化工过程数值模拟及Aspen-Plus软件应用

1、化工过程数值模拟及Aspen-Plus软件应用第一页，共269页。新产品：研究与开发实验设计、实验报告：Microsoft Office文本处理 Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、实验装置 Endnote引用参考文献实验数据处理：Matlab、Polymath等数值计算 Origin、Excel作图第二页，共269页。技术成熟产品：工程设计与生产管理可研报告、设计报告：Microsoft Office文本处理 Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、工艺流程图、设备装配图、总图、平立面布置图 PDMS、PDS等三维配管 Endnote引用参考文献流程模

2、拟与优化、设备核算、经济评价：Aspen、PROII、ChemCAD等第三页，共269页。参考书2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦4第四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦5参考书第五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦6绪论化工模拟流程模拟单元模拟单元模拟与流程模拟的关系第六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦7化工模拟化学工程研究对象化学反应过程：化学反应器物理过程：单元操作化学工程研究对象的复杂性物系的复杂性物系流动时边界的复杂性过程本身的复杂性化学工程研究方法早期：经验逐级放大目前：数学模

3、型方法第七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦8化工模拟化工模拟的思想过程分解过程简化过程综合化工模拟的层次第八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦9流程模拟/过程模拟根据化工过程的数据，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果：原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据商业化化工过程模拟软件Aspen Plus、PRO/II、ChemCAD、HYSIS、Design II、ECSS第九页，共269页。2022/1

4、0/12浙江工业大学化材学院 刘华彦10单元模拟在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等第十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦11单元模拟软件CFD (Computational Flow Dynamics)商业软件CFX软件FluentPHOENICS计算流体力学与传热学的商业化软件适合模拟低速热流输运现象STAR-CDSimulation of Turbulent-flow in Arbitrary

5、Region缩写，Computational Dynamics Ltd基于有限容积法的通用流体计算软件强项在于汽车发动机内流动与传热的计算第十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦12化工过程数值模拟软件介绍流程模拟技术Aspen Plus第十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦13流程模拟的步骤流程的建立根据模拟的实际过程，选择合适的模型描述每一个单元操作过程根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程变量的设置根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入程序的运行根据需要采用合适的方式运行流程模拟输

6、出报告第十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦14Aspen Plus流程模拟商业软件ASPEN：先进过程工程系统（Advanced System for Process Engineering）19761981年：美国能源部资助，MIT主持，55个高校和公司参与，开发的新型第三代流程模拟软件1982年：Aspen Tech公司成立将其商品化，称为ASPEN PLUSASPEN PLUS是基于序贯模块法的稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件第十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦15Aspen Plus软件功能进

7、行工艺过程严格的能量和质量平衡计算预测物流的流率、组成和性质预测操作条件、设备尺寸减少装置设计时间并进行各种设计方案比较帮助改进当前工艺回答“如果那会怎么样”的问题在给定的限制内优化工艺条件辅助确定一个工艺约束部位（消除瓶颈）第十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦16ASPEN PLUS的组成物性数据库通用的数据库：Aspen CDASPEN TECH公司自己开发的数据库，DIPPR美国化工协会物性数据设计院设计的数据库专用的数据库工业上最适用而完备的物性系统：1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶液电解质的基本物性参数第十六页，共2

8、69页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦17ASPEN PLUS的组成物性数据库丰富的状态方程和活度系数法：理想混合物汽-液平衡的拉乌尔定律烃类混合物的Chao-Seader非极性和弱极性混合物的Redilch-Kwong-Soave、BWR-Lee-Staring、Peng-Robinson强的非理想液态混合物的活度系数模型：UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUACASEN PLUS还提供灵活的数据回归系统(DRS )，使用实验数据来求物性参数第十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦18ASPEN PLUS的组成单元操作模块有五十多种

