AspenPlus教程第7章分离单元模拟B详解.ppt

第7章分离单元模拟PartB 作者 武佳孙兰义 第7章分离单元模拟PartB 7 1概述7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU7 3精馏塔的简捷校核模块Distl7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac7 5塔板和填料的设计与校核7 6连续萃取模块Extract7 7吸收示例 7 1概述 DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块 针对相对挥发度近似恒定的物系开发 用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔 DSTWU模块用Winn Underwood Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU DSTWU模块计算精度不高 常用于初步设计 当存在共沸物时 计算结果可能会出现错误 DSTWU模块的计算结果可以为严格精馏计算提供合适的初值 通过Winn方程 之后Fenske对Winn方程进行了完善 计算最小理论板数 使用Underwood方程计算最小回流比 根据Gilliland关联图来确定操作回流比下的理论板数或一定理论板数下所需要的回流比 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 芬斯克 Fenske 方程 取平均相对挥发度 芬斯克方程 Nmin 包括再沸器 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 恩德伍德 Underwood 方程 式中 ij 相对挥发度 取塔顶和塔釜的平均值 第一式的根 其值介于轻 重关键组分的相对挥发度之间 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 吉利兰 Gilliland 关联图 吉利兰图 N Nmin 在R 全回流下所需理论板数 均不包括再沸器吉利兰图不能应用于非理想溶液的精馏计算 用8个物系 由逐板计算得出的结果绘制而成 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 吉利兰关联式 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU DSTWU模型的连接图如下 DSTWU模块有四组模块设定参数 1 塔设定 Columnspecifications 2 关键组分回收率 Keycomponentrecoveries 3 压力 Pressure 4 冷凝器设定 Condenserspecifications 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 1 塔板数 Numberofstages 2 回流比 Refluxratio 回流比与理论板数仅允许规定一个选择规定回流比时输入值 0 表示实际回流比输入值 1 其绝对值表示实际回流比与最小回流比的比值 Specifications 塔设定 Columnspecifications 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU Specifications 关键组分回收率 Keycomponentrecoveries 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 1 轻关键组分 Lightkey 在塔顶产品中的摩尔回收率塔顶产品中的轻关键组分摩尔流率 进料中的轻关键组分摩尔流率 2 重关键组分 Heavykey 在塔顶产品中的摩尔回收率塔顶产品中的重关键组分摩尔流率 进料中的重关键组分摩尔流率 Specifications 压力 Pressure 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 冷凝器压力 Condenser 再沸器压力 Reboiler Specifications 冷凝器设定 Condenserspecifications 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 全凝器 Totalcondenser 带气相塔顶产品的部分冷凝器 Partialcondenserwithallvapordistillate 带气 液相塔顶产品的部分冷凝器 Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate DSTWU模块的模拟结果可给出 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 最小回流比 Mimimumrefluxratio 最小理论板数 Mimimumnumberofstages 实际回流比 Actualrefluxratio 实际理论板数 Numberofactualstages 进料位置 Feedstage 冷凝器负荷 Condensercoolingrequired 再沸器负荷 Reboilerheatingrequired 等参数 DSTWU模块有两个计算选项 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 生成回流比随理论板数变化表 Blocks DSTWU Input CalculationOptions下的Generatetableofrefluxratiovsnumberoftheoreticalstages选项 计算等板高度 Blocks DSTWU Input CalculationOptions下的CalculateHETP选项 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU DSTWU模块有两个计算选项 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 回流比随理论板数变化表对选取合理的理论板数很有参考价值 在实际回流比对理论板数 