第四章-多组分平衡级分离过程计算.ppt

ASPENPLUS的单元操作模型 1 p182 ASPENPLUS的单元操作模型 2 ASPENPLUS的单元操作模型 3 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核算型 精馏塔参数 分离性能 设计型 分离性能 精馏塔结构尺寸 4 1多组分单级分离过程 闪蒸 闪蒸 连续单级蒸馏过程 使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体 闪蒸过程的数学模型 组分物料衡算式 ComponentMassBalance 相平衡关系式 Equilibrium 摩尔分数加和式 Summations 热量衡算式 Heatbalance 其他关联式 相平衡常数 Ki 气相摩尔焓 HV 液相摩尔焓 HL 常见的闪蒸计算类型 ASPENPLUS的闪蒸计算模型 Flash2 Flash3 ASPENPLUS的闪蒸模型 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 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 例4 2 P127 摩尔组成分别为50 50的正戊烷和正己烷混合物在55 和510kPa条件下进入闪蒸罐 闪蒸压力为95kPa 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 露点或泡点计算 露点或泡点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 例4 1 P125 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 5atm下的泡点温度和露点温度 热力学模型采用UNIQUAC模型 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 Fenske Underwood 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 Example 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 ASPENPLUS中的简捷法精馏塔设计模型 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 ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计 示例 例4 3 P135 设计一个脱乙烷精馏塔 进料流量为100kmol 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18atm 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 8atm 塔釜有再沸器 操作压力为18 2atm 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 ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计 练习 练习题4 2 P141 设计一个丙烷精馏塔 操作平均压力为22atm 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 17 正戊烷0 11和正己烷0 12 摩尔分数 塔顶设一全凝器 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 简单回顾 MESH方程 P143 组分物料衡算 M N c个方程 相平衡关系 E N c个方程 各相的摩尔分数加和式 S 2N个方程 热量衡算 H N个方程 典型求解方法方程解离法 典型代表为泡点法 BP法 和流率加和法 SR法 同时校正法 Naphtali Sandholm同时校正法 NS SC 和Goldstein Stanfield同时校正法 GS SC 内外法 Boston和Sullivan提出 ASPENPLUS的严格蒸馏模型 RadFrac模拟的多级气 液精馏操作 一般精馏 Ordinarydistillation 吸收 Absorption 再沸吸收 Reboiledabsorption 汽提 Stripping 再沸汽提 Reboiledstripping 萃取蒸馏 Extractivedistillation 共沸蒸馏 Azeotropicdistillation 反应蒸馏 Reactivedistillation RadFrac适用的体系 两相蒸馏体系 Two phasesystems 三相蒸馏体系 Three phasesystems 窄沸程和宽沸程体系 Narrowandwide boilingsystems 液相具有非理想性强的体系 Systemsexhibitingstrongliquidphasenonideality 游离水相或其它第二液相 Free waterphaseorothersecondliquidphase RadFrac模拟发生化学反应的塔 固定转化率 Fixedconversion 平衡反应 Equilibrium 速率控制反应 Rate controlled 电解质反应 Electrolytic RadFrac流程的连接 Connectivity 进料流股 Feeds 侧线流股 Side draws 换热器 Heaters 倾析器 Decanters 泵循环 Pumparounds Radfrac可以灵活配置包含任意下列项的塔 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 配置设定 ConfigurationSpecification 塔板数 Numberofstages 冷凝器和再沸器 Condenserandreboiler 操作设定参数 Operatingspecifications 默认 Distillaterateandrefluxratio有效相态 Validphases 收敛方法 Convergence 收敛 Convergence RadFrac提供了一系列收敛技术 均包括收敛算法 convergencealgorithm 和初始化方法 initializationmethod RadFrac模型的基本设置 3 流股规定 进料板位置进料物流规则ABOVE STAGEON STAGE塔顶和塔釜产品流股侧线流股 Sideproducts ABOVE STAGE 从进料物流来的气体进入进料板上一层塔板液体进入进料板位置ON STAGE 来自进料的气体和液体都进入进料板位置 RadFrac模型的基本设置 4 压力分布规定下列项之一 塔顶 塔底压力 Top Bottompressure 塔压力分布 Pressureprofile 塔段压降 Sectionpressuredrop RadFrac模型的设置 5 其它选项若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔 则在RadFracSetupConfiguration页面上设置冷凝器和再沸器为none在RadFracEfficiencies表页上能够规定按一个理论级基准或组分基准的汽化效率或Murphree效率能够进行板式塔或填料塔的设计和核算如果用户选择汽 液 液作为有效相 也可以模拟第二液相能够生成再沸器和冷凝器的热曲线 绘图向导 PlotWizard 用绘图向导 在Plot菜单上PlotWizard 能立即生成模拟结果的曲线图 你能用绘图向导显示如下操作的结果 所有分离模型RadFrac MultiFrac PetroFrac和RateFrac的数据分布物性分析数据回归分析 点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图向导引导你执行生成图表的基本操作在Next 按钮上点击继续点击Finish按钮按缺省设置生成图 ColumnPerformanceSpecifications Ratingvs DesignSimulatingacolumnwithfixedoperatingconditionsiscalled Rating Manipulatingoperatingconditionstoachievesomeoverallresultiscalled Design InternalorExternaldesignspecificationsDesignSpecificationwithinRadFraccanbeusedtomanipulateoperatingconditionstoachievespecificationsonpurity recovery etc Flowsheet levelDesignSpecificationsmustbeusedtovarythenumberofstagesorfeedlocations RadFracDesignSpecifications RadFracinternaldesignspecificationscanbeusedtoaltercolumnoperatingconditionsandfeedflowstomeetdesignspecificationsTheDesignSpecsformsareusedtoenterthedesiredperformancespecificationsTheVaryformsareusedtospecifytheadjustedvariablesRadFracinternaldesignspecificationareconvergedwiththecolumn therefore theygenerallyconvergemuchfasterthanflowsheet leveldesignspecifications AllowedDesignSpecifications 1 PurityofanystreamOnamole mass orstandardvolumebasisForanycomponent orgroupofcomponents RecoveryOfanycomponent orgroupofcomponents Inanyproductstream orsetofproductstreams Relativetothesamecomponentsinanyfeedstream orstreams TemperatureofanystageCondenserorReboilerduty AllowedDesignSpecifications 2 FlowOfanycomponentorgroupofcomponentsInanyproductorinternalstreamFlowratioOfanycomponentorgroupofcomponentsInanyproductorinternalstreamToanyproductorinternalstreamPropertyvalueforanyinternalorproductstream density viscosity etc DifferenceorratioofpairofpropertyvaluesForanypairofinternalorproductstreams AllowedManipulatedVariables 1 Tomanipulateavariable itmusthavebeenenteredasaninitialcolumnspecificationColumnoperatingconditionsDistillateorBottomsrateDistillatetofeedorBottomstofeedratioRefluxorBoiluprateRefluxorBoilupratioCondenserorReboilerdutyDistillatevaporfraction AllowedManipulatedVariables 2 OptionalColumnSpecificationsSidedrawflowratesDutyonastagePumparoundspecificationsThermosyphonReboilerspecificationsDecanterreturnfractionsMurphreeefficiencesFlowofaFeedStreamMaterialHeat NotesonRadFracDesignSpecifications Tomanipulateavariable itmusthavebeenspecifiedinthebasecaseAllofthevariablesaremanipulatedsimultaneouslytoconvergealloftheDesignSpecsSetboundsformanipulatedvariablesInitialvaluemustbetweenboundsColumnconvergesatbothupperandlowerboundsSolutionshouldliebetweenboundsYoucanspecifystepsizeformanipulatedvariablebutthisisnotusuallyneededwithgoodbounds RadFracDesignSpecs ASPENPLUS的严格法精馏塔计算 示例 例4 4 P157 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 P166 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 ASPENPLUS的严格法精馏塔计算 练习 练习题4 3 P169 设计一个甲醇精馏塔 进料中包含50kmol hr的甲醇和50kmol 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 三个塔模型中是可用的 RadFracMultiFracPetroFrac 板式塔类型 五种通用塔板类型中进行选择 Bubblecaps 泡罩 Sieve 筛板 GlitschBallast Glitsch重盘式塔板 KochFlexitray Koch轻便型浮阀塔板 NutterFloatValve Nutter浮