Aspen分离单元仿真设计(二)课件

Simulation Design ofSimulation Design of Separation Processes Separation Processes分离单元的仿真设计分离单元的仿真设计 (二二二二)CAPD基础 第八讲第八讲分离过程模型的分类Aspen Plus 中的分离中的分离过程模型包含两大类别：过程模型包含两大类别：简单分离单元模型塔设备单元模型塔设备单元模型 分类1.DSTWU2.Distl3.RadFrac4.Extract塔设备塔设备塔设备塔设备(Columns)(Columns)单元共有单元共有单元共有单元共有9 9种模块种模块种模块种模块：5.MultiFrac6.SCFrac7.PetroFrac8.RateFrac9.BatchFrac塔设备单元模型分类（2 2）DSTWU 简捷精馏（设计）DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。DSTWU 简捷精馏（2 2）DSTWU 连接DSTWU 模型的连接图如下：1、塔设定塔设定(Column specifications)（1）塔板数）塔板数(Number of stages)（2）回流比(Reflux ratio)0,实际回流比；实际回流比；-1,绝对值绝对值=实际回流比实际回流比/最小回流比最小回流比DSTWU 模型参数DSTWU模型有四组模型有四组模型设定参数模型设定参数：DSTWU 模型参数（2）2、关键组分回收率 (Key component recoveries)（1 1）轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分进料中的轻关键组分（2 2）重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分进料中的重关键组分DSTWU 模型参数（3 3）DSTWU模型有四组模型设定参数：DSTWU 模型参数（4 4）3、压力(Pressure)（1）冷凝器(Condenser)（2）再沸器 (Reboiler)DSTWU 模型参数（5 5）DSTWU模型有四组模型设定参数：DSTWU 模型参数（6 6）4、冷凝器设定(Condenser specifications)（1）全凝器(Total condenser)（2）带汽相馏出物的部分冷凝器 (Partial condenser with vapor distillate)（3）带汽、液相馏出物的部分冷凝器 (Partial condenser with vapor and liquid distillate)DSTWU 模型参数（7 7）DSTWU模型有四组模型设定参数：DSTWU 模型参数（8 8）由精馏塔分离某泡点混合物，已知该进料组成：丙烷5kmol/h，异丁烷10kmol/h，丁烷30kmol/h，2-甲 基 丁 烷 20kmol/h，戊 烷15kmol/h，己烷20kmol/h。分离要求：塔顶丁烷含量大于29.7248kmol/h，2-甲基丁烷含量小于0.2247kmol/h。要求塔顶采用全凝器，回流比为1.8，操作压力4.4atm。（物性方法PENG-ROB）DSTWU 应用示例(1)灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity 在在进进行行过过程程设设计计和和分分析析时时，常常常常需需要要了了解解某某些些过过程程变变量量受受其其它它过过程程变变量量影影响响的的敏敏感感程程度度，Aspen PLUS为为此此提提供供了了一一个个非非常常有有用用的的分分析析工工具具：模模型型分分析析工工具具(Model Analysis Tools)下的灵敏度下的灵敏度(Sensitivity)对象。对象。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(2)Sensitivity(3)创建灵敏度对象时，按以下步骤操作：创建灵敏度对象时，按以下步骤操作：1、从从数数据据浏浏览览器器右右侧侧的的对对象象管管理理器器(Object Manager)中中 点点 击击 新新 建建(New)按钮；按钮；2、在在弹弹出出对对话话框框中中为为新新对对象象指指定定一一个个辨识号辨识号(ID)；Sensitivity(4)步骤步骤步骤步骤1 1和步骤和步骤和步骤和步骤2 2：Sensitivity(5)3、在在 定定 义义(Define)表表 单单 中中 点点 击击 新新 建建(New)按按钮钮，创创建建灵灵敏敏度度对对象象所所需需的变量；的变量；4、在在弹弹出出对对话话框框中中输输入入新新变变量量的的变变量量名名(Variable name)；Sensitivity(6)步骤步骤步骤步骤3 3和步骤和步骤和步骤和步骤4 4：Sensitivity(7)5、在在变变量量定定义义(Variable Definition)对对话话框框中中的的下下拉拉式式选选择择框框中中选选择择变变量量的的类类别别(Category)、类类 型型(Type)、流流 股股(Stream)或或模模块块(Block)代代号号，并并指指定定具体变量具体变量(Variable)。