Tableofactualrefluxratiovsnumberoftheoreticalstages 一栏中输入要分析的理论板数的初始值 Initialnumberofstages 终止值 Finalnumberofstages 并输入理论板数变化量 Incrementsizefornumberofstages 或者要分析的理论板数个数 Numberofvaluesintable 据此可以计算出不同理论板数下的回流比 Refluxratioprofile 并可以绘制回流比 理论板数关系曲线 例7 1 7 2精馏塔的简捷设计模块DSTWU 简捷法设计乙苯 苯乙烯精馏塔 冷凝器压力为6kPa 再沸器压力为14kPa 进料量为12500kg hr 温度45 压力101 325kPa 质量组成为乙苯0 5843 苯乙烯0 415 焦油0 0007 本题采用正十七烷表示焦油 塔顶为全凝器 回流比为最小回流比的1 2倍 要求塔顶产品中乙苯含量不低于99 w 塔底产品中苯乙烯含量不低于99 7 w 用PENG ROB物性方法 求最小回流比 最小理论板数 实际回流比 实际理论板数 进料位置以及塔顶产品与进料摩尔流率比 生成回流比随理论板数变化表并作图 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl Distl模块可对带有一股进料和两股产品的简单精馏塔进行简捷校核计算 此模块用Edmister方法计算精馏塔的产品组成 Distl模块的连接图如图所示 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl Distl模块Specifications页面有两组模块设定参数 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl Distl模块Specifications页面有两组模块设定参数 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl 1 塔设定 Columnspecifications 包括理论板数 Numberofstages 进料位置 Feedstage 回流比 Refluxratio 塔顶产品与进料的摩尔流率比 Distillatetofeedmoleratio 冷凝器形式 Condensertype 2 压力设定 Pressurespecifications 包括冷凝器压力 再沸器压力 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl Distl模块Results页面给出 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl Distl模块Results页面给出 冷凝器热负荷 Condenserduty 再沸器热负荷 Reboilerduty 进料板温度 Feedstagetemperature 塔顶温度 Topstagetemperature 塔底温度 Bottomstagetemperature 等 例7 2 7 3精馏塔的简捷校核模块Distl 用简捷法校核乙苯 苯乙烯精馏塔 进料条件与例7 1相同 冷凝器 全凝 压力为6kPa 再沸器压力为14kPa 实际回流比为5 11 理论板数为65 包括全凝器和再沸器 进料位置为25 塔顶产品与进料摩尔流率比 Distillatetofeedmoleratio 为0 5853 用PENG ROB物性方法 求冷凝器及再沸器的热负荷 塔顶产品及塔底产品的质量纯度 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac RadFrac模块可对下述过程做严格模拟计算 普通精馏 吸收 汽提 萃取精馏 共沸精馏 反应精馏 包括平衡反应精馏 速率控制反应精馏 固定转化率反应精馏和电解质反应精馏 三相 汽 液 液 精馏 RadFrac适用于两相体系 三相体系 窄沸点和宽沸点物系以及液相表现为强非理想性的物系 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac RadFrac的连接图如图所示 RadFrac模型具有以下设定表单 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 配置 Configuration 2 流股 Streams 3 压力 Pressure 4 冷凝器 Condenser 5 热虹吸再沸器设置 ThermosiphonConfig 6 再沸器 Reboiler 7 三相 3 Phase 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 计算类型 Calculationtype 平衡级模型 Equilibrium 和非平衡级模型 Rate Based 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 2 板数 Numberofstages 可以是理论板数也可以是实际塔板数 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 3 冷凝器 Condenser 全凝器 Total 部分冷凝器 气相塔顶产品 Partial Vapor 部分冷凝器 气相和液相塔顶产品 Partial Vapor Liquid 无冷凝器 None 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 4 再沸器 Reboiler 釜式再沸器 Kettle 热虹吸式再沸器 Thermosiphon 无再沸器 None 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 5 有效相态 Validphases 汽 液 Vapor Liquid 汽 液 液 Vapor Liquid Liquid 汽 液 冷凝器游离水 Vapor Liquid FreeWaterCondenser 汽 液 任意塔板游离水 Vapor Liquid FreeWaterAnyStage 汽 液 冷凝器富水相 Vapor Liquid DirtyWaterCondenser 汽 液 任意塔板富水相 Vapor Liquid DirtyWaterAnyStage 