9、单元操作模型：混合、分割、换热、闪蒸、精馏、反应等提供了灵敏度分析和工况分析模块：利用灵敏度分析模块，用户可以设置某一变量作为灵敏度分析变量，通过改变此变量的值模拟操作结果的变化情况。采用工况分析模块，用户可以对同一流程几种操作工况的进行运行分析第十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦19ASPEN PLUS的组成系统实现策略（数据输入解算结果输出）提供了交互式图形界面(GUI)：操作方便、灵活按DXF标准格式输出流程图，再转换成其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件先进的数值计算方法：直接迭代法、正割法、拟牛顿法、Broyden法等可以同时收敛多股断裂

10、(Tear)流股、多个设计规定应用ASPEN PLUS的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值以达到任何目标函数的最大值第十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦20Aspen Plus 11.0的安装运行CD1内的Setup.exe程序进行安装，单击Aspen Engineering Suite选项，则开始进行安装，单击Next第二十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦21Aspen Plus 11.0的安装在个人PC上使用ASPEN PLUS，选择All Products选项(如选择Licensed Products 则要先安装ALM，

11、ASPEN LICENSED MANAGER)第二十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦22Aspen Plus 11.0的安装单击Next继续，选择Standard Install 单击Next第二十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦23Aspen Plus 11.0的安装选择要安装的模块，ASPEN PLUS 必选，第一次安装时和Online, Web（网络组件）相关的模块不要选择。单击Next出现以下画面：不选第二十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦24选择Aspen License Manag

12、er 单击Next进行安装出现插入CD2选项框时，选择CD2内文件所在的位置或插入CD2继续安装Aspen Plus 11.0的安装第二十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦25Aspen Plus 11.0的安装安装完成后重新启动计算机，指定license.dat文件的位置，完成整个软件的安装第二十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦26ASPEN PLUS 的启动AspenTechASPEN PLUSAspen Engineering Suite空白模拟 (Blank Simulation)基于模板（Tamplate）已有的模拟（

13、Open an Existing Simulation）ASPEN PLUS User Interface常用的模板：General with Metric UnitsChemicals with Metric Units第二十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦27Aspen Plus的基本术语用户界面（User Interface）流程图（Flow Sheet）模型库（Model Library）数据浏览器（Data Browser）流股（Stream）模块（Block）第二十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦28ASPEN P

14、LUS 用户界面主窗口第二十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦29数据浏览器（Data Browser）第二十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦30状态指示符各符号的含义第三十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦31NEXT按钮的使用单击此按钮就可以调用ASPEN PLUS专家系统借助显示信息指导用户对一个运行进行必需和可选的输入，进行下一步操作，当用户改变已经输入的选择项和规定时，也确保用户不会做出不完整或不一致的规定在其指导下，用户可以安全、方便地完成模拟所必须经历的各步骤第三十一页，共269页。2

15、022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦32Aspen Plus模拟必须的步骤画出模拟流程图：选用单元模块(Model Blocks)，连接流股(Streams)进行全局级设置(Setup Global Specification)，选择或定义一个合适的单位集，还可以选择输出报告的格式和内容输入化学组分信息数据(Components)选择物性方法和模型(Property Methods & Models)输入外部物流数据(External Streams)第三十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦33Aspen Plus模拟必须的步骤输入模块数据(Block

16、 Specification)，即规定每一个单元操作模块的性能以表示工艺流程的设计条件或操作条件运行模型查看计算结果输出报告文件(Report)保存模拟项目(*.apw/*.bkp)退出第三十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦34流程的建立定义一个流程 定义一个流程步骤 在View 菜单下确认PFD 状态已经关闭选择单元操作模块放置到流程窗口选择类别，再选单元操作模块第三十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦35流程的建立定义一个流程 定义一个流程步骤(cont) 用物流连接模块单击STREAMS图标，选择物流类型（物料、热流或功流

17、），移动鼠标到流程窗口，单击显亮的流股连接点，引出至合适位置，完成连接红色：必须连接 蓝色：其它可选连接注意检查流程的完整性STREAMS第三十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦36流程的建立定义一个流程 物流连接过程示意 第三十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦37流程的建立定义一个流程第三十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦38流程的建立定义一个流程 修改流程 对模块或物流进行删除或重命名操作改变物流的连接单击鼠标右键：Reconnect Source Reconnect Destination

