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1、Simulation Design of Separation Processes by Aspen Plus精馏分离的仿真设计华东理工大学 凌昊,中国化工学会培训中心 中国石油和化学工业协会培训中心,塔设备单元模型 分类,DSTWUDistlRadFracExtract,塔设备(Columns)单元共有9种模块：,MultiFracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac,DSTWU 简捷精馏（设计）,DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland简捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论
2、板数和加料板位置。,连接,DSTWU 模型的连接图如下：,1、塔设定(Column specifications)（1）塔板数(Number of stages)（2）回流比(Reflux ratio)0,实际回流比；-1,绝对值=实际回流比/最小回流比,模型参数,DSTWU模型有四组模型设定参数：,2、关键组分回收率(Key component recoveries)（1）轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分（2）重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分,DSTWU模型有四组模型设定参数：,3、压力(Pressure)（1）冷凝器(
3、Condenser)（2）再沸器(Reboiler),DSTWU模型有四组模型设定参数：,1 bar=0.986923267 标准大气压,4、冷凝器设定(Condenser specifications)（1）全凝器(Total condenser)（2）带汽相馏出物的部分冷凝器(Partial condenser with vapor distillate)（3）带汽、液相馏出物的部分冷凝器(Partial condenser with vapor and liquid distillate),DSTWU模型有四组模型设定参数：,1、生成回流比理论板数关系表(Generate table o
4、f reflux ratio vs.number of theoretical stages)2、计算等板高度(Calculate HETP),计算选项,DSTWU模型有两个计算选项：,“生成回流比理论板数关系表”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栏目中输入我们想分析的理论板数的最小值(Initial number of stages)、最大值(Final number of stages)和增量值(Increment size for number of stages)。计算完成后的结果中会包括回流比剖形(Reflux ratio profile),据此可以绘制回流比理
5、论板数曲线。,接近最小理论板数,接近最小回流比,合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。,应用示例(1),含苯、甲苯、二甲苯和部分碳九的混合物（F=8155kg/hr、P=2MPa、T=50 C），组成如作图所示。用精馏塔（塔顶0.15MPa，塔底0.2MPa）分离，要求99.9%的苯从塔顶排出，99.98%的甲苯从塔底排出，采用全凝器。求：Rmin，NTmin，R=1.2 Rmin 时的R、NT和NF。,应用示例(2),含乙苯 30%w、苯乙烯 70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用精馏塔（塔压0.02MPa）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶
6、排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求：Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF。,Distl 简捷精馏（操作）,Distl 模块用 Edmister 方法计算给定精馏塔的操作结果。,Distl 模块的连接图如下：,含水30%w、甲醇70%w的混合物(F=1000 kg/hr、P=0.12 MPa、T=20 C)用精馏塔(塔压0.12MPa)分离，采用全凝器，22块理论塔板，加料板在第15块，摩尔回流比0.56775，馏出物/加料摩尔比0.641。核算分离效果，再沸器功率。,应用示例(3),模型参数,在Specification表单中设定以下参数：理论板数 N
7、umber of stages 加料板位置 Feed stage 回流比 Reflux ratio 馏出物/进料摩尔比 Distillate to feed mole 冷凝器类型 Condenser type 冷凝器压强 Condenser pressure 再沸器压强 Reboiler pressure,计算结果,计算给出以下模块信息：冷凝器热负荷 Condenser duty 再沸器热负荷 Reboiler duty 进料板温度 Feed stage temperature 塔顶温度 Top stage temperature 塔底温度 Bottom stage temperature 进
8、料 q 值 Feed quality,过冷液体 q1；饱和液体 q=1；气液混合物 q1；饱和蒸气=0；过热蒸气0。,RadFrac 严格精馏模块,RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。,连接,RadFrac 模块的连接图如下：,模型设定,RadFrac 模型具有以下设定表单：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压强（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Pha