Sensitivity(8)步骤步骤步骤步骤5 5：Sensitivity(9)可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：Sensitivity(10)步步骤骤6：在在变变化化(Vary)表表单单中中输输入入调调节节变变量量(Manupulated variable)的的类类型型、名名称称和和具具体体变变量量(variable),并并 指指 定定 体体 调调 节节 上上、下下 限限(Upper/Lower limits)和和 增增 量量(Incr)。Sensitivity(11)步骤步骤步骤步骤6 6：Sensitivity(12)步步骤骤7：在在列列表表(Tabulate)表表单单中中输输入入需需要要进进行行灵灵敏敏度度分分析析的的列列表表变变量量(Tabulated variable)或或组组合合变变量量的的表表达达式式(Expression)，以以及及列列表表时时的的列列序序号号(Column No.)。Sensitivity(13)步步步步骤骤骤骤7 7：Sensitivity(14)步骤步骤8：结果查看：结果查看 从从左左侧侧索索引引栏栏中中选选择择灵灵敏敏度度对对象象下下的的结结 果果(Results)项项 目目，右右 侧侧 的的 汇汇 总总(Summary)表表单单中中按按照照指指定定的的列列序序号号列列表表给出调节变量和列表变量的对应值。给出调节变量和列表变量的对应值。Sensitivity(15)步步步步骤骤骤骤8 8：变量关系图Plot 在在查查看看和和分分析析灵灵敏敏度度分分析析的的列列表表数数据据时时，用用图图形形描描述述的的函函数数关关系系曲曲线线常常常常能能让让我我们们更更直直观观和和全全面面地地了了解解过过程程变变量量间间的的依依赖赖趋趋势势，ASPTEN Plus为为此此提提供供了了绘绘图图(Plot)功功能能，可可以以将将列列表表数数据据中中的的任任意意两两列列绘绘制制成成XY曲曲线图。线图。变量关系图Plot（2）步骤步骤1：选择横坐标变量：选择横坐标变量 在在列列表表数数据据中中选选中中一一列列，从从窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里选选择择X轴轴变变量量(X-Axis Variable)；变量关系图Plot（3）变量关系图Plot（4）步骤步骤2：选择纵坐标变量：选择纵坐标变量 再再选选中中列列表表数数据据的的另另一一列列，从从窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里选选择择Y轴轴变量变量(Y-Axis Variable)；变量关系图Plot（5）变量关系图Plot（6）步骤步骤3：绘制曲线：绘制曲线 然然后后点点击击窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里的的显显示示绘绘图图(Display Plot),即可得到曲线图。即可得到曲线图。变量关系图Plot（7）变量关系图Plot（8）Distl 简捷精馏（操作）Distl 模块用 Edmister 方法计算给定精馏塔的操作结果。Distl 连接Distl 模块的连接图如下：Distl 模型参数在Specification表单中设定以下参数：理论板数 Number of stages 加料板位置 Feed stage 回流比 Reflux ratio 馏出物/进料摩尔比 Distillate to feed mole 冷凝器类型 Condenser type 冷凝器压强 Condenser pressure 再沸器压强 Reboiler pressureDistl 模型参数（2）Distl 计算结果计算给出以下模块信息：冷凝器热负荷 Condenser duty 再沸器热负荷 Reboiler duty 进料板温度 Feed stage temperature 塔顶温度 Top stage temperature 塔底温度 Bottom stage temperature 进料 q 值 Feed qualityDistl 计算结果计算结果（2 2）RadFrac 精密分离模块 RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。RadFrac 精密分离模块（2 2）RadFrac 连接 RadFrac 模块的连接图如下：简捷法计算得到的塔板数、回流比等能否达到分离要求。如果不能达到分离要求（轻重关键组分在塔顶的回收率分别为0.9908，0.01124），应如何解决？绘制曲线（轻重关键组分沿塔板液相组成变化趋势图，每块塔板的气体流率和液体流率变化趋势图）；计算进料液和塔顶、塔底产品的黏度；计算塔径。RadFrac 应用示例(1)进料状况On-stagenAbove-stage(default)n-1nVaporFeedn-1LiquidFeed 使用精馏塔（使用精馏塔（RADFRACRADFRAC）模块分离甲醇与）模块分离甲醇与水的混合物。进料组成为水水的混合物。进料组成为水63.2%63.2%（质量分数）（质量分数），甲醇，甲醇36.8%36.8%，总流率，总流率120000lb/h120000lb/h，压力，压力18psi18psi，饱和液体进料（进料的气相分率为，饱和液体进料（进料的气相分率为0 0）。精）。精馏塔有馏塔有3838块塔板，进料位置在块塔板，进料位置在2323块板（注意，块板（注意，根据根据Aspen PlusAspen Plus的定义，冷凝器为第一块板，的定义，冷凝器为第一块板，所以进料板应该是第所以进料板应该是第2424块）。塔顶压力为块）。塔顶压力为15.5psi15.5psi，每块板的压力降为，每块板的压力降为0.1psi0.1psi，塔顶为全，塔顶为全凝器，蒸出流率为凝器，蒸出流率为1245lbmol/h1245lbmol/h，回流比为，回流比为1.31.3。