18、Rename Stream第三十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦39流程的建立模拟变量的设置全局变量的设定全局规定为整个运行设定缺省值在数据浏览器中单击Setup，使用Setup Specification包括：标题、度量单位、全局设置(运行类型、输入模式、物流类、流率基准、环境压力、有效相态和使用游离水计算)对每个模块，可以使用Block Options 表格来替换单个单元操作的全局级规定第三十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦40流程的建立模拟变量的设置Setup Specification 表Global 页1、标题Tit

19、le2、度量单位Units of Measurement输入数据Input Data输出结果Output Results3、全局设定Global Settings流量基准Flow Basis大气压力Ambient Pressure有效相态Valid Phases游离水计算Use Free water calculation第四十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦41流程的建立模拟变量的设置输入化学组分信息每一个组分必须有唯一的ID组分可用英文名称或分子式输入利用弹出对话框区别同分异构体利用Find查找化学物质，Elec Wizard定义电解质等第四十一页，共269

20、页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦42第四十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦43流程的建立模拟变量的设置物性方法用于计算热力学物性(包括逸度系数、K、焓、熵、吉布斯自由能、体积)和迁移性质(包括粘度、热导率、扩散系数、表面张力)系统内置的物性方法足以满足大部分的应用用户也可建立新的适合自己模拟需要的物性方法包括：过程类型、基础方法、亨利组分 (Process type, Base method, Henry components) 第四十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦44流程的建立模拟变量的设置输入外部流股

21、信息每一外部流股都必须输入信息状态变量：温度、压力、气相分率、流量组成：表达基准、数值物流规定示意图第四十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦45流程的建立模拟变量的设置输入单元模块参数每一个单元模块都必须输入模型参数模型参数的数量因模型而异，请认真理解其物理意义模型参数的合理选取对仿真模拟结果的质量至关重要第四十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦46流程的建立模拟程序的运行在用户完成输入的过程中，规定的状态会一直显示在状态栏中当状态栏显示：Required Input Complete（输入完成）或Input Changed（输入

22、被改变）或Ready to Execute Block （可以执行模块）时，用户就可以选择Interactive（交互方式)或Batch（在后台批处理方式)中的一种运行模拟过程第四十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦471、选模块，连接流股2、Setup：Specifications中Global规定Title，Units； Accounting规定User Name，Project Name Report Options中规定Stream3、Components：Specifications中Defined components（注意使用Find）4、Prop

23、erties：Specifications中规定Property methods5、Streams：规定进口物流条件6、Blocks：Input中规定模块操作条件7、Flowsheeting Options：Design Spec进行设计规定运算8、Model Analysis Tools：Sensitivity进行敏感性分析；Optimization进行优化；Constraint设定优化和敏感性分析约束；Data Fit进行数据拟合；Case Study进行工况研究运行，查看结果应用扩展第四十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦48举例一：熟悉AspenPlus

24、解题过程甲醇水混合物进入精馏塔，塔顶分离出以甲醇为主的混合物，塔底分离出以水为主要成分的混合物进口条件：甲醇50%(wt)，水50%(wt)，进口压力0.2MPa，温度25，摩尔流率100kmol/h精馏塔：总塔板数：30，进料板位置：15，塔顶压力0.1MPa，塔顶回流比2(摩尔)，塔顶出料：全部液相，50kmol/h给出精馏塔物料和能量衡算结果，每块塔板的相关结果第四十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦49举例二：熟悉AspenPlus解题过程通过压缩机将空气加压进口条件：空气进口压力0.012MPa，温度25，摩尔流率100kmol/h压缩机：等熵压缩、压

25、缩效率0.85、电机机械效率0.8给出压缩机出口的空气温度、压缩机功率等相关结果第四十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦50Aspen Plus的单元操作模块混合器/分流器（Mixers/Splitters）分离器（Separators）换热器（Heat Exchangers）塔（Columns）反应器（Reactors）压力变送设备（Pressure Changers）控制器（Manipulators）固体（Solids）用户模型（User Models）泄压（Pres-Relief）第五十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦51混

