 1） ，求乙醇分离 效率为 0.9时需要的水流量和萃 取相组成。 Sep 组份分离器 Sep 模块可以接受多股输 入物流，输出多股物流，并把 输入混合物中的各个组份分别 按照指定的比例分配到每一股 输出物流中去。 Sep 组份分离器 （ 2） Sep 连接 Sep 模块的连接图如下： Sep 模型参数 Sep 模块的模型参数有 3 组： 1、 规定 (Specifications) 输出物流条件设定，指定每 个组份在各股输出物流中的分率 或流量。 Sep 模型参数 （ 2） Sep 模型参数 （ 3） Sep 模块的模型参数有 3 组 ： 2、 进料闪蒸 ( Feed Flash) 指定输入物流混合后的闪蒸压力 和有效相态。 Sep 模型参数 （ 4） 3、 出口闪蒸 ( Outlet Flash) 指定每一股输出物流的闪蒸压 力、温度、气相分率和有效相态。 Sep 模型参数 （ 5） Sep 模块的模型参数有 3 组 ： Sep 模型参数 （ 6） Sep 应用示例（ 1） 把 F=500 kg/hr、 P= 0.15 MPa、 T=20 含乙醇 30 %w 、 正丙醇 20%w、 正丁醇 10%w、 水 40 %w的物流分成四 股输出物流 ， 各组份在输出物流中的分配比例为： 乙醇 0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01 正丙醇 0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.02 水 0.01 : 0.02 : 0.03 : 0.94 求输出物流组成。 Sep2 两出口 组份分离器 Sep2 模块可以接受多股 输入物流 ， 输出两股物流 ， 并 把输入混合物中的各个组份分 别按照指定的比例或浓度分配 到输出物流中去 。 Sep2 两出口 组份分离器 （ 2） Sep2 两出口 组份分离器 （ 3） Sep2 模块可以设定分配给 各输出物流的流量 (Flow)/流量分 率 (Split fraction)、 各个组份的流 量 /流量分率 、 以及摩尔分率 /质 量分率 。 可自由设定的参数个数 由物料平衡自由度决定 。 Sep2 两出口 组份分离器 （ 4） Sep2 应用示例（ 1） 从 F= 500 kg/hr、 P= 0.15 MPa、 T= 20 、 含乙醇 60 %w、 正丙醇 25%w、 正丁 醇 15 %w 的物流中回收乙醇 ， 要求： 1. 乙醇浓度达到 98%w、 正丁醇含量不大 于 1%w; 2. 乙醇回收率达到 95%。 求输出物流的组成和流量 。 Sep2 应用示例（ 2） 同示例（ 1），如果分离过程是在精 馏塔中实现，塔顶出料是 0.11 MPa 的饱 和蒸汽，塔底出料是 0.13 MPa 的饱和液 体，求输出物流的温度和体积流量。 计算器 Calculator 在进行过程设计和分析时 ， 有时无 法预先确定某些过程变量的设定值 ， 而 是需要根据过程运行的中间结果按一定 的函数关系式计算 。 ASPTEN Plus为此 提供了一个在线计算工具： 流程选项 (Flowsheeting Options) 下的计算器 (Calculator)对象 。 计算器 Calculator（ 2） 创建计算器对象时 ， 按以下步骤操作： 1、 从数据浏览器右侧的对象管理器 (Object Manager) 中 点 击 新 建 (New)按钮； 2、 在弹出对话框中为新对象指定一 个辨识号 (ID)； 计算器 Calculator（ 3） 步骤 1 和步骤 2 ： 计算器 Calculator（ 4） 3、 在定义 (Define)表单中点击新建 (New) 按钮 ， 创建计算器对象所 需的变量； 4、 在弹出对话框中输入新变量的变量 名 (Variable name)； 计算器 Calculator（ 5） 步骤 3 和步骤 4 ： 计算器 Calculator（ 6） 5、 在变量定义 (Variable Definition) 对话框中的下拉式选择框中选择 变 量 的 类 别 (Category) 、 类型 (Type) 、 流股 (Stream) 或模块 (Block) 代号 ， 并指定具体变量 (Variable)。 计算器 Calculator（ 7） 步骤 5 ： 计算器 Calculator（ 8） 可以定义多个计算所需的变量 ， 如下图所示： 计算器 Calculator（ 9） 步骤 6： 在计算 (Calculate) 表 单 中 的 计 算 方 法 (Calculation method)栏选择 Fortran（ 推荐使用 ） 或 Excel； 在 输 入可执行 Fortran 语句 (Enter executable Fortran statements) 框 中 输 入 用 于 执 行 计 算 的 Fortran程序 。 Aspen Plus 提供了内嵌 (In-Line) Fortran的实时 编译 、 连接和运行 。 In-Line Fortran的编程语法 、 规则 、 内部函数可参见在线帮助 。 计算器 Calculator（ 10） 计算器 Calculator（ 11） 步骤 7： 在序列 (Sequence)表单中的计算器模块执行序列 (Calculator block execution sequence)栏中选择以下 三项内容 ， 从而设定在模拟计算过程中执行计算器 程序的序列位置： 1、 执行 (Execute)：首先 (First)/最后 (Last)/之前 (Before)/之后 (After)/ 2、 模块类型 (Block type): 单元操作 (Unit operation)/ 收敛 (Convergence)/ 3、 模块名字 (Block name)： 计算器 Calculator（ 12） Sep2 应用示例（ 3） 采用膜分离装置制取富氧空气 。 原料空气 T = 30 、 P = 1.013 bar、 F = 500 kmol/hr， 经压缩机加压到 4.5 bar后进 入膜分离组件 ， 出口压强 1.1 bar。 已知膜分离组件的性能 与进 、 出口压差及进口流量的关系由下式描述： 求 富氧空气 的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。 22 22 0 . 5 0 . 3 5 0 .1 1 () 1 .1 ( ) () r ic h fe ed NO r ic h r ic h fe ed N p o o rO F F P yy FF yy