第6章UniSim在化工设备设计中的应用ppt课件.ppt

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1、第8章 UniSim在化工设备设计中的应用,-精馏塔水力学计算,一、塔设备的一般要求 工艺性能好；生产能力大；操作稳定性好；能量消耗少 结构合理；选材要合理；安全可靠。,第一节 塔设备的应用及类型,塔设备的分类 按操作压力分：减压塔、减压塔、加压塔 按生产单元分：吸收塔、精馏塔、萃取塔、干燥塔、洗涤塔 按塔的内件结构分：板式塔、填料塔 板式塔 内部有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使气液两相充分接触，进行传质。气液两相的组份浓度呈阶梯式变化。填料塔 内部填有一定高度的填料，液体自塔的上部沿填料表面向下流动，气体作为连续相自塔底向上流动，与液体进行逆流传质。气液两

2、相的组份浓度沿塔高连续变化。,板式塔结构,填料塔结构,二 板式塔,板式塔塔盘的形式及特点 板式塔塔盘的形式 泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形、浮动喷射形 泡罩塔盘（Bubble Cap）,泡罩塔盘1升气管；2泡罩；3塔盘板,浮阀塔盘（Valve）,浮阀塔盘气液接触状况,筛板塔盘,Dual Flow Tray,筛板塔盘示意图,舌形和浮舌塔盘,塔板的比较,塔板性能比较,成本,泡罩板,1.0,1.0,10100,高,复杂,筛板,1.21.4,1.1,35100,低,简单,浮阀板,1.21.3,1.11.2,10100,中,一般,舌型塔板,1.31.5,01.1,50100,低,最简单,斜孔板,1.51.

3、8,1.1,30100,低,简单,各种塔板的优点及适用范围,适用范围,泡罩板,较成熟，操 作范围宽,结构复杂，阻力大，生产能力低,浮阀板,效率高，操 作范围宽,采用不锈钢，浮阀易脱落,筛板,效率较高，成本低,安装要求水平,易堵,操作范围窄,舌型板,结构简单,生产能力大,操作范围窄，效率较低,斜孔板,生产能力大,效率高,操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄,塔板上的异常操作现象,1）漏液,漏液,两相在塔板上的接触时间,板效率,控制：漏液量不大于液体流量的10%。,漏液气速：,漏液量达到10%的气体速度。,板式塔操作的气速下限,原因：,气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀,2）液沫夹带,影响因素空塔

4、气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小,现象：,液滴随气体进入上层塔板。,后果：,过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降,控制：,液沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)。,3）液泛,夹带液泛,降液管液泛,原因：,气液两相流速过大,影响因素：,流量、塔板结构,板间距大,液泛速度高,塔板效率,1、塔板效率的表示法,1）总板效率ET(全塔效率）,达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。,简单地反映了整个塔内的平均传质效果。,2）单板效率EM(默弗里效率),直接反映该层塔板的传质效果,分析：单板效率的数值有可能大于100%吗？,3）点效率EO,试比

5、较点效率与单板效率、全塔效率,2、塔板效率的估算,1）影响塔板效率的因素,a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。,2）板效率的估算,注意公式适用条件,Overall Tray Efficiencies,三、填料塔,填料及支承结构 填料的种类 散装填料 规整填料 格栅填料,散堆填料,规整填料,第二节 UniSim板式塔设计-水力学计算,降液管,受液区,俯视图,Down Comer,Weir,Hole,Calming Zone,板式塔设计,设计内容：塔高 塔径 溢流装置的结构与尺寸 确定塔板

6、板面布置 塔板的校核 绘制负荷性能图（沈复教授提出，国内广泛使用）,填料塔设计,设计内容：塔高 塔径填料类型填料段总高度填料段分段高度气体分布器/液体分布器水力学核算泛点率液体喷淋密度,塔设计,1塔高的计算N实实际塔板数；板间距,塔设计,板间距的确定 板间距的数值大都是经验值。在决定板间距时还应考虑安装检修的需要，例如在塔体的人孔手孔处应留有足够的工作空间。在设计时可参考下表选取。表 不同塔径的板间距参考值 塔顶空间高度是指塔顶第一块塔板到顶部封头切线的距离。为了减少出口气体中夹带的液体量，这段高度常大于一般塔板间距，通常取 1.21.3米。当再沸器在塔外时，塔底空间高度是指最末一块塔板到塔底