26、合器/分流（Mixers/Splitters）第五十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦52混合器/分流（Mixers/Splitters）Mixer（物流混合器）操作单元模块多股物流（物料流、热流或功流）汇合成一股操作模型：主要有混合三通、物流混合操作、增加热流、增加功流等注意：一个单一的Mixer 模块不能混合不同类型的物流（物料流、热流和功流） 第五十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦53混合器/分流（Mixers/Splitters） Mixer流程连接示意图 第五十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院

27、 刘华彦54混合器/分流（Mixers/Splitters）FSplit（分流器）操作单元模块将同类物流（物料流、热流或功流）混合并把结果物流分成两股或更多相同类型的物流，主要有分流器Bleed(排气)、阀等单元操作模型所有出口物流具有与混合后的入口物流相同的组成和条件FSplit 同样不能将一股物料流分成不同类型的物流 第五十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦55混合器/分流（Mixers/Splitters）SSplit（子物流分流器）操作单元模块混合物料流并把结果物料流分成两股或多股物流（不包括热流和功流），主要有分流器、流体固体分离器等操作模型。SSpl

28、it出口物流中的子物流与混合入口子物流一样，具有相同的组成温度和压力，只有子物流流率不同如要模拟出口物流中组成和性质不同的子物流则要选择使用使用Sep 模块或Sep2 模块SSplit的流程连接和参数输入的规定与FSplit类似第五十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦56创建第一个Aspen Plus仿真模型建立以下过程的Aspen Plus仿真模型将1000m3/hr低浓度酒精(乙醇30%w，水70%w，30，1bar)与700m3/hr高浓度酒精(乙醇95%w，水5%w，20 ，1.5bar)混合计算混合后的温度和体积流量、各组分的摩尔分率和质量分率Mixe

29、r模块两股进料流股，一股出料流股第五十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦57创建第一个Aspen Plus仿真模型上述两股物流混合后于出口分成两股物流，其中一股占总流量的30%求出口两股物流的流量和成分第五十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦58分离器（Separators）第五十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦59分离器（Separators）Flash（闪蒸罐）Flash2：模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器用严格气-液或气-液-液平衡把进料分成两股出口物流，完成气-液或气-液-液平

30、衡计算Flash3：模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐、倾析器和其它的在产品中有两液相出口物流的单级分离器Flash3用严格气-液-液平衡把进料分成三股出口物流，完成气-液-液平衡计算第五十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦60分离器（Separators）Flash（闪蒸罐） 闪蒸罐（Flash）的流程连接示意图Matrials物流Vapor（蒸汽）Water（Optional）水（可选项）Heat（Optional）热（可选项）Heat（Optional）热（可选项）Liquid（液相物流）Matrials物流Vapor（蒸汽）Heat（Optional）热（可选项

31、）Heat（Optional）热（可选项）2nd Liquid第二液相物流1st Liquid第一液相物流Flowsheet for Flash2Flowsheet for Flash3第六十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦61Flash2模型参数3组1、闪蒸设定温度(Temperature)压力(Pressure)蒸汽分率(Vapor fraction)热负荷(Heat duty)设定两个设定两个2、有效相态汽-液相(Vapor-Liquid)汽-液-液相 (Vapor-Liquid-Liquid)汽-液-游离水相 (Vapor-Liquid-Freewate

32、r)3、液沫夹带(Entrainment)第六十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦62Flash2应用示例（1）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、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、液两相温度和组成Blocks Input SpecificationPressureVapor fraction第六十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦63Flash2应用示例（2）流量1000kg/hr、压力0.5MPa、温度120、含乙醇70%w、水30%w的物

33、料绝热闪蒸到0.15MPa离开闪蒸器的汽、液两相温度、流量和组成?Blocks Input SpecificationPressureHeat duty第六十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦64Flash2应用示例（3）流量1000kg/hr、压力0.2MPa、温度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、液两相流量和组成设计规定：Flowsheeting Option Design Spec Define:汽相出料流股丙酮流量 Spec:上述流量为0.9*进口丙酮流量 Vary:闪蒸器模块温度

