aspen教程-气液平衡基础

1 利用AspenPlus完成精馏的设计与控制 Distillation Design and Control Using Aspen Simulation, William L. Luyben, Wiley-AIChE 第2页 利用AspenPlus完成精馏的设计与控制 1. fundamentals of vapor-liquid phase equilibrium(VLE) 2. analysis of distillation columns 3. setting up s steady-state simulation 4. distillation economic optimization 5. more complex distillation systems 6. steady-state calculations for control structure selection 7. converting from steady state to dynamic simualtion 9. reactive distillation 第3页 前言 第4页 前言 化工设计的步骤： 概念设计 初步设计 详细设计 简单粗略算法得到 初步 利用严格的模拟 评估概念设计中的初 步流程的稳态及动态 性能 给出设备的详细规格， 如塔板类型、进料管、 回流管定径、泵的规 格、换热器面积及阀 规格等 第5页 1. 气液平衡基础 1.1 蒸气压 1.2 二元VLE相图 1.3 物性方法 1.4 相对挥发度 1.5 泡点计算 1.6 三元图 1.7 VLE中的非理想性 1.8 三元物系的残余曲线 1.9 第6页 1.气液平衡基础 1.1 蒸气压 蒸气压是纯化学组分的一种物理属性。即某特定温度下，当气液 两相均存在时该纯化学组分所具有的压力。 蒸气压仅仅与温度有关，而与组成无关，因为蒸气压是纯组分 的属性。这种相关性很强，当温度增长时，蒸气压呈指数式增长。 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 ln Ps(with Ps in mmHg) 1 0 0 0 / T ( w i t h T i n K ) lnPS(Benzene) lnPS(Toluene) 图1.1 苯、甲苯的蒸气压曲线 温度升高 课堂练习： 完成图1.1的绘制 提示： 利用物性分析工具 Tools/analysis/property/pure 第7页 1.气液平衡基础 1.2 二元VLE相图 课堂练习： 完成图1.2，1.4，1.7，1.8的绘制 T-x-y图 x-y曲线图 第8页 1.气液平衡基础 1.2 二元VLE相图 相图的读解 图1.2 苯、甲苯T-xy图 饱和液体 饱和气体 （0.375） （0.586） （353.0K） （384.7K） 第9页 1.气液平衡基础 1.2 二元VLE相图 相图的读解 图1.8 丙烯/丙烷的xy图 第10页 1.气液平衡基础 1.3 物性方法 图1.3 T-xy二元图设置 第11页 1.气液平衡基础 1.3 物性方法 对于精馏计算而言最重要的问题是选择一种合适的物性方法以精确 的描述所选化学组分的相平衡。 其中，最常用的物性方法为： Aspen中，物性方法可分为： 理想物性方法 状态方程物性方法 逸度系数物性方法 专用系统物性方法 Chao-Seader法 van Laar法 SRK法 Peng-Rob 法 Wilson 法 Unifac 法 NRTL法 第12页 1.气液平衡基础 1.3 物性方法 第13页 1.气液平衡基础 1.4 相对挥发度 相对挥发度：两种组分的y/x（气相摩尔含量/液相摩尔含量）的比值 组分L相对于组分H的相对挥发度α可定义为： 相对挥发度越大，分离越容易 HH LL LH xy xy / / 课堂练习： 利用Excel，完成图1.9的绘制 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Liquid composition(mole fraction light) V a p o r c o m p o s i t i o n ( m o l e f r a c t i o n l i g h t ) 图1.9 相对挥发度分别为1.3、2、5的xy曲线 3.1 2 5 第14页 1.气液平衡基础 1.4 相对挥发度 二元体系中： x xy )1(1    α为轻重组分的相对挥发度 多元体系（NC种组分）中： 假定组分1最轻，组分2次轻，如此直至最终的组分，标记为H。 