ASPEN讲义南京化工大学SeparationPPT课件

平衡级分离模型平衡级分离模型汤吉海2006年8月ASPEN PLUSASPEN PLUS入门入门第1页/共44页ASPEN PLUS的单元操作模型（1） 类型类型模型模型说明说明混合器/分流器MixerFsplitSsplit物流混合物流分流子物流分流分离器Flash2Flash3DecanterSepSep2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HeaterHeatXMHeatXHetranAerotran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塔DSTWUDistlRadFracExtractMultiFracSCFracPetroFracRate-FracBatchFrac简捷蒸馏设计简捷蒸馏设计简捷蒸馏核算简捷蒸馏核算严格蒸馏严格蒸馏严格液严格液-液萃取器液萃取器复杂塔的严格蒸馏复杂塔的严格蒸馏石油的简捷蒸馏石油的简捷蒸馏石油的严格蒸馏石油的严格蒸馏非平衡级连续蒸馏非平衡级连续蒸馏严格的间歇蒸馏严格的间歇蒸馏第2页/共44页ASPEN PLUS的单元操作模型（2）类型类型模型模型说明说明反应器REquilRStoicRYieldRgibbsRCSTRRPlugRBatch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PumpComprMcomprPipelinePipeValve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MultDuplClChong物流倍增器物流复制器物流类变送器第3页/共44页ASPEN PLUS的单元操作模型（3）类型类型模型模型说明说明固体CrystallizerCrusherScreenFabFlCycloneVscrubESPHyCycCFugeFilterSWashCCD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UserUser2用户提供的单元操作模型用户提供的单元操作模型第4页/共44页第四章 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 第5页/共44页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。 第6页/共44页ASPEN PLUS的闪蒸模型Flash2Flash3第7页/共44页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、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）。 第8页/共44页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）。 第9页/共44页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。 第10页/共44页多组分精馏的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。 第11页/共44页关键组分 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。 第12页/共44页关键组分 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，塔顶产品中丙烯浓度也不超过，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。 第13页/共44页ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型 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第14页/共44页DSTWU-简捷法精馏设计 CDSTWU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。CDSTWU假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度。C 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。 第15页/共44页DSTWU-简捷法精馏设计规定规定估计估计/结果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使用这个方法使用这个方法/关联式关联式去估算去估算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第16页/共44页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、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯（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。第17页/共44页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、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷和正己烷（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，丁烷在塔顶的收率不超过，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。 第18页/共44页4.3 多组分多级分离塔的严格计算第19页/共44页理论模型 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 内外法第20页/共44页ASPEN PLUS的严格蒸馏模型模型模型描述描述目的目的用于用于RadFrac严格分馏严格分馏执行各塔严格核算和设计计执行各塔严格核算和设计计算算普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取普通蒸馏、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-液抽提塔第21页/共44页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（Azeotropic distillation） 共沸蒸馏（Reactive distillation）第22页/共44页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)第23页/共44页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 ）第24页/共44页RadFrac流程的连接 第25页/共44页算法 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 第26页/共44页求解策略 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） 第27页/共44页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第28页/共44页RadFrac模型的基本设置（1）第29页/共44页RadFrac模型的基本设置（2）第30页/共44页RadFrac模型的基本设置（3）第31页/共44页RadFrac模型的基本设置（4）第32页/共44页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所需要的回流比。 第33页/共44页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。 第34页/共44页精馏塔内件（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 第35页/共44页板式塔类型 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） 第36页/共44页填料塔类型 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第37页/共44页 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 第38页/共44页单通道塔板第39页/共44页双通道塔板第40页/共44页三通道塔板第41页/共44页四通道塔板第42页/共44页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。 第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页