第四讲 分离单元的仿真设计(一)

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,化工,CAD,基础,第四讲,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，,ASPTEN 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：,乙醇浓度达到,98%w,、,正丁醇含量不大于,1%w;,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。,