分离单元的仿真设计(二).ppt

《分离单元的仿真设计(二).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分离单元的仿真设计(二).ppt（148页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、Simulation Design of Separation Processes分离单元的仿真设计(二),化工CAD基础 第五讲,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：,MultiFracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac,塔设备单元模型分类（2）,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，根据给定的加料条

2、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 简捷精馏（2）,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)0,实际回流比；-1,绝对值=实际回流比/最小回流比,DSTWU 模型参数,DSTWU模型有四组模型设定参数：,DSTWU 模型参数（2）,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

3、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（3）,DSTWU模型有四组模型设定参数：,DSTWU 模型参数（4）,3、压力(Pressure)（1）冷凝器(Condenser)（2）再沸器(Reboiler),DSTWU 模型参数（5）,DSTWU模型有四组模型设定参数：,DSTWU 模型参数（6）,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

4、(Partial condenser with vapor and liquid distillate),DSTWU 模型参数（7）,DSTWU模型有四组模型设定参数：,DSTWU 模型参数（8）,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),1、生成回流比理论板数关系表(Generate table of reflux ratio

5、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：,DSTWU 计算选项（2）,“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

6、制回流比理论板数曲线。,DSTWU 计算选项（3）,DSTWU 计算选项（4）,DSTWU 计算选项（5）,合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。,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、NF、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。,Distl 连接,Distl 模块的连接图如下：,Distl 模型参数,在Specification表单中设定以下参数：理论板数 Number of stages 加料板位置 Feed stage 回流

7、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,Distl 模型参数（2）,Distl 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 进料 q 值 Feed qual

8、ity,Distl 计算结果（2）,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。,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 精密分离模块（2）,RadFrac 连

9、接,RadFrac 模块的连接图如下：,RadFrac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-Phase）,RadFrac 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),RadFrac 配置（

10、2）,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（冷凝器）（2）,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（再沸器）（2）,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-

11、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）,RadFrac配置(有效相态)（2）,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）,Ra

12、dFrac配置(收敛方法)(2),RadFrac 配置（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 Duty)10、再沸器热负荷（Reboiler Duty),RadFrac配置(

13、操作设定)(2),操作设定从十个选项中选择：,RadFrac配置(操作设定)(3),RadFrac 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：,RadFrac流股（2）,RadFrac 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

14、中设置以下参数：,RadFrac压强（2）,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（Vapor Fraction）两个参数之一。,RadFrac 冷凝器（2）,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（Subc

15、ooling specification）过冷物温度(Subcooled temperature)/过冷度(Degrees of subcooled),RadFrac 冷凝器（3）,冷凝器设定有两组参数：,RadFrac 冷凝器（4）,RadFrac 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 再沸器,R

16、adFrac 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）,RadFrac 结果查看,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 结果简汇,RadFrac 结果简汇（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 分布剖形,RadFrac 分布剖形（2）,RadFrac 分布剖形（3）,根据

17、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。,RadFrac 应用示例(1),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。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。,RadFrac 设计规定(2),RadFrac 设计规定对象,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(Comp

18、onents)3、进料/产物流股(Feed/Product Streams),RadFrac设计规定对象(2),RadFrac设计规定对象(3),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),RadFrac设计规定对象(4),RadFrac设计规定对象(5),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

19、 components)框中选择需用组分到右侧的选用组分(Selected Components)框中.,RadFrac设计规定对象(6),RadFrac设计规定对象(7),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.,RadFrac设计规定对象(8),RadFrac 变化对象,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。,RadFrac 变化对象（2）,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 模块

20、可以设定实际塔板的板效率(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。,RadFrac 塔板效率（2）,RadFrac 塔板效率（3）,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

21、）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，试求满足分离要求所需的塔板数、加料板位置和回流比。,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 报告选项（2）,RadFrac 报告选项（3）,RadFrac 报告选项（4）,选择了包括水力学参数（Include hyd

22、raulic 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。,RadFrac 报告选项（5）,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。可将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

23、(Number of passes)，以及板间距(Tray spacing)等几何结构(Geometry)参数。,RadFrac 塔板设计（2）,RadFrac 塔板设计（2）,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（Nutter Float Valve),RadFrac 塔板设计（3）,RadFrac 塔板设计（4）,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(Stag

24、e 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)。,RadFrac 塔板设计（5）,RadFrac 塔板设计（6）,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(Side downcomer area)。,RadFrac 塔板设计（7）,RadFrac 塔板核算,塔板核算（Tray r

25、ating）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 塔板核算（2）,“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。,RadFrac 塔板核算（3）,RadFrac 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(Material)、厚度(Thickness)、有效区浮阀数目(Number of va

26、lves to active area)；筛孔直径(Hole diameter)和开孔率(Sieve hole area to active area fraction)。,RadFrac 塔板核算（5）,RadFrac 塔板核算（6）,RadFrac 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)。,RadFrac 塔板核算（8）,RadFrac 塔板核算（9）,塔板核算结果在结果(Results)表单中列出，有三个参数应重

27、点关注：1、最大液泛因子(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。,RadFrac 塔板核算（10）,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内径。在Specification表单中输入填料类型(Type)、生产厂商(Vendor)

28、、材料(Material)、板材厚度(Sheet thickness)、尺寸(Size)、等板高度(Height equivalent to a theoritical plate)等参数。,RadFrac 填料设计（2）,RadFrac 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）,RadFrac 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

29、（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（5）,RadFrac 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。,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

30、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。,RadFrac 填料核算（2）,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,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”；,RadFrac 吸收计算(2),RadFrac 吸收计算

31、(3),RadFrac 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”。,RadFrac 吸收计算(5),RadFrac 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=60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸收脱除CO2。吸收塔有

32、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，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模型参数设置相同，只是物料初

33、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（1）,Extract 连续萃取塔,Extract 模块用逐级计算法精确计算连续逆流萃取过程的操作结果。,Extract连续萃取塔（2）,Extract 连接,Extract模块的连接图如下：,1、塔设定(Specs)表单 1)塔板数(Number of stages)2)热状态选项(Thermal option

34、s)(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：,Extract 模型参数（2）,2、关键组分(Key components)表单(1)第一液相(1st liquid 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（3）,Extract 模型参数（4）,Extract 模型参数（5）,3、物流(Streams)表单 塔顶和

35、塔底必须各有一股进料和出料物流。如果还有侧线物流，则在此表单中设置侧线进料物流的加料板位置和侧线出料物流的出料板位置和流量。,Extract 模型参数（6）,Extract 模型参数（7）,4、压强(Pressure)表单 设置塔内的压强剖形。至少指定一块板的压强。未指定板的压强通过内插或外推决定。,Extract 模型参数（8）,Extract 级效率,1、选项(Options)表单 选择使用通用级效率(Specify stage efficiencies)还是为每一个组分分别指定级效率(Specify efficiencies for individual components)。,Ext

36、ract模块采用级效率来处理两液相组成未达到平衡的真实过程，缺省的级效率为 1（平衡级）。,Extract 级效率（2）,Extract 级效率（3）,2、级(Stages)表单 输入每一块板上的通用板效率。3、组分(Components)表单 输入每一个组分在每一块板上的组分板效率。,Extract 级效率（4）,Extract 物性方法,1、选项(Options)表单 首先选择下列三类方法之一：1）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模块提供三类方法求取液液平衡分配系数。,Extract 物性方法（2）,Extract 物性方法（3）,2、KLL关联式(KLL correlation)表单 如果选择KLL温度关联式方法，则在此输入各关联式中的系数。,Extract 物性方法（4）,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),