7、封头切线的距离。液体自离开最末一块塔板至流出塔外，需要有1015分钟的停留时间，据此由釜液流量和塔径即可求出此高度。,塔设计,2塔径的计算 根据圆管内流量公式，塔径可表示为 式中 塔径，m；塔内汽相流量，m3/s；空塔汽速，m/s。显然，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔汽速，所谓空塔汽速是指汽相通过塔整个截面时的速度。设计时，一般依据产生严重液沫夹带时的汽速来确定，该汽速称为极限空塔汽速，用 表示。,塔设计,式中:C 汽相负荷因子，m/s。L,V 液、汽相密度，m3。塔径圆整：0.3,0.4,0.5,0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6,UniSim水力学设计与核算,Tray

8、 Sizing塔板尺寸工具可以对收敛塔进行部分或全部的设计和确定尺寸计算。可以指定塔内填料或塔板信息，入板直径、填料尺寸、设计溢流和压降参数。结果包括塔径、压降、溢流、塔板直径等。,UniSim水力学设计与核算,ToolUtilitiesTray SizingAdd Utility,UniSim水力学设计与核算,选择塔，可增加多个塔段(Tray Section)分别设计,Weir,DC Clearance,Specs Page页面,物性计算来源,Tray Sizing可用的参数配置,设计参数（Design Parameters）,Tray Sizing可用的参数配置,塔板配置参数（Tray C

9、onfiguration Parameters）,液流通道数（Number of Flow Paths）通常使用多路塔板可以得到较小的塔直径。流程越多，在塔板上安装的浮阀和筛孔的数量就越少。这样会导致压降增加，降液管承受量增加，塔板效率降低,液流通道,塔段直径（Section Diameter）根据指定的流程数量显示塔段的直径。塔板属性（Tray for Properties）仅在核算（Rating）模式下可用。可以指定计算塔属性使用到的塔板塔板间距（Tray Spacing）塔板间距是指两个塔板之间垂直距离：,浮阀和塔板的材料厚度（Valve and Tray Material Thickn

10、ess）材料厚度通常用标准度量（gauge）来描述 标准度量（gauge）和英寸（inches）换算,起泡因子（Foaming Factor）气泡因子是度量系统的气泡趋势。气泡因子越小会导致的塔板效率越低和要求的塔直径越大,常见系统起泡因子,常见系统起泡因子,最大压降（Maximum Pressure Drop）每个塔板允许的最大压降可以按液体高度输入。如果不指定，使用默认的液体最大高度是4 英寸。对于填料（Packed）塔板，参数是每高度填料的压降。默认参数是每英尺填料为0.5 英寸的水柱最大液泛率（Maximum Flooding）塔的尺寸是按照整齐和液体通道来给定的。塔的溢流在任何塔板不

11、能超过这个参数。正常情况下推荐最大值是85%，真空和低压降情况下推荐77%。这些值产生大约10%的夹带。直径36 英寸一下要使用65-%75%的溢流参数。可以指定更低的值，例如需要增加容量时，如果不指定该值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。,填料相关性（Packing Correlation）默认选择是 Robbins 相关性，它能较好地来预测压降和流体储液面。特别是使用的新填料材料。只有在负荷20000（流体负荷9200lb/hr.ft2）。当塔操作高于该范围时选择SLE（Sherwood-Leva-Eckert）相关性。填料相关性（Packing Correla

12、tion）、等板高度（HETP）和填料类型（Packing Type）只有在填料塔时才有效。填料塔信息可以有上面三个参数指定。除了填料类型和填料塔板直径外，所有填料参数都是默认值。最大液泛率（Maximum Flooding）塔的尺寸是按照整齐和液体通道来给定的。塔的溢流在任何塔板不能超过这个参数。正常情况下推荐最大值是85%，真空和低压降情况下推荐77%。这些值产生大约10%的夹带。直径36 英寸一下要使用65-%75%的溢流参数。可以指定更低的值，例如需要增加容量时，如果不指定该值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。等板高度（HETP）高度系数 HETP 与填料塔

