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1、Aspen Plus 应用基础,Models for Separation Processes分离过程模型(II),分离过程模型的分类,Aspen Plus 中的分离过程模型包含两大类别：,简单分离单元模型塔设备单元模型,塔设备单元模型 分类,DSTWUDistlRadFracExtract,塔设备(Columns)单元共有9种模块，其中 RateFrac 和 BatchFrac 需要单独的许可证，其余7种可直接使用：,MutiFracSCFracPetroFrac,DSTWU 简捷精馏（设计）,DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland捷算法进行精馏塔的设计，根据给定
2、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板数和加料板位置。,DSTWU 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),DSTWU 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 模型参数,DSTWU模型有
3、四组模型设定参数：,3、压力(Pressure)（1）冷凝器(Condenser)（2）再沸器(Reboiler),DSTWU 模型参数,DSTWU模型有四组模型设定参数：,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 模型参数,DSTWU模型有四组模型设定参数：,1、
4、生成回流比理论板数关系表(Reflux ratio vs.Number of theoretical stages)2、计算等板高度(Calculate HETP),DSTWU 计算选项,DSTWU模型有两个计算选项：,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。,DSTWU 应用示例(1),绘制示例（1）的NTR关系图，根据该图选取合理的R值，求取相应的 NT、N
5、F、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。,DSTWU 应用示例(2),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。设定：理论板数，加料板位置，回流比，D/F，冷凝器类型。计算：D和W组成，再沸器和冷凝器热负荷，塔顶、塔底和加料板温度。,Distl 连接,Distl 模块的连接图如下：,根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=61、NF=36 用Distl 进行核算。再选取NF=20进行核算。,Distl 应用示例(1),RadFrac 精密分离模块,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
6、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。,RadFrac 连接,RadFrac模型的连接图如下：,RadFrac模型设定,RadFrac 模型具有以下设定表：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）,RadFrac 配置,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（Convergen
7、ce)6、操作设定（Operation Specifications),RadFrac 配置（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),RadFrac 配置（再沸器）,再沸器配置从三个选项中选择一种：1、釜式再沸器（Kettle）2、热虹吸式再沸器（Thermosyphon）3、无再沸器(None),RadFrac 配置（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（V
8、apor-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）,RadFrac 配置（收敛方法）,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-ideal Liquid）4、共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义（Custom）,RadFrac 配置（操作设定）,1、回流比（
9、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 Duty)10、再沸器热负荷（Reboiler Duty),RadFrac 配置（操作设定）,操作设定从十个选项中选择：,RadFrac 流股,1、进料流股（F
10、eed 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。,RadFrac 压力,塔内压力设定有三种方式（View）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。,RadFrac 冷凝器,冷凝器设定有两组参数：,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
11、（Vapor Fraction）两个参数之一。,2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcooling option）二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回流物过冷。2）过冷指标（Subcooling specification）二选一：过冷物温度/过冷度,RadFrac 冷凝器,冷凝器设定有两组参数：,RadFrac 再沸器,热虹吸再沸器需要进行设定：,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
12、and outlet condition）,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）,RadFrac 结果查看,1、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。,RadFrac 结果查看,2、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。,RadFrac 结果查看,RadFrac 结果查看,3、流股结果给出进出的所有流股的工艺和
13、物性参数。,根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=61、NF=36，用RadFrac 进行核算。再选取最佳进料板位置进行核算。,RadFrac 应用示例(1),RadFrac 设计指标,RadFrac 模型带有内部的设计指标功能，通过Design Specs和Vary两组参数进行设定。可以设定多个指标参数和多个变化参数，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。,RadFrac 应用示例(2),如将示例（1）的塔压调到0.01 MPa，全塔压降0.005 MPa，试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量。,RadFrac 塔板效率,RadFrac 模型可以设定实际塔
14、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。,RadFrac 蒸发效率,Vaporization Efficiencies 定义如下,下标 i 代表组分，j 代表塔板编号。,RadFrac 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。,RadFrac 应用示例(3),如果示例（2）中的精馏段的墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里效率为0.55，试求满足分离
15、要求所需的塔板数和加料板位置。,RadFrac 报告选项,报告（Report）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。,RadFrac 应用示例(4),在示例（3）的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。,RadFrac 塔板设计,塔板设计（Tray sizing）计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用：1、泡罩塔板（Bub
16、ble 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（Nutter Float Valve),RadFrac 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。,RadFrac 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。,RadFrac 填料设计,填料设计（Pack sizing）计算选用某种填料时的塔
17、径，共有40种填料供选用，在此仅介绍 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料：,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）,RadFrac 填料设计,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）,RadFrac 填料设计,RadFrac 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
18、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。,RadFrac 应用示例(6),在示例（2）的基础上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。,RadFrac 吸收计算,吸收计算的设备参数设置：1）冷凝器和再沸器类型选“None”；2）气体进料板设置为“N+1”及“Above-Stage”；3）在收敛（Convergence）项目中将“Basic”表里的“algorithm”设置为“Standard”以及“maximum iterations”设置为200，将“Advance”表里的第一栏“Absorber”设置为“ye
19、s”。,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=60 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。求出塔气体中的CO2浓度。,RadFrac 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。,RadFrac 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。,RadFrac 吸收示例(3),选用10块理论板，
20、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。,RadFrac 吸收示例(4),RadFrac 脱吸计算,脱吸是吸收的逆过程，脱吸计算与吸收计算的设备参数设置相同，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。,RadFrac 脱吸示例,Extract 连续萃取塔,Extract 模块用逐级计算法精确计算给定连续萃取过程的操作
21、结果。可以采用三种方法求取液液平衡分配系数：1、用给定的物性方法（活度系数法或状 态方程法）；2、KLL温度关联式；3、用户子程序。,Extract 连接,Extract模块的连接图如下：,1、塔设定(Specs)1)塔板数(Number of stages)2)热状态选项(Thermal options)(1)绝热(Adiabatic)(2)指定温度剖形(Specify temperature)(3)指定热负荷剖形(Specify heat duty),Extract 模型参数,Extract 模块有四组基本模型参数：,2、关键组分(Key components)(1)第一液相(1st li
22、quid phase)即比重较大的液相，从塔底出料。(2)第二液相(2nd liquid phase)即比重较小的液相，从塔顶出料。,Extract 模型参数,Extract 模块有四组基本模型参数：,Extract 模型参数,Extract 模块有四组基本模型参数：,3、物流(Streams)设置各股侧线物流的加料板和出料板位置。,4、压力(Pressure)设置塔内的压力剖形。至少指定一块板。未指定板的压力通过内插或外推决定。,Extract 模型参数,Extract 模块有四组基本模型参数：,用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮45%w 的水溶液中萃取回收丙酮，处理量 500 kg/hr。采用逆流连续萃取塔，在 0.12 MPa下操作。求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。,Extract 萃取示例(1),