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 6 收敛方法 标准方法 Standard 石油 宽沸程物系 Petroleum Wide boiling 强非理想液体 Stronglynon idealliquid 共沸物系 Azeotropic 深冷体系 Cryogenic 用户自定义 Custom 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 配置 Configuration 设置选项 Setup0ptions 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 配置 Configuration 操作规定 Operatingspecifications 1 配置 Configuration 操作规定 Operatingspecifications 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 2 流股 Streams 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 2 流股 Streams 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 进料流股 FeedStreams 指定每一股进料的加料板位置在级上方进料 Above Stage 在级上进料 On Stage 气相进料在级上 Vapor 液相进料在级上 Liquid 进料进入到分相器中 Decanter 2 产品流股 ProductStreams 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量 3 压力 Pressure 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 3 压力 Pressure 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 塔顶 塔底 Top Bottom 用户可以仅指定第一块板压力 此时代表全塔无压降 当塔内存在压降时 用户需指定第二块板压力或冷凝器压降 同时还可以指定单板压降或是全塔压降 塔内压力分布 Pressureprofile 指定某些塔板压力 塔段压降 Sectionpressuredrop 指定每一塔段的压降 4 冷凝器 Condenser 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 冷凝器设置 Condenserspecification 仅仅应用于部分冷凝器只需指定冷凝温度 Temperature 和蒸汽分率 DistillatevaporFraction 两个参数之一 4 冷凝器 Condenser 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 4 冷凝器 Condenser 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 2 过冷设置 Subcoolingspecification 过冷液温度 Subcooledtemperature 或过冷度 Degreesofsubcooled 回流物和馏出物都过冷 Bothrefluxandliquiddistillatearesubcooled 或仅仅回流物过冷 Onlyrefluxissubcooled 4 冷凝器 Condenser 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 5 热虹吸再沸器设置 ThermosiphonConfig 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 热虹吸式再沸器被模拟为一个带加热器的进出底部级的中段回流 如图所示 在默认情况下RadFrac使用On Stage进料方式使再沸器的出口返回到最后一级上 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 5 热虹吸再沸器设置 ThermosiphonConfig 关于热虹吸式再沸器理论板数的确定 可参照下图 6 再沸器 Reboiler 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 6 再沸器 Reboiler 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 釜式再沸器 Kettle 热虹吸式再沸器 Thermosiphon 无再沸器 None 如选用了热虹吸再沸器 则需要指定以下参数 1 指定再沸器流量 Specifyreboilerflowrate 2 指定再沸器出口条件 Specifyreboileroutletcondition 3 同时指定流量和出口条件 Specifybothflowandoutletcondition RadFrac的计算结果从三部分查看 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 结果简汇 Resultssummary 结果简汇给出塔顶 冷凝器 和塔底 再沸器 的温度 热负荷 流量 回流比和上升蒸汽比等参数 以及每一组份在各出塔物流中的分配比率2 分布 Profiles 分布剖形给出塔内各塔板上的温度 压力 热负荷 相平衡参数 以及每一相态的流量 组成和物性 据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置3 流股结果 Streamresults 例7 3 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在例7 1简捷设计的基础上 对乙苯 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算 进料条件 冷凝器形式 冷凝器压力 再沸器压力 产品纯度要求与例7 1相同 塔顶压力6 7kPa 再沸器采用釜式再沸器 物性方法采用PENG ROB 1 根据例7 1的设计结果 