34、，初选范围100400，再根据实际情况调整第六十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦65Flash2应用示例（4）流量为1000kg/hr、压力0.2MPa、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250kW分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率影响敏感性分析：Model Analysis Tools Sensitivity Define:汽相出料流股丙酮分率及流量 Vary:闪蒸器模块液沫夹带(ENTRN)，范围00.2 Tabulate: 1:汽相出料流股丙酮分率 2:汽相出料流股丙酮流量/进口丙酮流量第六十五页，共269

35、页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦66Flash3模型参数3组1、闪蒸设定温度(Temperature)压力(Pressure)蒸汽分率(Vapor fraction)热负荷(Heat duty)以上四个参数中设定两个第六十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦67Flash3模型参数3组2、关键组分(Key Components)指定关键组分后，含关键组分摩尔分率大的液相作为第二液相如未指定关键组分，则密度大的液相为第二相3、液沫夹带(Entrainment)分别设定两个液相在汽相中的夹带分率第六十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大

36、学化材学院 刘华彦68Flash3应用示例（1）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、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、质量流量和组成第六十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦69Flash3应用示例（2）流量为500kg/hr、压力0.8MPa、温度100、含乙醇70%w、水30%w的物流与流量为500kg/hr、压力0.8MPa、温度70、含正己烷60%w、乙醇40%w的物流在闪蒸器中绝热闪蒸到压力0.11MPa 。求离开闪蒸器的汽、液、液

37、三相的温度、质量流量和组成第六十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦70Flash3应用示例（3）在示例（2）中分别设置乙醇和正己烷为关键组分，观察输出结果有什么变化。第七十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦71分离器（Separators）Decanter（液-液倾析器）用于模拟倾析器和其它无气相的单级分离器可以完成液-液平衡和液-游离水计算，但不能处理有气相生成的单元操作操作模型：绝热、规定负荷和规定温度模型出口物流通常是平衡的，但是用户也可以在Input Efficiency（输入效率页）上规定分离效率来说明偏离平衡程度如存在固

38、体夹带，它们不参与相平衡计算，但参与焓平衡第七十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦72分离器（Separators）Decanter（液-液倾析器） Decanter流程连接示意 第七十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦73分离器（Separators）Decanter（液-液倾析器）模型参数1、倾析设定压力(Pressure)温度/热负荷(Temperature/Heat duty)(二选一)2、关键组分(Key component to identify 2nd liuiqd phase)指定关键组分：含关键组分摩尔分率大的液

39、相作为第二液相未指定关键组分：密度大的液相作为第二液相3、组分分离效率(Efficiency)分别设定每个组分在两相中的分离效率(偏离平衡程度)第七十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦74Decanter应用示例（1）用水（P=0.2MPa、T=20）从含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液（F=500kg/hr、P=0.2MPa、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、萃取相和萃余相的组成设计规定：Flowsheeting Option Design Spec Define:第一液相乙醇出料流股流量 Spec:上述流量为0.97*进

40、口乙醇流量 Vary: 进料水流股流量，范围10500第七十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦75Decanter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。Blocks B1 Input Efficiency第七十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦76分离器（Separators）Sep & Sep2（组分分离器）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分分别按照指定的比例分配到每一股输出物流中去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

41、个组分分别按照指定的比例分配到每一股输出物流中去第七十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦77分离器（Separators）Sep & Sep2（组分分离器） Sep流程连接示意图第七十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦78分离器（Separators）Sep 模型参数1、设定(Specifications)输出物流条件设定，指定每个组分在各股输出物流中的分率或流量(Outlet stream conditions)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3、出口闪蒸(Outlet Flash)指定

42、每一股输出物流的闪蒸压力、温度、气相分率和有效相态第七十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦79Sep应用示例（1）把F=500kg/hr、P=0.15MPa、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，各组分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求输出物流组成在Outlet stream conditions中选

