第四章ASPENPLUS多組分平衡級分離過程計算

1、ASPEN PLUS在化工過程設計中的應用在化工過程設計中的應用第四章第四章多組分平衡級分離過程計算多組分平衡級分離過程計算（二）（二）第四章第四章 多組分平衡級分離過程計算多組分平衡級分離過程計算C4.1 多組分單級分離過程 C4.2 多組分多級分離塔的簡捷計算 C4.3 多組分多級分離塔的嚴格計算A 核算型（精餾塔參數分離性能？）A 設計型（分離性能精餾塔結構尺寸？）CAspen Plus中的分離過程模型： 簡單分離單元模型：Separators 塔設備單元模型：Columns4.2.1多組分分離過程模型的分類多組分分離過程模型的分類C塔設備單元模型包含九個模塊：包含九個模塊： ADSTW

2、U: 簡捷蒸餾設計簡捷蒸餾設計ADistl: 簡捷蒸餾核算簡捷蒸餾核算ARadFrac: 嚴格蒸餾嚴格蒸餾AExtract: 嚴格液嚴格液-液萃取器液萃取器AMultiFrac: 復雜塔的嚴格蒸餾復雜塔的嚴格蒸餾ASCFrac: 復雜塔的簡捷蒸餾復雜塔的簡捷蒸餾APetroFrac: 石油的嚴格蒸餾石油的嚴格蒸餾ARate-Frac: 非平衡級連續(xù)蒸餾非平衡級連續(xù)蒸餾ABatchFrac: 嚴格的間歇蒸餾嚴格的間歇蒸餾塔設備單元模型塔設備單元模型分類分類ASPEN PLUS中的簡捷法精餾塔設計模型中的簡捷法精餾塔設計模型 模型模型描述描述目的目的用于用于DSTWU使用使用WinnUnderwo

3、od- Gilliland 方法設計簡方法設計簡捷法精餾捷法精餾確定最小級數、最小確定最小級數、最小回流比或者實際回流回流比或者實際回流比、實際級數比、實際級數一個進料物流和一個進料物流和兩個產品物流的兩個產品物流的塔塔Distl使用Edmister方法進行簡捷法精餾核算確定以回流比、級數、餾出與進料比為基準的分離程度,計算產品組成。一個進料物流和兩個產品物流的塔SCFrac簡捷法多塔精餾模塊確定產品組成和流率每段的級數、使用分餾指數的熱負荷原油單元常減壓蒸餾塔ASPEN PLUS的嚴格蒸餾模型的嚴格蒸餾模型模型模型描述描述目的目的用于用于RadFrac單個塔的兩相或單個塔的兩相或三相三相嚴格

4、計算模塊嚴格計算模塊執(zhí)行各塔嚴格核算和設計計執(zhí)行各塔嚴格核算和設計計算算普通蒸餾、吸收塔、汽提塔、萃取普通蒸餾、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸餾、三相蒸餾、反應蒸餾和共沸蒸餾、三相蒸餾、反應蒸餾MultiFrac嚴格法多塔精餾對一些復雜的多塔執(zhí)行嚴格核算和設計計算原油單元常減壓蒸餾塔、吸收/汽提塔組合等。PetroFrac石油精餾模塊對石油煉制應用中的復雜塔執(zhí)行嚴格核算和設計計算預閃蒸塔、常壓原油單元、減壓單元、催化裂化主分餾器、延遲焦化主分餾器、減壓潤滑油分餾器、乙烯裝置初餾塔和急冷塔組合RateFrac非平衡級速率模塊對各塔和多塔執(zhí)行嚴格核算與設計。基于非平衡級計算，不需要效率和HETPs。

5、蒸餾塔、吸收塔、汽提塔、反應系統、熱整合單元、石油應用例如原油和減壓單元、吸收/汽提塔組合Extract嚴格液-液萃取使用一個溶劑模擬一個液體物流的逆流抽提液-液抽提塔，萃取塔4.2.2 多組分多級分離塔的簡捷計算多組分多級分離塔的簡捷計算 C 多組分精餾過程的近似設計算法常用于：A 初步設計。A 對多種操作參數進行評比以尋求適宜的操作條件。A 過程合成中尋找合理的分離順序。A 近似算法還可用于控制系統的計算以及為嚴格計算提供合適的設計變量數值和迭代變量初值。A 當相平衡數據不夠充分和可靠時，采用近似算法不比嚴格算法遜色。C 近似算法雖然適于手算，但為了快速、準確，采用計算機進行數值求解也已廣