13、和板式塔相关。该值参考填充的高度等价于理论塔板。对于设计，最精确的HETP 系数是填料的厂商公布的,填料类型（Packing Type）,金属（M）、塑料（P）、陶瓷（C）、金属规整填料（S）,筛板塔溢流方法（Sieve Tray Flooding Method）最小 Csb（Minimum Csb）初始 Csb（Original Csb）完全修改后的 Csb（Fairs Modified Csb）塔板内件页面（Tray Internals Page）筛板塔板参数（Sieve Tray Parameters）孔距(Hole Pitch),1.55倍孔直径以内。默认0.5 英寸孔直径（Hole

14、Diameter）,默认值 0.187 英寸浮阀塔板参数（Valve Tray Parameters,默认）浮阀材料密度（Valve Material Density）,塔板内件页面（Tray Internals Page）浮阀塔板参数（Valve Tray Parameters,默认）浮阀材料密度（Valve Material Density）孔面积（Hole Area）,浮阀默认值是15.3%，浮阀孔板类型（Valve Orifice Type）垂直（Straight）文丘里（Venturi）液泛计算方法（Design Manual for Flooding Calculations）Gl

15、itsch KochNutter）,塔板内件页面（Tray Internals Page）泡罩塔板（Bubble Cap Trays）泡罩槽高度（Bubble Cap Slot Height），默认槽高度是1.0 英寸,塔板公用参数（Common Tray Parameters）侧堰类型（Side Weir Type）垂直（straight）减压（relief）溢流堰高度（Weir Height）默认值为2 英寸,塔板公用参数（Common Tray Parameters）溢流堰最大允许负荷（Maximum Allowable Weir Loading）一般值为60-120 USGPM/ft

16、0.7451.49 m3/(m.h)增加液流通道或安装溢流围堰可以减少围堰负载围堰负载可以达到240 USGPM/ft 2.98 m3/(m.h)默认值是120 USGPM/ft 1.49 m3/(m.h),塔板公用参数（Common Tray Parameters）降液管类型（Downcomer Type）垂直（vertical），默认 倾斜（sloped）（倾斜的降液管在底端宽度比较狭窄。塔板有更多有效面积和更多阀，低压降）降液管底部间隙（Downcomer Clearance）一般推荐液封高度为0.5 英寸由于高流速液体压降较高，可减少如果没有指定，使用的高度比堰高小0.5 英寸。最大允

17、许降液管液柱高度（Maximum Allowable Downcomer Backup）如果没有指定，对于气体密度大于3lb/ft3 使用40%正常密度是50%密度比小于1 lb/ft3 使用60%。该项仅在核算模式下使用。,Report,塔器设计步骤,完成流程计算，保证收敛点ToolsUtilitiesadd tray sizing utility，点Select TSFlowsheet中选择塔，在Object中点塔名称，OK.点击 Add Section（或者点击Auto Section，自动分段）.在 Design选项卡 Specs页面下，按 F1可调出帮助页面。点internals 选

18、择最合适的塔内件，选择design 模式，让程序自动原则最优参数。要注意的是，sieve,valve&bubble-cap等板型所推荐的液体通道数(NFP)和板间距与塔径有关，而塔径又与NFP有关，因此，最好能在NFP与塔径之间进行几次迭代计算，以确定最有推荐塔径！返回Tray SizingSpecs页面，输入相关参数，程序可能会自动迭代完成收敛计算。如果在选择筛板塔时出现一定的泄漏，最好换为浮阀塔。点PerformanceResults查看计算结果。如果要使用推荐值，需返回Tray SizingSpecs 页面进行修改.,塔器设计步骤,当结果满意时，即可从PerformanceResults

19、中复制column diameter,height,percent of flooding,and total pressure drop(塔压降,或Section 压降)。如果所用塔效率为100%,必须将压降除以实际塔效率并且加上一个安全系数以算出实际压降。返回Column DesignConnections页面,调整塔顶或者塔底压力之一使塔压降等于刚刚所算出的数值。再返回utilityPerformanceResults就可发现里面的压降又有一点变化 填料塔Packed columns:填料塔不需使用塔效率。填料高度等于理论板数 x 等板高度HETP(Height Equivalent t