物性方法为。物性方法为NRTLNRTL。RadFrac 应用示例(2)问题：问题：1.1.求再沸器的热负荷和冷凝器的冷量。求再沸器的热负荷和冷凝器的冷量。2.2.满足以下设计规定时，求再沸器的热负荷和冷凝器的满足以下设计规定时，求再沸器的热负荷和冷凝器的冷量。冷量。质量指标：甲醇在塔顶馏出物的质量纯度质量指标：甲醇在塔顶馏出物的质量纯度99.95%99.95%；水在塔釜馏出物的质量纯度水在塔釜馏出物的质量纯度99.90%99.90%。调节变量：塔顶馏出物流量调节变量：塔顶馏出物流量8001700lbmol/h;8001700lbmol/h;摩尔回流比摩尔回流比0.820.82。3.3.对于同样的设计规定，给定每块塔板的默弗里效率为对于同样的设计规定，给定每块塔板的默弗里效率为65%65%，假设再沸器的板效率为，假设再沸器的板效率为90%90%，求此时再沸器的，求此时再沸器的热负荷和冷凝器的冷量。热负荷和冷凝器的冷量。4.4.完成全塔的尺寸计算，塔为泡罩塔，求出塔的直径。完成全塔的尺寸计算，塔为泡罩塔，求出塔的直径。RadFrac 应用示例(2)RadFrac 设计规定RadFrac 模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(Design Specs)和变化(Vary)两组对象进行设定。可以设置多个设计规定对象和多个变化对象，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。RadFrac 设计规定(2)(2)RadFrac 设计规定对象 设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标 1、规定 (Specification)2、组分 (Components)3、进料/产物流股 (Feed/Product Streams)RadFrac设计规定对象 (2)(2)RadFrac设计规定对象 (3)(3)在规定表单中输入以下指标在规定表单中输入以下指标 1、类型、类型 (Type)有有36种变量类型共选用种变量类型共选用 2、目标、目标 (Target)设定规定变量的目标值设定规定变量的目标值 3、流股类型、流股类型 (Stream type)产物产物(Product)/内部内部(Internal)/倾析倾析 器器(Decanter)RadFrac设计规定对象 (4)(4)RadFrac设计规定对象 (5)(5)在在组组分分表表单单中中输输入入定定义义目目标标值值的的组组分分(Components)（分分子子）和和基基准准组组分分(Base Components)（分分母母）。从从左左侧侧可可用用组组分分(Available components)框框中中选选择择需需用用组组分分到到右右侧侧的的选选用用组组分分(Selected Components)框中框中.RadFrac设计规定对象 (6)(6)RadFrac设计规定对象 (7)(7)在在进进料料/产产物物流流股股表表单单中中选选择择定定义义设设计计规规定定目目标标值值的的流流股股名名称称.RadFrac设计规定对象 (8)(8)RadFrac 报告选项 报报告告（Report）中中有有一一项项对对塔塔板板设设计计非非常常重重要要，即即性性质质选选项项（Property options）里里的的包包括括水水力力学学参参数数（Include hydraulic parameters）选选项项。另另外外剖剖形形选选项项（Profile options）里里包包括括哪哪些些塔塔板板（Stages to be included in report）也也很很有有用。用。RadFrac 报告选项（2 2）RadFrac 报告选项（3 3）RadFrac 报告选项（4 4）选选 择择 了了 包包 括括 水水 力力 学学 参参 数数（Include hydraulic parameters）选选项项后后，剖剖形形结结果果中中将将给给出出指指定定塔塔板板上上的的汽汽、液液两两相相的的体体积积流流量量、密密度度、粘粘度度和和表表面面张张力力等等塔塔板板设设计计所所需的参数。需的参数。RadFrac 报告选项（5 5）RadFrac 吸收计算RadFrac 模块用于吸收计算时，模块用于吸收计算时，1）在在Configuration表单中将表单中将冷凝器冷凝器和再沸器类型选为和再沸器类型选为“None”；2）在在Streams表表单单中中将将塔塔底底气气体体进进料料板板位位置置设设为为塔塔板板总总数数加加 1，并并将将加加 料料 规规 则则 (Convention)设设 为为 “Above-Stage”；RadFrac 吸收计算(2)(2)RadFrac 吸收计算(3)(3)RadFrac 吸收计算(4)(4)在收敛在收敛（Convergence）项目中将项目中将1、基本、基本(Basic)表单里的算法表单里的算法(algorithm)设置为设置为“Standard”，并将最大迭代，并将最大迭代次数次数(maximum iterations)设置为设置为200;2、将将高高级级(Advance)表表单单里里的的第第一一栏栏吸吸收器收器(Absorber)设置为设置为“yes”。RadFrac 吸收计算(5)(5)RadFrac 吸收计算(6)(6)Extract连续萃取塔Extract 连接 Extract模块的连接图如下：模块的连接图如下：