6、泛應用。 多組分精餾多組分精餾的的簡捷計算法簡捷計算法 C多組分精餾的簡捷計算法（FenskeUnderwood-Gilliland） A 用芬斯克（Fenske）公式估算最少理論板數和組分分配；A 用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；A 用吉利蘭（Gilliland）圖或相應的關系式估算實際回流比下的理論板數。全回流及最少理論板層數全回流及最少理論板層數 全回流時，D=0， F=0，W=0 ；達到給定分離程度所需的理論板層數最少為Nmin。1）Nmin的求法的求法 a）圖解法 xWxD理論板數的簡捷算法 mwwDDxxxxNlog11log1min 芬斯克方程芬斯克方程 b）

7、解析法芬斯克(Fenske)方程式 最小回流比的求法最小回流比的求法 1）作圖法）作圖法a）對于正常的平衡曲線 qDqDxxyxRR1minminqqqDxyyxRminxq,yqq線與平衡線的交點坐標 qyqxq恩德伍特方程恩德伍特方程 1、吉利蘭圖、吉利蘭圖 XY591422. 0545827. 0X/002743. 01minRRRX2minNNNYDSTWU-簡捷法精餾設計簡捷法精餾設計 C DSTWU算法特點：C DSTWU可對一個帶有分凝器或全凝器、一股進料和兩種產品的蒸餾塔進行簡捷法設計計算。C DSTWU假設恒定的摩爾流量和恒定的相對揮發(fā)度。C 根據給定的加料條件和分離要求計算

8、最小回流比、最小理論板數、給定回流比下的理論板數和加料板位置。C DSTWU也估算適宜的進料位置、冷凝器和再沸器的熱負荷，并產生一個可選的“回流比級數”的曲線圖或表格。 規(guī)定規(guī)定估計估計/結果結果輕重關鍵組分的回收率最小回流比和最小理論級數理論級數必需回流比回流比必需理論級數DSTWU使用使用去估算去估算Winn最小級數Underwood最小回流比Gilliland規(guī)定級數所必需的回流比或規(guī)定回流比所必需級數DSTWU 連接連接DSTWU 模型的連接圖如下：1、塔設定塔設定 ( Column specifications)（1）塔板數 ( Number of stages)（2）回流比 ( R

9、eflux ratio)0, 實際回流比； -1, 絕對值=實際回流比/最小回流比DSTWU 模型參數（模型參數（1）DSTWU模型有四組模型設定參數：DSTWU 模型參數（模型參數（1）2、關鍵組分回收率 ( Key component recoveries )（1）輕關鍵組分在塔頂產品中的回收率 塔頂的輕關鍵組分流率/進料中的輕關鍵組分流率（2）重關鍵組分在塔頂產品中的回收率 塔頂的重關鍵組分流率/進料中的重關鍵組分流率DSTWU 模型參數（模型參數（2）關鍵組分關鍵組分C 所謂關鍵組分，是進料中按分離要求選取的兩個組分（不少情況是揮發(fā)度相鄰的兩個組分);C 這兩組分中揮發(fā)度大的稱為輕關鍵

10、組分，揮發(fā)度小的稱為重關鍵組分，它們各自在塔頂或塔底的含量必須加以控制，以保證分離后產品的質量。C 它們對于物系的分離起著控制作用，且它們在塔頂或塔釜產品中的濃度或回收率通常是給定的（即是應該指定的兩個濃度變量），因而在設計中起著重要作用。關鍵組分關鍵組分 - - ExampleC 例如，石油裂解氣分離中的C2-C3塔，其進料組成中有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和丁烷；C 分離要求規(guī)定塔釜中乙烷濃度不超過0.1，塔頂產品中丙烯濃度也不超過0.1，試問其輕重關鍵組分分別是哪兩個?C 分析：A 甲烷、乙烯沸點低于乙烷，若能將乙烷和丙烯分開，乙烷和比乙烷輕的組分必定從塔頂排出，同樣，比丙烯重的組分則

11、必定從塔釜徘出。A 因此，根據規(guī)定的分離要求，則能確定乙烷是輕關鍵組分，而丙烯則是重關鍵組分。 C例1：書（P79）C 由精餾塔分離某泡點混合物，其進料組成、塔頂產品要求見表，全塔壓力P=4.4atm。采用全凝器，回流比為1.8，熱力學計算采用物性方法PENG-ROB。試用DSTWU模塊設計滿足上述分離要求的精餾塔。ASPEN PLUS的的簡捷法精餾塔設計簡捷法精餾塔設計示例示例 DSTWU 模型參數（模型參數（2）3、壓力壓力 ( Pressure)（1） 冷凝器 ( Condenser)（2） 再沸器 ( Reboiler)DSTWU 模型參數（模型參數（3）DSTWU 模型參數（模型參數

