ASPEN讲义南京化工大学Separation

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,44,页,平衡级分离模型,2006,年,8,月,ASPEN PLUS,入门,1,ASPEN PLUS的单元操作模型（1）,类型,模型,说明,混合器,/,分流器,Mixer,Fsplit,Ssplit,物流混合,物流分流,子物流分流,分离器,Flash2,Flash3,Decanter,Sep,Sep2,双出口闪蒸,三出口闪蒸,液,-,液倾析器,多出口组分分离器,双出口组分分离器,换热器,Heater,HeatX,MHeatX,Hetran,Aerotran,加热器,/,冷却器,双物流换热器,多物流换热器,与,BJAC,管壳式换热器的接口程序,与,BJAC,空气冷却换热器的接口程序,塔,DSTWU,Distl,RadFrac,Extract,MultiFrac,SCFrac,PetroFrac,Rate-Frac,BatchFrac,简捷蒸馏设计,简捷蒸馏核算,严格蒸馏,严格液,-,液萃取器,复杂塔的严格蒸馏,石油的简捷蒸馏,石油的严格蒸馏,非平衡级连续蒸馏,严格的间歇蒸馏,ASPEN PLUS的单元操作模型（2）,类型,模型,说明,反应器,REquil,RStoic,RYield,Rgibbs,RCSTR,RPlug,RBatch,平衡反应器,化学计量反应器,收率反应器,平衡反应器,连续搅拌罐式反应器,活塞流反应器,间歇反应器,压力变送器,Pump,Compr,Mcompr,Pipeline,Pipe,Valve,泵,/,液压透平,压缩机,/,透平,多级压缩机,/,透平,多段管线压降,单段管线压降,严格阀压降,手动操作器,Mult,Dupl,ClChong,物流倍增器,物流复制器,物流类变送器,ASPEN PLUS的单元操作模型（3）,类型,模型,说明,固体,Crystallizer,Crusher,Screen,FabFl,Cyclone,Vscrub,ESP,HyCyc,CFuge,Filter,SWash,CCD,除去混合产品的结晶器,固体粉碎器,固体分离器,滤布过滤器,旋风分离器,文丘里洗涤器,电解质沉降器,水力旋风分离器,离心式过滤器,旋转真空过滤器,单级固体洗涤器,逆流倾析器,用户模型,User,User2,用户提供的单元操作模型,用户提供的单元操作模型,第四章,多组分平衡级分离过程计算,4.1,多组分单级分离过程,4.2,多组分多级分离塔的简捷计算,4.3,多组分多级分离塔的严格计算,4.1 ASPEN PLUS的闪蒸模型,根据规定进行相平衡闪蒸计算,绝热、等温、恒温恒压露点或泡点闪蒸计算；,计算混合物的露点可以设置气相摩尔分率为,1,；,计算混合物的泡点可以设置气相摩尔分率为,0,；,据此可以确定具有一个或多个入口物流的混合物的热状态和相态。,通常要固定入口物流的热力学状态必须规定：,温度、压力、热负荷和气相摩尔分率中的任意两项。,需要注意的是，在闪蒸模型中不允许同时规定热负荷和气相摩尔分率。,闪蒸模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器。,ASPEN PLUS的闪蒸模型,Flash2,Flash3,ASPEN PLUS的闪蒸计算示例,例,4-1,：乙醇水溶液的摩尔组成为,20%,乙醇和,80%,水，试确定该混合物在,1.0,、,1.5,、,2.0,和,2.5 atm,下的泡点温度和露点温度。热力学模型采用,UNIQUAC,模型。,例,4-2,：摩尔组成分别为,50/50,的正戊烷和正己烷混合物在,55,和,510 kPa,条件下进入闪蒸罐，闪蒸压力为,95 kPa,，计算在,50,温度下达到平衡的气相和液相产品组成。热力学模型采用理想模型（,IDEAL,）。,ASPEN PLUS的闪蒸计算练习,练习4-1：在101.3 kPa下，对组成为45%（摩尔分数，下同）正己烷、25%正庚烷和30%正辛烷的混合物。（1）计算泡点和露点温度；（2）将此混合物在101.3 kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度和两相的组成。热力学模型采用理想模型（IDEAL）。,4.2 多组分多级分离塔的简捷计算,多组分精馏过程的近似设计算法常用于：,初步设计。,对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。,过程合成中寻找合理的分离顺序。,近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合适的设计变量数值和迭代变量初值。,当相平衡数据不够充分和可靠时，采用近似算法不比严格算法逊色。,近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用计算机进行数值求解也已广泛应用。,多组分精馏的FUG简捷计算法,多组分精馏的,FUG,简捷计算法（,FenskeUnderwood-Gilliland,）,用芬斯克（,Fenske,）公式估算最少理论板数和组分分配；,用恩特伍德（,Underwood,）公式估算最小回流比；,用吉利兰（,Gilliland,）图或相应的关系式估算实际回流比下的理论板数。,关键组分,所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组分,),，它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的（即是应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重要作用。