43、取至少3个流股对每一组分逐一指定第七十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦80Sep2应用示例（1）从F=500kg/hr、P=0.15MPa、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Blocks B1 Input Specifications Outlet stream 2 1st Spec & 2nd Spec第八十页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦81Sep2应用示例（2）同示例（1），如分离过程是在精馏

44、塔中实现，塔顶出料是0.11MPa的饱和蒸汽，塔底出料是0.13MPa的饱和液体求输出物流的温度和体积流量Blocks B1 Input Outlet Flash Stream 2 Flash specifications pressure Stream 3 Flash specifications pressure第八十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦82换热器（Heat Exchangers）第八十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦83Heater（加热器或冷却器）模块用于改变单股物流的温度、压力和相态加热器冷却器阀（仅改变

45、压力，不涉及阻力）泵（仅改变压力，不涉及功）压缩机（仅改变压力，不涉及功）当规定了出口条件时，Heater模型可确定一股或多股入口物流混合物的热和相状况第八十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦84Heater（加热器或冷却器）模块露点计算：气相分率为1泡点计算：气相分率为0加热或冷却曲线：用Hcurves 窗口规定Heater模型无动力学特性，压降固定，出口流率由质量平衡确定带固体的流体：参数输入与Flash类似第八十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦85Heater（加热器或冷却器）模块 Heater流程连接示意图第八十五页，共

46、269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦86Heater（加热器或冷却器）模块两组模型设定参数（1）：闪蒸指标(flash specification)温度(Temperature)压力(Pressure)温度增量(Temperature Change)蒸汽分率(Vapor fraction)过热度(Degrees of superheating)过冷度(Degrees of subcooling)热负荷(Heat duty)任选2项第八十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦87Heater（加热器或冷却器）模块两组模型设定参数（2）：有效相态(

47、valid phase)蒸汽(Vapor-Only)液体(Liquid-Only)固体(Solid-Only)汽-液(Vapor-Liquid)汽-液-液(Vapor-Liquid-Liquid)液-游离水(Liquid-FreeWater)汽-液-游离水(Vapor-Liquid-FreeWater)第八十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦88Heater应用示例（1）20、0.41MPa、4000kg/hr的软水在锅炉中加热成为饱和水蒸汽进入生蒸汽总管求所需的锅炉供热量、出口蒸汽温度第八十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦89

48、Heater应用示例（2）1000kg/hr (0.4MPa)的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100 (0.39MPa) 求过热蒸汽温度、所需的供热量Blocks B1 Input Specifications Flash specifications Pressure Degrees of superheating第八十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦90Heater应用示例（3）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、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求冷凝器热负荷第九十页，共269页。

49、2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦91Heater应用示例（4）流量100kg/hr、压力0.2MPa、 温度20的丙酮通过一电加热器当加热器功率分别为2kW、5kW、10kW和20kW时，求出口物流状态Blocks B1 Input Hcurves Setup Independent variable Heat duty Range for heat duty List values第九十一页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦92Heater应用示例（5）求压力为0.2MPa、含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡点和露

50、点Streams 1 State variable Vapor fraction =1Blocks B1 Input Specifications Flash specifications Vapor fraction =0或者反过来设置：0，1第九十二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦93HeatX(两股物流换热器)操作单元模块用于模拟如下结构的管-壳式换热器逆流/并流(Countercurrent/cocurrent)折流板壳程(Segmental Shell)棍式挡板壳程(Rod Baffle Shell)裸管/低翅片管(Bare/Low-finned Tu

51、bes)第九十三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦94HeatX(两股物流换热器)操作单元模块HeatX & MHeatX流程连接示意第九十四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦95设定参数(1)：计算类型(Calculation Type)简捷计算(Short-cut)详细计算(Detail) 热侧管程(Tube)/壳程(Shell) 冷测管程(Tube)/壳程(Shell)设定参数(2)：流动方向(Flow direction)逆流(Countercurrent)并流(Cocurrent)HeatX(两股物流换热器)操作单元模块第九