9、se）,配置,配置表单包含以下项目：1、塔板数（Number of Stages）2、冷凝器（Condenser）3、再沸器（Reboiler）4、有效相态（Valid Phase）5、收敛方法（Convergence)6、操作设定（Operation Specifications),(1)冷凝器,冷凝器配置从四个选项中选择一种：1、全凝器（Total）2、部分冷凝-汽相馏出物（Partial-Vapor）3、部分冷凝-汽相和液相馏出物（Partial-Vapor-Liquid）4、无冷凝器(None),(2)再沸器,三个选项中选择一种：1、釜式再沸器（Kettle）2、热虹吸式再沸器（The
10、rmosyphon）3、无再沸器(None),热虹吸式再沸器（Thermosyphon）,(3)有效相态,有效相态从四个选项中选择一种：1、汽-液（Vapor-Liquid）2、汽-液-液（Vapor-Liquid-Liquid）3、汽-液-冷凝器游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor）4、汽-液-任意塔板游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）,(4)收敛方法,体系收敛方法从六个选项中选择一种：1、标准方法（Standard）2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling）3、强非理想液相（Strongly Non
11、-ideal Liquid）4、共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义（Custom）,(5)操作设定,1、回流比（Reflux Ratio）2、回流速率（Reflux Rate）3、馏出物速率（Distillate Rate)4、塔底物速率（Bottoms Rate)5、上升蒸汽速率（Boilup Rate),操作设定从十个选项中选择：,6、上升蒸汽比（Boilup Ratio)7、上升蒸汽/进料比（Boilup to Feed Ratio)8、馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器热负荷（Condenser
12、Duty)10、再沸器热负荷（Reboiler Duty),操作设定从十个选项中选择：,(6)流股,1、进料流股（Feed Streams）指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股（Product Streams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。,在流股表单中设置以下参数：,(7)压强,从三种方式（View）中选择一种 1、塔顶/塔底（Top/Bottom）指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。2、压力剖型（Pressure Profile）指定每一块塔板压力。3、塔段压降（Section Pressure Drop）指定每一塔段的压降。,在压强表单中设置以下参数：,(8)冷凝器,冷凝器设定
13、有两组参数：,1、冷凝器指标（Condenser Specification）仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。,2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcooling option）回流物和馏出物都过冷(Both reflux and liquid distillate are subcooled)/仅仅回流物过冷(Only reflux is subcooled)2）过冷指标（Subcooling specification）过冷物温度(Subcooled temperature)/过冷度(
14、Degrees of subcooled),冷凝器设定有两组参数：,(9)再沸器,如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设置：,1、指定再沸器流量（Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件（Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件（Specify both flow and outlet condition）,RadFrac 的计算结果从三部分查看：1、结果简汇（Results summary）2、分布剖形（Profiles）3、流股结果（Stream results）,(10)结果查看,结果简汇给出塔顶（冷凝
15、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。,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。,（11）分布剖形 Profile,根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=69、NF=40，用RadFrac 模块进行精确计算。再根据浓度分布剖形结果选取最佳进料板位置，重新进行校核计算。,应用示例(4),RadFrac 设计规定,RadFrac 模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(Design Specs)和变化(Vary)两组对象进行设定
16、。主要目标：产品纯度下最优能耗。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。,新建Design specs 和 Vary 注意次序一一对应。,设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标 1、规定(Specification)2、组分(Components)3、进料/产物流股(Feed/Product Streams),在规定表单中输入以下指标 1、类型(Type)有36种变量类型共选用 2、目标(Target)设定规定变量的目标值 3、流股类型(Stream type)产物(Product)/内部(Internal)/倾析 器(Decanter