12、（3）4、冷凝器設定 ( Condenser specifications) 三種類型：（1） 全凝器 ( Total condenser)（2）帶汽相餾出物的部分冷凝器 ( Partial condenser with vapor distillate)（3）帶汽、液相餾出物的部分冷凝器 (Partial condenser with vapor and liquid distillate)DSTWU 模型參數（模型參數（4）DSTWU 模型參數（模型參數（4）1.生成 回流比理論板數 關系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of th

13、eoretical stages )2.計算等板高度 ( Calculate HETP )DSTWU 計算選項計算選項DSTWU模型有兩個計算選項：DSTWU 計算選項計算選項DSTWU 計算選項計算選項DSTWU 計算選項計算選項合理的理論板數應在曲線斜率絕對值較小的區(qū)域內選擇。C例1：書（P79）C 由精餾塔分離某泡點混合物，其進料組成、塔頂產品要求見表，全塔壓力P=4.4atm。采用全凝器，回流比為1.8，熱力學計算采用物性方法PENG-ROB。試用DSTWU模塊設計滿足上述分離要求的精餾塔。ASPEN PLUS的的簡捷法精餾塔設計簡捷法精餾塔設計示例示例 ASPEN PLUS的的簡捷法

14、精餾塔設計簡捷法精餾塔設計示例示例 C 例2：設計一個脫乙烷精餾塔，進料流量為100 kmol/hr，進料組成為：氫氣0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩爾分數），進料流股壓力為18 atm。C 要求乙烯在塔頂的收率達到95%，并且塔頂餾出物中乙烯純度達到99%（摩爾分數）。C 塔頂設一全凝器，操作壓力為17.8 atm，塔釜有再沸器，操作壓力為18.2 atm?；亓鞅葹?。C 試確定精餾塔的理論板數、進料位置以及產品流股的組成。熱力學模型選擇Peng-Robinson方程。ASPEN PLUS的的簡捷法精餾塔設計簡捷法精餾塔設計示

15、例示例CDSTWU中回收率的設定均指塔頂餾出物中輕、重關鍵組分的回收率。C本例中輕關鍵組分乙烯的回收率是0.95；C本例中重關鍵組分乙烷的回收率03. 024003. 010095. 075746. 010099. 0/95. 075746. 0100假定飽和液體進料，假定飽和液體進料，Vapor fraction設為設為0注意基準的選擇注意基準的選擇回收率均指塔頂餾出物回收率均指塔頂餾出物生成回流比關于理論板生成回流比關于理論板數的關系表數的關系表回流比關于理論板數的剖面圖回流比關于理論板數的剖面圖ASPEN PLUS的的簡捷法精餾塔設計簡捷法精餾塔設計練習練習C練習題1：C 設計一個丙烷精

16、餾塔，操作平均壓力為22 atm，進料為汽、液混合物，其中氣相占60%，進料組成為甲烷0.26、乙烷0.09、丙烷0.25、正丁烷0.17、正戊烷0.11和正己烷0.12（摩爾分數）；C 塔頂設一全凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔頂的收率不超過0.0175；C 確定該精餾塔的理論板數、回流比、塔頂和塔釜的采出量及換熱器的熱負荷。C 假定進料100kmol/h, 塔共有16塊,物性選PENG-ROB。 Distl 簡捷校核模塊簡捷校核模塊Distil可對帶有一股進料和兩股產品的簡單精餾塔進行簡捷校核計算，此模塊用Edmister方法計算精餾塔的產品組成。Distil模塊有兩個假設：即恒摩爾流假設和恒定的相對揮發(fā)度假設。根據回流比、級數、餾出與進料比,計算產品組成。Distl 簡捷校核模塊簡捷校核模塊Distl 連接連接Distl 模塊的連接圖如下：Distl 模型參數模型參數在Specification表單中設定以下兩組參數：（1）塔設定 理論板數 Number of stages 加料板位置 Feed stage 回流比 Reflux ratio 餾出物/進料摩爾比 Distillate to feed mole 冷凝器類型 Condenser type（2）壓力設定 冷凝器壓強 Condense