将组分j相对组分H的相对挥发度定义为 ，则：j HH jj j xy xy / / 经过推导，最终可得：    NC j jj jj j x x y 1   α恒定，则该式可关联气液相组成 α不恒定，则需泡点计算 第15页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 泡点：液体混合物处于某压力下开始沸腾的温度，称为混合物在这压力下的 泡点温度 露点：气体混合物处于某压力下开始凝结的温度，称为混合物在这压力下的 露点温度 最常见的VLE 问题就是已知系统总压P 和液相组成(即各个xj 的数值)，计 算气液相平衡时的温度和气相的组成yj；或者已知系统总压P 和气相组成 (即各个yj 的数值)，计算气液相平衡时的温度和液相的组成xj 第16页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 【例题】利用闪蒸单元操作，完成以下例题 • 物系：苯，甲苯，其中苯的摩尔分率为0.2 • P=106.7kPa下，求： 1）溶液的泡点温度及平衡气相组成 2）溶液的露点温度及平衡液相组成 第17页 Aspen中的单元操作模型 • 混合器/分流器（Mixers/Splitters） • 分离器(Separators) • 换热器(Heat Exchangers) • 塔(Columns) • 反应器(Reactors) • 压力变换器(Pressure Changers) • 操作器(Manipulators) • 固体(Solids) • 用户模型(Users) • 概念设计(Conceptual Design) 第18页 Aspen中的单元操作模型 -- Separators 模型 说明 目的 用途 Flash2 两股出料闪蒸 确定热和相态条件 闪蒸器, 蒸发器, 分离罐, 单级分 离罐 Flash3 三股出料闪蒸 确定热和相态条件 倾析器, 带有两个液相的单级分 离罐 Decanter 液-液倾析器 确定热和相态条件 倾析器, 带有两个液相无汽相的单级分离罐 Sep 组分分离器 把入口物流组分分离到出口物流 组分分离操作，例如，当分离的 详细资料不知道或不重要时的蒸 馏和吸收 Sep2 两股出料组分分离器 把入口物流组分分离到 两个出口物流 组分分离操作，例如，当分离的 详细资料不知道或不重要时的蒸 馏和吸收 第19页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 1）添加组分 • 2）选择热力学模型（Peng-Rob） 第20页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 3）绘制模拟流程图（Separators/Flash2） 第21页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 4）定义进料流股 第22页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 5）定义单元操作 第23页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 6）运行模拟计算，查看结果 第24页 1.气液平衡基础 1.5 泡点 露点 • 【例题】利用闪蒸单元操作，完成以下例题 • 物系：苯，甲苯，其中苯的摩尔分率为0.2 • P=106.7kPa下，求： 1）溶液的泡点温度及平衡气相组成 2）溶液的露点温度及平衡液相组成 第25页 1.气液平衡基础 1.6 三元图 C4 C5C6 0 10 1 图1.10 三元体系图 Feed composition： ZC4=0.2 ZC5=0.5 0.2 0.5 第26页 1.气液平衡基础 1.6 三元图 C4 C5C6 图1.11 三元混合规则 D，xD,C5=0.05 xD,C6≈0 三元混合规则： 若两股三元物流彼此混合，则混合物的组成（坐标为z1和z2）在以x1-x2 示的三元体系图上，必然处于两股物流对应坐标点的连线上。 B, xB,C4=0.05 xB,C6=? 组成平衡线 F C4 C5 C6 60 psia C4 C5 C6 第27页 1.气液平衡基础 1.7 VLE中的非理想性 甲醇-水物系的非理想行为 课堂练习：完成图1.13的绘制 第28页 1.气液平衡基础 1.7 VLE中的非理想性 乙醇-水物系的非理想行为 课堂练习：完成图1.14的绘制 6.75 第29页 1.气液平衡基础 1.7 VLE中的非理想性 Aspen Split计算共沸混合物 课堂练习：完成图1.14的绘制 第30页 1.气液平衡基础 1.8 三元物系的残余曲线 残余曲线： 假设容器中有一初始组成为的x1(0)和x2(0)三元混合物，维持系统压力恒定， 将气相物流连续自容器中移除，容器中残余液相的组成连续标于三元组成 图上，即得残余曲线图。 固定相对挥发度： αA=4 ；αB=2 ；αC=1 初始组成： xA=0.5 ；xB=0.25 ； 不同初始组成的 轨迹图，即体系 的残余曲线图 第31页 1.气液平衡基础 1.8 三元物系的残余曲线 Aspen绘制三元体系残余曲线 – 1）调用界面 第32页 1.气液平衡基础 1.8 三元物系的残余曲线 Aspen绘制三元体系残余曲线 – 2）设置面板 第33页 1.气液平衡基础 1.8 三元物系的残余曲线 Aspen绘制三元体系残余曲线 – 3）计算结果 第34页 1.气液平衡基础 小结 回顾气液平衡基础。 对于气液平衡的深刻了解是精馏系统设计和控制中必不可少的基础。 需掌握： 1）二元、三元相图绘制 2）混合物泡露点及平衡组成计算 3）共沸体系共沸组成确定，特殊相图绘制 4）三元体系残余曲线绘制