17、),在组分表单中输入定义目标值的组分(Components)（分子）和基准组分(Base Components)（分母）。从左侧可用组分(Available components)框中选择需用组分到右侧的选用组分(Selected Components)框中.,设计规定对象 Design spec.,在进料/产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称.在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。,（1）目标spec,（2）选定组成,（3）选定物流,Design specs 的输入方法,Vary 的输入方法,注意Vary有时需和一一输入变量对应,Sepc
18、-vary 应用示例,试模拟BTX分离的苯塔和甲苯塔分离模型，并对采用spec-vary进行优化。,BTX分离流程图,目标（1）苯中甲苯含量不超过0.0005 wt；（2）苯塔釜底产物苯含量不超过0.005 wt；（3）甲苯中二甲苯含量不超过0.0005 wt；（4）甲苯收率不低于98 wt%；,Components and feed,Property:chao-sea,苯塔输入参数,甲苯塔输入参数,目标值,目标组分,目标物流,Design Specs 的输入方法,设计规范,流股类型,三 部 曲,调整的变量,搜索区间,最大迭代步长,Vary 的输入方法,塔板效率,RadFrac 模块可以设定实
19、际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(Vaporization Efficiencies)或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率。,蒸发效率,Vaporization Efficiencies 定义如下,下标 i 代表组分，j 代表塔板编号。,墨弗里效率,Murphree Efficiencies定义如下,下标 i 代表组分，j 代表塔板编号。,如果示例BTX中的精馏段的墨弗里效率为0.65，提馏段的墨弗里效率为0.75，试求满足分离要求所需的塔板数、加料板位置和回流比。,报告选项,报告（Re
20、port）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Property options）里的包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项。另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。,选择了包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项后，剖形结果中将给出指定塔板上的汽、液两相的体积流量、密度、粘度和表面张力等塔板设计所需的参数。,查看示例BTX的水力学计算结果。,模型分析工具,灵敏度分析 Sensitivity优化 Optimization
21、数据拟合 Data Fit事件分析 Case Study费用估计 Cost Estimation,灵敏度分析,对苯塔的进料板位置进行灵敏度分析。目标：最小能耗，reboiler dutry变量：进料板位置，Feed stage,灵敏度分析,首先建立一个S-1,灵敏度分析,输入变量名，并定义目标变量,灵敏度分析,输入变量名，并定义目标变量,点击Edit,弹出目标变量选择窗口,项目,目标变量类型,模块,变量,描述,单位,目标变量选择,变量解释,优化变量的输入,目标变量类型,模块,变量,描述,单位,变化区间,步长,点数,报表选项,表列数,表列变量内容,可选内容,设置完成后按 按钮执行。,点击,计算结
22、果,最优值,运行状态,优化,采用Design spec.和vary方法计算的结果,目标产品纯度已达到，单塔已获得优化结果是否已得到最优能耗？,优化目标,限定条件,输入优化目标和限定条件,（1）定义变量,变量类型,变量类型,变量归属,变量,描述,（2）限定条件,定义需要约束的变量,变量名,约束范围,最小误差(按要求设定),设定其他限定条件后，进行优化设置。,目标表达式,选择的约束,（3）输入表达式和约束条件,需要提前建立,（4）自变量的选择,低限,低限,自变量选择,迭代步长选项,报告选项,（5）运行并查看结果,复杂精馏过程,塔板设计,塔板设计(Tray sizing)计算给定板间距下的塔径。可将
23、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(Trayed section)的起始塔板(Starting stage)和结束塔板(Ending stage)序号，塔板类型(Tray type)，塔板流型程数(Number of passes)，以及板间距(Tray spacing)等几何结构(Geometry)参数。,设置好后运行计算。,单通道塔板,双通道塔板,塔板类型提供了五种塔板供选用：1、泡罩塔板（Bubble Cap）2、筛板（Sieve）3、浮阀塔板（Glistch Ballast）4、弹性浮阀塔板（Koch Flexitray）5、条形浮阀塔板（N
24、utter Float Valve),结果(Results)表单中给出计算得到的塔内径(Column diameter)、对应最大塔内径的塔板序号(Stage with maximum diameter)、降液管截面积/塔截面积(Downcomer area/Column area)、侧降液管流速(Side downcomer velocity)、侧堰长(Side weir length)。,降液密封区,降液区,鼓泡区,剖形(Profiles)表单中给出每一块塔板对应的塔内径(Diameter)、塔板总面积(Total area)、塔板有效区面积(Active area)、侧降液管截面积(Si