20、o a Theoretical Tray)这样就相当于替代了塔效率。不过还需增加一定的安全因子，如10%.,第3节 UniSim流程计算,工艺描述,H2和CO2 混合物加热到所需温度，进入搅拌反应器，发生如下反应：3 H2+CO2=CH2OH+H2O 反应产物部分冷凝，气相主要是H2和CO2，经压缩机增压后返回与原料气混合循环利用；液相（主要是CH2OH和H2O）进入精馏塔分离成甲醇和废水，产品需冷却到适合存储的温度，因此，还需一台离心泵打来冷取水到换热器与热甲醇换热。,简单操作步骤基础数据,添加组分，CO2,H2,甲醇，水选择流体包，SRKSimulattion环境下Reactions选项设

21、计反应集：3 H2+CO2=CH2OH+H2O Add RxnKineticAdd Reaction Add Comp，定义上面的反应，将该反应命名：Methanol Reaction,简单操作步骤基础数据,Basis下将相关参数调整到与动力学方程相适应的单位：Base Component=CO2 Basis=Molar Concn Rxn Phase=VapourPhase Rate Units=kgmole/m3-h Parameters 下输入Arrhenius 方程参数：,简单操作步骤基础数据,返回Simulation Basis管理器，点Reaction Set，双击Global R

22、xn Set，将Methanol Reaction加入到反应集：,简单操作步骤基础数据,返回Simulation Basis管理器，点Reaction Set，双击Global Rxn Set，将Methanol Reaction加入到反应集：,简单操作步骤基础数据,刚才已将甲醇反应加入到反应集，但还没有将该反应集放入基础数据包Basis-1中。要这样做：在Simulation Basis Manager点Add to FP Add Set to Fluid Package。此时反应集才与流体包发生关联！点Return to Simulation Environment 返回模拟环境，注意保存

23、文件！,简单操作步骤搭建流程,输入进料物流:Stream Name=Feed Temperature=40 C Pressure=4000 kPa Mass Flow=1000 kg/h 组成：vol%CO2=.25 H2=.75,简单操作步骤搭建流程,添加混合器Recycle Mixer:名称：Recycle Mixer进料：Feed，Recycle出料：Mixed 输入Recycle物料条件：Temperature，pressure与Feed相同 Molar Flow=200 kgmole/h 初始组成：vol%CO2=.1 H2=.9,简单操作步骤搭建流程,4.添加反应进料加热器:单元操

24、作类型：Heater名称：Feed Heater进料：Mixed出料：To Reactor能量流：Heater Duty 压降：50 kPa物料出口温度：200（注意保存，最好更名）,简单操作步骤搭建流程,5.添加反应器:单元操作类型：CSTR名称：Reactor进料：To Reactor出料：气相，From Reactor;液相，Dummy Liquid 能量流：Reactor Cooling等温反应：200压降：100 kPa反应器：圆柱形，直径10m,高度10m,简单操作步骤搭建流程,6.反应器Reactions选项卡下，加入反应集 Rating选项卡Sizing下输入反应器结构：,简单

25、操作步骤搭建流程,8.反应器Design选项卡Parameters下，输入反应器压降：,简单操作步骤搭建流程,反应器计算结果,简单操作步骤搭建流程,9.添加反应产物冷凝器:单元操作类型：Cooler名称：Product Cooler进料：From Reactor出料：Condensed Mixture能量流：Product Cooler Duty 压降：50 kPa物料出口温度：40,简单操作步骤搭建流程,10.添加反应产物凝液气液分离器:单元操作类型：Separator名称：Separator进料：Condensed Mixture出料：Vapor,Liquid能量流：绝热 压降：0 kPa