利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度 2 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷 3 在满足产品纯度的基础上 绘制塔内温度分布曲线 塔内液相质量组成分布曲线 4 在满足产品纯度的基础上 分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响 5 求达到分离要求的最小回流比 6 求达到分离要求的最小理论板数 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac RadFrac模块不仅可以进行校核计算 也可以进行设计计算 RadFrac模型带有内部的设计规定功能 通过设计规定 DesignSpecs 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 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在Blocks RADFRAC DesignSpecs ObjectManager页面做设计规定 设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标1 规定 Specifications 2 组分 Components 3 进料 产物流股 Feed ProductStreams 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在Blocks RADFRAC Vary 1 Specifications页面设置操纵变量 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在进行精馏塔的设计规定时 可考虑以下几点 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 1 与规定热负荷相比 优先考虑规定流率 尤其是对于宽沸程物系 2 规定塔顶产品或塔底产品与进料的流率比 Distillate orBottoms tofeedratio 是一种很有效的方法 特别是在进料流率不明确的情况下 与规定产品流率相比 塔顶产品与进料流率比 Distillatetofeedratio 或塔底产品与进料的流率比 Bottomstofeedratio 的值和边界条件更容易估计 规定塔顶产品或塔底产品与进料的流率比适合进行流率灵敏度分析的场合 在进行精馏塔的设计规定时 可考虑以下几点 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 3 当两个规定等价时 优先考虑数值较小者 如果没有侧线抽出 塔顶采出与塔底采出等价 应优先设定数值较小者 一般情况下 设定下面参数中数值较小者 回流量 Refluxrate 或再沸量 Boiluprate 回流比 Refluxratio 或再沸比 Boilupratio 塔顶产品流率 Distillaterate 或塔底产品流率 Bottomsrate 塔顶产品与进料流率比 Distillatetofeedratio 或塔底产品与进料流率比 Bottomstofeedratio 例7 3 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在例7 1简捷设计的基础上 对乙苯 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算 进料条件 冷凝器形式 冷凝器压力 再沸器压力 产品纯度要求与例7 1相同 塔顶压力6 7kPa 再沸器采用釜式再沸器 物性方法采用PENG ROB 1 根据例7 1的设计结果 利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度 2 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷 3 在满足产品纯度的基础上 绘制塔内温度分布曲线 塔内液相质量组成分布曲线 4 在满足产品纯度的基础上 分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响 5 求达到分离要求的最小回流比 6 求达到分离要求的最小理论板数 可利用绘图向导 PlotWizard 生成塔内温度分布曲线和组成分布曲线 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac AspenPlus可生成的12种图形 分别为温度 Temp 组成 Comp 流率 FlowRate 压力 Pressure K值 K Values 相对挥发度 RelVol 分离因子 SepFactor 流率比 FlowRatio T H CGCC T H 总组合曲线 S H CGCC S H 总组合曲线 水力学分析 Hydraulics 有效能损失曲线 Exergy 后四种图用于精馏塔的热力学分析和水力学分析 例7 3 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在例7 1简捷设计的基础上 对乙苯 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算 进料条件 冷凝器形式 冷凝器压力 再沸器压力 产品纯度要求与例7 1相同 塔顶压力6 7kPa 再沸器采用釜式再沸器 物性方法采用PENG ROB 1 根据例7 1的设计结果 利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度 2 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷 3 在满足产品纯度的基础上 绘制塔内温度分布曲线 塔内液相质量组成分布曲线 4 在满足产品纯度的基础上 分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响 5 求达到分离要求的最小回流比 6 求达到分离要求的最小理论板数 例7 3 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在例7 1简捷设计的基础上 对乙苯 