25、de downcomer area)。,塔板核算,塔板核算（Tray rating）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。“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。,“塔板核算”的输入参数除了从“塔板设计”带来的之外，还应补充塔盘厚度(Deck thickness)和溢流堰高度(Weir heights)，多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高。,塔板核算（3）,注意单位！,厚度10-15Gauge,堰高50-75mm,300-450mm,塔板核算（4）,在塔板布置(Layout)表单中输入：浮阀的类型(Valve type)、材质(M
26、aterial)、厚度(Thickness)、有效区浮阀数目(Number of valves to active area)；筛孔直径(Hole diameter)和开孔率(Sieve hole area to active area fraction)。,塔板核算（5）,12mm左右最好,塔板核算（7）,在降液管(Downcomer)表单中输入：降液管底隙(Clearance)；顶部宽度(Width at top)；底部宽度(Width at bottom)；直段高度(Straight height)。,塔板核算结果在结果(Results)表单中列出，有三个参数应重点关注：1、最大液泛因子
27、(Maximum flooding factor)，应该小于0.8；2、塔段压降(Section pressure drop)；3、最大降液管液位/板间距(Maximum backup/Tray spacing)，应该在 0.25 0.5之间。,应用示例(5),在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。,一个计算实例,填料设计,填料设计(Pack sizing)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(Sheet thickness)、尺寸
28、(Size)、等板高度(Height equivalent to a theoritical plate)等参数。,填料设计（2）,填料厚度,填料设计（3）,填料类型共有 40 种填料供选用，以下是 5 种典型的散堆填料：,1、拉西环（RASCHIG）2、鲍尔环（PALL）3、阶梯环（CMR）4、矩鞍环（INTX）5、超级环（SUPER RING）,填料设计（4）,填料类型共有 40 种填料供选用，以下是 5 种典型的规整填料：,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
29、）,规整填料的特点：（1）规整填料压降小，筛板塔的1/4；（2）持液量小，塔容积的1-6%；（3）分离效率较高；（4）空隙率大，通量大，综合处理能力强。（5）工业放大效应不明显。,填料设计（5）,规整填料,250为比表面积m2/m3X为波纹与垂直方向的倾角,金属板厚度,填料设计（6）,结果(Results)表单中给出计算塔内径(Column diameter)、最大负荷分率(Maximum fractional capacity)、最大负荷因子(Maximum capacity fractor)、塔段压降(Section pressure drop)、比表面积(Surface area)等参数
30、。,填料核算,填料核算（Pack rating）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。,填料核算（2）,应用示例(6),对甲苯塔基础上先进行效率设定，然后进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。,吸收计算,RadFrac 模块用于吸收计算时，1）在Configuration表单中将冷凝器和再沸器类型选为“None”；2）在Streams表单中将塔底气体进料板位置设为塔板总数加 1，并将加料规则(Convention)设为“Above-Stage”；,吸
31、收计算(2),吸收计算(4),在收敛（Convergence）项目中将1、基本(Basic)表单里的算法(algorithm)设置为“Standard”，并将最大迭代次数(maximum iterations)设置为200;2、将高级(Advance)表单里的第一栏吸收器(Absorber)设置为“yes”。,吸收计算(5),吸收计算(6),摩尔组成为CO2(12%)、N2(23%)和H2(65%)的混合气体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C）用甲醇（F=30 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸收脱除CO2。吸收塔有30块理论板，在2.8 MPa 下操作。求
32、出塔气体中的CO2浓度。,吸收示例(1),在吸收示例（1）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量。,吸收示例(2),在吸收示例（2）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。,吸收示例(3),选用10块理论板，求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。,吸收示例(4),脱吸计算,脱吸是吸收的逆过程，脱吸计算与吸收计算的模型参数设置相同，只是物料初始组成不同。,将吸收示例（4）所得到的吸收富液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到0.1%。求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。,脱吸示例（1）,End,