52、十五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦96HeatX(两股物流换热器)操作单元模块设定参数(3)：换热器设定(exchanger specification)热物流出口温度(Hot stream outlet temperature)热物流出口温降(Hot stream outlet temperature decrease)热物流出口温差(Hot stream outlet temperature approach)热物流出口过冷度(Hot stream outlet degree subcooling)热物流出口蒸汽分率(Hot stream outlet v

53、apor fraction)第九十六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦97HeatX(两股物流换热器)操作单元模块设定参数(3)：换热器设定(exchanger specification)冷物流出口温度(Cold stream outlet temperature)冷物流出口温升(Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口温差(Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口过冷度(Cold stream outlet degree superheat)冷物流出口蒸汽分率(

54、Cold stream outlet vapor fraction) 热/冷物流出口温差(Heat/Cold outlet temperature approach)热负荷(Exchanger duty)传热面积(Heat transfer area)最小温差(Minimum temperature approach)第九十七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦98HeatX(两股物流换热器)操作单元模块对数平均温差校正(LMTD correction factor method)常数(Constant)几何结构(Geometry)用户子程序(Use-subr)计算

55、(Calculated)第九十八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦99HeatX简捷计算（Shortcut）压降(Pressure drop)分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outlet pressure)指定值0，代表出口绝对压力指定值0，代表出口相对进口的压力降低值根据几何结构计算(Calculated from geometry)总传热系数方法(U methods)常数(Constant)：自己修改U值相态法(Phase specific values)幂函数法(Power law expression)膜系数法(Film coefficients)用户程序(

56、User subroutine)第九十九页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦100HeatX详细计算（Detailed）主要在于：Geometry设定HeatX几何结构（ TEMA Shell Type）（壳程1）第一百页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦101HeatX详细计算（Detailed）HeatX几何结构（Shell Dimensions）（壳程2）Outer Tube Limit：管束外层的最大直径Shell Diameter：壳体直径Shell to Bundle Clearance：壳层到管束的环形间隙第一百零一页，共2

57、69页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦102HeatX详细计算（Detailed）HeatX几何结构(Dimensions for Baffles)(挡板)Segmental Baffles：Baffle Cut：折流挡板的切口高度Tube Hole：管孔Shell to Baffle Clearance：壳层到折流挡板的环形间隙Rod Baffles：Rod Diameter：圆盘直径Ring Outside Diameter：环外径Ring Inside Diameter：环内径第一百零二页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦103HeatX详细

58、计算（Detailed）HeatX几何结构(管程: Tubes)第一百零三页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦104简捷法(Shortcut)和严格法(Detailed)比较第一百零四页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦105HeatX应用示例（1）用1200kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)加热2000kg/hr甲醇(20，0.3MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力0.28MPa、过冷度2。换热器传热系数根据相态选择。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积第一百零五页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦106H

59、eatX应用示例（2）对上例选用下述换热器进行详细核算：外壳直径：325mm公称面积：10m2管长：3m管径：192mm管数：76排列方式：正三角管程数：2壳程数：1管间距：28.5mm折流板间距：150mm折流板缺口高度：79mm第一百零六页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦107Heat ExchangersMHeatX(多物流换热器)用于模拟一个有多股热流和冷流之间传热的换热器。例如LNG 换热器只保证总的能量平衡而不考虑换热器的几何尺寸可以完成一个详细的、严格的内部区域分析，确定换热器中所有物流的内部夹点以及加热和冷却曲线，还可以计算换热器的总UA 值并模拟

60、换热器的加入热量或热损失第一百零七页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦108Heat ExchangersMHeatX(多物流换热器)系统使用多个加热器和多个热流以加速流程的收敛，如果用户不规定计算顺序或规定撕裂物流，程序将按模块顺序收敛物流用户在至少保留一股物流不作规定的情况下，可对另一侧任意个物流作出口规定第一百零八页，共269页。2022/10/12浙江工业大学化材学院 刘华彦109Heat ExchangersHetran(管壳式换热器)用来模拟各类管壳式换热器采用B-JAC Hetran 程序界面把模块放在流程中连接入口和出口物流，直接输入包含换热器B-J