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算 进料条件 冷凝器形式 冷凝器压力 再沸器压力 产品纯度要求与例7 1相同 塔顶压力6 7kPa 再沸器采用釜式再沸器 物性方法采用PENG ROB 1 根据例7 1的设计结果 利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度 2 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷 3 在满足产品纯度的基础上 绘制塔内温度分布曲线 塔内液相质量组成分布曲线 4 在满足产品纯度的基础上 分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响 5 求达到分离要求的最小回流比 6 求达到分离要求的最小理论板数 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 例7 3 7 4精馏塔的严格计算模块RadFrac 在例7 1简捷设计的基础上 对乙苯 苯乙烯精馏塔进行严格核算和设计计算 进料条件 冷凝器形式 冷凝器压力 再沸器压力 产品纯度要求与例7 1相同 塔顶压力6 7kPa 再沸器采用釜式再沸器 物性方法采用PENG ROB 1 根据例7 1的设计结果 利用RadFrac模块计算塔顶及塔底产品的质量纯度 2 求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶产品流率以及冷凝器和再沸器的热负荷 3 在满足产品纯度的基础上 绘制塔内温度分布曲线 塔内液相质量组成分布曲线 4 在满足产品纯度的基础上 分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响 5 求达到分离要求的最小回流比 6 求达到分离要求的最小理论板数 AspenPlus中板式塔的效率有3种 7 5塔板和填料的设计与校核 1 全塔效率 Overallsectionefficiency 为完成一定分离任务所需的理论板数和实际板数之比称为全塔效率 在Blocks RADFRAC TrayRating 1 Setup Design Pdrop页面设置 7 5塔板和填料的设计与校核 2 汽化效率 Vaporizationefficiencies 指气相经过一层实际塔板后的组成与设想该板为理论板的组成的比值 在Blocks RADFRAC Efficiencies页面设置 3 默弗里效率 Murphreeefficiencies 严格说指的是气相默弗里板效率 即气相经过一层实际塔板前后的组成变化与设想该板为理论板前后的组成变化的比值 在Blocks RADFRAC Efficiencies页面设置 塔板设计 7 5塔板和填料的设计与校核 塔板设计 Traysizing 计算给定板间距下的塔径 可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板 在Specification表单中输入该塔段 Trayedsection 的起始塔板 Startingstage 和结束塔板 Endingstage 序号 塔板类型 Traytype 塔板流型程数 Numberofpasses 以及板间距 Trayspacing 等几何结构 Geometry 参数 塔板设计 结果 Results 中给出计算得到的塔内径 Columndiameter 对应最大塔内径的塔板序号 Stagewithmaximumdiameter 降液管截面积 塔截面积 Downcomerarea Columnarea 侧降液管流速 Sidedowncomervelocity 侧堰长 Sideweirlength 7 5塔板和填料的设计与校核 塔板校核 塔板核算 Trayrating 计算给定结构参数的塔板的负荷情况 可供选用的塔板类型与 塔板设计 中相同 输入参数除了从 塔板设计 得到的之外 还应补充塔盘厚度 Deckthickness 和溢流堰高度 Weirheights 多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高 塔板设计 与 塔板核算 配合使用 可以完成塔板选型和工艺参数设计 7 5塔板和填料的设计与校核 塔板核算 有三个参数应重点关注1 最大液泛因子 Maximumfloodingfactor 应该小于0 8 2 塔段压降 Sectionpressuredrop 3 最大降液管液位 板间距 Maximumbackup Trayspacing 应该在0 25 0 5之间 7 5塔板和填料的设计与校核 塔板类型提供了五种塔板供选用 7 5塔板和填料的设计与校核 1 泡罩塔板 BubbleCap 2 筛板 Sieve 3 浮阀塔板 GlistchBallast 4 弹性浮阀塔板 KochFlexitray 5 条形浮阀塔板 NutterFloatValve 7 5塔板和填料的设计与校核 泡罩塔板 筛板 7 5塔板和填料的设计与校核 ValvetypeA ValvetypeT ValvetypeTO ValvetypeBDH 浮阀 填料设计 7 5塔板和填料的设计与校核 填料设计 Packsizing 计算选用某种填料时的塔内径 在Specification表单中输入填料类型 Type 生产厂商 Vendor 材料 Material 板材厚度 Sheetthickness 尺寸 Size 等板高度 Heightequivalenttoatheoriticalplate 等参数 填料核算 7 5塔板和填料的设计与校核 填料核算 Packrating 计算给定结构参数的填料的负荷情况 可供选用的填料类型与 填料设计 中相同 填料设计 与 填料核算 配合使用 可以完成填料选型和工艺参数设计 以下是5种典型的散堆填料 7 5塔板和填料的设计与校核 1 拉西环 RASCHIG 2 鲍尔环 PALL 3 阶梯环 CMR 4 矩鞍环 INTX 5 超级环 SUPERRING 拉西环环矩鞍矩鞍环阶梯环鲍尔环 以下是5种典型的规整填料 7 5塔板和填料的设计与校核 1 带孔板波填料 MELLAPAK 2 带孔网波填料 CY 3 带缝板波填料 RALU PAK 4 陶瓷板波填料 KERAPAK 5 格栅规整填料 FLEXIGRID MELLAPAK BXorCY mellagrid 例