26、,简单操作步骤搭建流程,11.添加分离器气相物流分割器:单元操作类型：Tee名称：Purge Splitter进料：Vapor出料：Purge,Recycled分割比：Purge 0.0001作用：将部分气相物料“放空”以维持系统内部物料平衡,简单操作步骤搭建流程,12.添加循环气体增压机:单元操作类型：Compressor名称：Recycle Compressor进料：Recycled出料：To Recycle能量流：Recycl Comp Power出口压力：4000 kPaParameters:默认,简单操作步骤搭建流程,13.添加Recycle单元:单元操作类型：Recycle名称：R

27、ecycle进料：To Recycle出料：Recycle功能：循环迭代循环气体Recycle，直到算出的 To Recycle条件与假设的Recycle条件误 差达到精度要求应该自动完成所有流程计算 对比完成迭代计算后的Recyce物流条件与开始时在“搭建流程”第3部中所假设的物流条件有何差别！,简单操作步骤搭建流程,优化反应：研究结果表明，生成甲烷反应的最佳条件为：实际转化率为平衡转化率的90%反应器高径比 1/2检查发现流程计算条件下反应的平衡转化率为46.05%，因此，实际目标转化率应为46.03*0.9=41.4,简单操作步骤搭建流程,优化反应：调整反应器结构，计算反应，考察转化率H

28、eight Diameter Conversion 1 2 42.65.9 1.8 41.54.89 1.78 41.40,简单操作步骤搭建流程,15.产物分离添加精馏单元操作单元操作类型：Distillation Column名称：Distillation进料：Liquid出料：塔顶气相，Methanol;（Partial）塔顶液相馏出物，Dummy;塔底，Water能量流：冷凝器，Condenser Duty 再沸器，Reboiler Duty 理论板数：10,进料位置：5压力：顶1000 kPa,冷凝器压降0，底1015 kPa初值：回流比3,气相馏出物19.729kmol/h，液相馏出

29、0,点击运行,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)原先规定：Reflux Ratio,Ovhd Vap Rate,Distillate Rate,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%,简单操作步骤搭建流程,17.流程计算完成精馏塔计算要点：从进料条件估计出塔顶馏出物流率给出回流比初值。在多数情况下可输入3先在上面规定下完成塔的计算根据实际需要更

30、改设计规定，并激活，同时使原先的相同数量的规定失效有时可能要调整设计规定的数值。,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,18.添加甲醇产品冷却水物流物流名称：Water Source流量：100000 kg/h温度：30 压力：150 kPa组成：纯水,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,19.添加甲醇产品冷却水泵单元类型：Pump单元名称：Water Pump进料物流：Water Source出料物流：To Condenser能量流：Pump Power出口压力：600 kPa,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,20.添加甲醇产品水冷却器单元类型：Heat Exchanger单元

31、名称：Condenser壳程进料：To Condenser 出料：Water Return压降：50 kPa管程进料：Methanol 出料：Final Product压降：50 kPaUA:3333.33 W/K,UniSim换热器模拟方法：,“Heater”or“Cooler”最简单。只进行使物流达到目标温度的热量平衡计算 冷热工艺物流进行热量交换，指定UA，计算出口温度难度中等。如果能给出U的估计值，可用于粗略计算。推荐采用Exchanger Design(Weighted)策略。Steady State Rating最复杂。需要输入换热器结构信息，由UniSim估计出U值，从而计算出口

32、温度本例采用第2种方法，要控制甲醇与冷却水的出口温度分别是40和45,初步结果,冷却水出口温度太低，用量太大解决方法：增加Adjust单元，算出满足冷却水最高出口温度所需冷却水量,初步结果,冷却水出口温度太低，用量太大,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,21.添加Adjust单元单元类型：Adjust单元名称：Water T Control,如果达到设计最大迭代次数，在询问时，选择继续迭代,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,22.添加Tank单元单元类型：Tank单元名称：Methanol Storage进料物流：Final Product出料物流：气相，Vent;液相，Shipping输出压力：200 kPa,第4节 塔水力学计算,闪蒸精馏萃取吸收反应ConversionEquilibriumGibbsCSTR,换热Heat Exchanger Heat Exchanger RatingTray SizingCompressorPumpRecycle/Adjust/Set油品表征假组分,考题类型：简单笔试题 上机题：以上单元操作计算简单流程计算油品表征,