,这两组分中挥发度大的称为,轻关键组分,，挥发度小的称为,重关键组分,，它们各自在塔顶或塔底的含量必须加以控制，以保证分离后产品的质量。,关键组分,例如，石油裂解气分离中的,C2-C3,塔，其进料组成中有甲烷、乙烯、乙烷、内烯、丙烷和丁烷，分离要求规定塔釜中乙烷浓度不超过,0.1,，塔顶产品中丙烯浓度也不超过,0.1,，试问其轻重关键组分分别是哪两个,?,甲烷、乙烯沸点低于乙烷，若能将乙烷和丙烯分开，乙烷和比乙烷轻的组分必定从塔顶排出，同样，比丙烯重的组分则必定从塔釜徘出。因此，根据规定的分离要求，则能确定,乙烷是轻关键组分，而丙烯则是重关键组分,。,ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型,模型,描述,目的,用于,DSTWU,使用,WinnUnderwood- Gilliland,方法设计简捷法蒸馏,确定最小回流比、最小级数或者实际回流比、实际级数,一个进料物流和两个产品物流的塔,Distl,使用,Edmister,方法进行简捷法蒸馏核算,确定以回流比、级数、馏出与进料比为基准的分离程度,一个进料物流和两个产品物流的塔,SCFrac,复杂的多个石油分馏单元的简捷精馏,确定产品组成和流率、每段的级数、使用分馏指数的热负荷,复杂塔例如原油单元和减压塔,DSTWU-简捷法精馏设计,DSTWU,可对,一个带有分凝器或全凝器,、,一股进料,和,两种产品,的蒸馏塔进行简捷法设计计算。,DSTWU,假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度。,DSTWU,也估算适宜的进料位置、冷凝器和再沸器的热负荷，并产生一个可选的回流比级数的曲线图或表格。,DSTWU-简捷法精馏设计,规定,估计,/,结果,轻重关键组分的回收率,最小回流比和最小理论级数,理论级数,必需回流比,回流比,必需理论级数,DSTWU,使用这个方法,/,关联式,去估算,Winn,最小级数,Underwood,最小回流比,Gilliland,规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数,ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计示例,例,4-3,：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为,100 kmol/hr,，进料组成为：氢气,0.00014,、甲烷,0.00162,、乙烯,0.75746,、乙烷,0.24003,、丙烯,0.00075,（摩尔分数），进料流股压力为,18 atm,。要求乙烯在塔顶的收率达到,95%,，并且塔顶馏出物中乙烯纯度达到,99%,（摩尔分数）。塔顶设一全凝器，操作压力为,17.8 atm,，塔釜有再沸器，操作压力为,18.2 atm,，回流比为取,3,。试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。热力学模型选择,Peng-Robinson,方程。,ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计练习,练习题4-2：设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22 atm，进料为汽、液混合物，其中气相占60%，进料组成为甲烷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（摩尔分数），塔顶设一分凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔顶的收率不超过0.0175，确定该精馏塔的理论板数、回流比、塔顶和塔釜的采出量及换热器的热负荷。,4.3 多组分多级分离塔的严格计算,理论模型,MESH,方程,组分物料衡算（,M,）,相平衡关系（,E,）,各相的摩尔分数加和式（,S,）,热量衡算（,H,）,典型求解方法,方程解离法,同时校正法,内外法,ASPEN PLUS的严格蒸馏模型,模型,描述,目的,用于,RadFrac,严格分馏,执行各塔严格核算和设计计算,普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏,MultiFrac,严格法多塔精馏,对一些复杂的多塔执行严格核算和设计计算,热整合塔、空气分离塔、吸收,/,汽提塔组合、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合、石油炼制应用,PetroFrac,石油炼制分馏,对石油炼制应用中的复杂塔执行严格核算和设计计算,预闪蒸塔、常压原油单元、减压单元、催化裂化主分馏器、延迟焦化主分馏器、减压润滑油分馏器、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合,RateFrac,基于流率的蒸馏,对各塔和多塔执行严格核算与设计。基于非平衡级计算，不需要效率和,HETPs,。,蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系统、热整合单元、石油应用例如原油和减压单元、吸收,/,汽提塔组合,Extract,严格液,-,液萃取,使用一个溶剂模拟一个液体物流的逆流抽提,液,-,液抽提塔,RadFrac模拟的多级气-液精馏操作,一般精馏（,Ordinary distillation,）,吸收（,Absorption,）,再沸吸收（,Reboiled absorption,）,汽提（,Stripping,）,再沸汽提（,Reboiled stripping,）,萃取蒸馏（,Extractive distillation,）,共沸蒸馏（,A,zeotropic distillation,）,共沸蒸馏（,Reactive distillation,）,RadFrac 适用的体系,两相蒸馏体系（,Two-phase systems,）,三相蒸馏体系（,Three-phase systems,）,窄沸程和宽沸程体系（,Narrow and wide-boiling systems,）,液相具有非理想性强的体系（,Systems exhibiting strong liquid phase nonideality,）,游离水相或其它第二液相（,Free-water phase or other second liquid phase),RadFrac模拟发生化学反应的塔,固定转化率（,Fixed conversion,）,平衡反应（,Equilibrium,）,流率控制反应（,Rate-controlled,）,电解质反应（,Electrolytic,）,RadFrac流程的连接,算法,石油和石油化工应用,极宽沸程的混合物和,/,或许多组分和设计规定，使用,Sum-Rates,算法,高度非理想体系,当液相的非理想程度非常强，使用,Newton,算法,共沸蒸馏,吸收和汽提,使用,Sum-Rates,算法,深冷应用,求解策略,塔收敛,Inside-out,标准流率加和和非理想算法,MultiFrac,、,PetroFrac,和,Extract,模型,Napthali-Sandholm,Newton,算法,设计规定的收敛,设计规定嵌套循环收敛（适用于除,SUM-RATES,外的所有算法）,设计规定同时收敛（,Algorithm=SUM-RATES,，,NEWTON,）,RadFrac的两种计算模式,核算模式,计算：,温度,流率,摩尔分率分布,设计模式,计算：,满足塔的操作参数（例如纯度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要满足的规定,有广泛的设计和核算塔板及填料的能力,RadFrac模型的基本设置（1）,RadFrac模型的基本设置（2）,RadFrac模型的基本设置（3）,RadFrac模型的基本设置（4）,ASPEN PLUS的严格法精馏塔计算示例,例,4-4,：,根据上节例,4-3,所描述的问题，采用,DSTWU,简介设计模型确定的脱乙烷精馏塔理论板数、进料位置和回流比等参数，对该精馏塔采用,RADFRAC,严格模型进行核算。,例,4-5,：,根据例,4-4,，在其他条件不变的情况下，采用,RADFRAC,模型计算满足塔顶馏出物中乙烯摩尔分数达到,0.99,所需要的回流比。,ASPEN PLUS的严格法精馏塔计算练习,练习题4-3：设计一个甲醇精馏塔，进料中包含50 kmol/hr的甲醇和50 kmol/hr的水。采用回流比为1.5时，要求塔顶和塔底产物的纯度都达到99.5%。试确定精馏塔的理论板数、进料位置，以及精馏塔内的温度、汽液相流率和组成分布。并确定采用BX型填料的塔径。,精馏塔内件（塔板和填料）的设计与核算,板式塔和填料塔进行设计、核算以及执行压降计算的扩展功能：,TraySizing,（塔板设计）,TrayRating,（塔板核算）,PackSizing,（填料设计）,PackRating,（填料核算）,三个塔单元操作模型中是可用的：,RadFrac,MultiFrac,PetroFrac,板式塔类型,五种通用塔板类型中进行选择：,Bubble caps,（泡罩）,Sieve,（筛板）,Glitsch Ballast,（,Glitsch,重盘式塔板）,Koch Flexitray,（,Koch,轻便型浮阀塔板）,Nutter Float Valve,（,Nutter,浮阀塔板）,填料塔类型,各种各样的不规则填料,规则填料,Goodloe,Glitsch Grid,Norton Intalox Structured Packing,Sulzer BX,，,CY,，,Mellapak,Kerapak,、,Koch Flexipac,，,Flexeramic,，,Flexigrid,根据：,塔负荷、传输性质、塔板的几何数据、填料特性。,计算：,塔直径、液泛接近值或最大能力接近值、降液管滞留、压降,单通道塔板,双通道塔板,三通道塔板,四通道塔板,塔板和填料的设计与核算示例（1）,例,4-6,：,根据例,4-5,计算得到的精馏塔，增加填料信息：填料类型：,Sulzer CY Standard,；,HETP,：,0.2 m,；液泛因子：最大压降：,10 kPa,。试计算采用该种填料的填料塔信息。,塔板和填料的设计与核算示例（2）,例,4-7,：,根据例,4-5,计算得到的精馏塔，对浮阀塔进行核算，浮阀信息如下：,Tray type,：,Nutter float Valve BDH,Number of passes,：,1,Column diameter,：,0.7 m,Actual number of trays,：,34,Tray spacing,：,0.5 m.,Tray efficiency,：,0.5,Weir height,：,0.05 m,Valve density,：,129/sqm,Downcomer clearance,：,0.15 m,Side downcomer width,：,0.22 m,Center downcomer width,：,0.18 m,