aspen教程-稳态精馏过程模拟的建立-dstwu

第1页 3.稳态精馏过程模拟---模块介绍 • 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2页 3.稳态精馏过程模拟---模块介绍 • 塔(Columns) • 简捷法计算的蒸馏塔（指定分离要求，设计塔，即塔板 数、进料位置的设计） • DSTWU Distl SCFrac • 严格法计算的蒸馏塔 • RadFrac MultiFrac PetroFrac RateFrac • 液-液萃取塔 • Extract 第3页 3.稳态精馏过程模拟---模块介绍 • RadFrac • 用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作的严格计算模型。这些操作 包括一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取蒸馏和共 沸蒸馏等。 • 适用于常规的两相和三相蒸馏体系、窄沸程和宽沸程系统、具有液 相高度非理想系统。 • RadFrac能够处理游离水相和其他的第二液相、固相及每一级上的中 段回流。能够模拟有两个液相，且两股液相中有不同化学反应发生 的塔。可模拟盐析出。 • 该模型可以有任意级数、级间加热器（冷凝器）、倾析器和中段回 流。每一级进料物流的数量没有限制，但每一级出料至多只能有三 个（一个气相、两个液相）。 • 模型使用一个入口热流对所有除了冷凝器、再沸器和中段回流外的 级做一个复合规定。塔的级数是由冷凝器开始从顶向下进行编号。 第4页 3.稳态精馏过程模拟---模块介绍 • RadFrac---进料位置 • 在Setup Stream页规定进料和产品级的位置。 • Above-Stage(级上方进料) • On-Stage(级上进料) • RadFrac---再沸器处理 • 可模拟釜式再沸器和虹吸式再沸器。缺省为釜式再沸器作为该塔的最 后一级。 在Setup Configuration中可输入Reboiler Duty规定再沸 器的负荷或作为计算值保留它。 • RadFrac---加热器和冷却器 • 可在Heater Coolers Side Duties页中直接规定段间加热器和冷却器 的负荷，加热为正，冷却为负。 • RadFrac---效率 • 可在Setup Configuration中输入实际级数，然后使用Efficiencies 窗口选择规定蒸发效率或Murphere效率中的一个，用于考虑偏离平衡 的程度。 第5页 3.稳态精馏过程模拟---模块介绍 • RadFrac---物性方法 • 使用properties Property Sections页可替换全局的物性方 法，可以对塔的不同部分规定不同的物性方法。 • RadFrac---算法 • 用户可以在Convergence Basis页中选择一个算法对塔进行模拟 （前提是必须在Setup Configuration页的Convergence区域中 选择了Custom作为选项）。 第6页 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 DSTWU(简捷法精馏设计) Distl（简捷法精馏核算） SCFrac模块 第7页 DSTWU(简捷法精馏设计) 模型可针对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种 产品的蒸馏塔，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进 行简捷法蒸馏设计计算。 模型中假设恒定的摩尔流和恒定的相对挥发度，需输入 轻、重关键组分的回收率。 （指定轻LK重HK关键组分是什么，回收率、即分离要求 是多少） 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第8页 DSTWU(简捷法精馏设计) 采用Winn法估算最小理论板数，Underwood法 估算最小回流比，Gilliland法规定理论板数所必 需的回流比或规定回流比所必需的理论板数。 可确定最小回流比、最小理论板数或实际回流比 、实际理论板数。模型也估算最适宜的进料位置 、冷凝器和再沸器负荷。可生成回流比对于理论 板数的表和曲线。 （回流比大，气液负荷大，操 作费用高；理论板数多，设备费用增加） 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第9页 Distl（简捷法精馏核算） Distl模型可以模拟一个带有一股进料和两种 产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可带有分凝 器或全凝器。模型假定恒摩尔流和恒相对挥 发度。用Edimister法进行产品组成。 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第10页 Distl（简捷法精馏核算） Distl模型必需规定： 理论板数 回流比 塔顶产品流率 其他相关的塔设备参数等 可规定一个部分的或全部冷凝器。 Distl可估算冷凝器和再沸器的负荷。 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第11页 SCFrac (简捷法多塔蒸馏) SCFrac模型可以对具有一股进料、一股可选的 汽提蒸汽流和任何股产品的复杂塔进行简捷法 蒸馏的模拟计算，估算理论级数和每个塔段的 加热（冷却）负荷。用于模拟炼油塔（原油单 元和减压塔）。模型将有n个产品的塔分割成n- 1个塔段并从上而下为这些塔段编号。 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第12页 SCFrac (简捷法多塔蒸馏) 对每个塔段必需规定产品压力和基于进料流率 的产品流率或分率，对所有产品，除馏出物外 必须规定蒸汽与产品的比值。 计算中由于进行蒸汽计算，所以水必须被定义 为一个组分。所以水都与塔顶产品一起离开。 该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器 中完成。 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第13页 SCFrac (简捷法多塔蒸馏) SCFrac估算： 产品组成和流率 每一段的级数 每一段的热或冷负荷 该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器 中完成。 3.稳态精馏过程模拟—模块介绍—简捷蒸馏 第14页 【例1】 利用精馏方法对附表中进料流股 进行分离，其压强为445830 Pa， 处 于饱和液体状态。规定该分离操作的 轻、重关键组分分别为N-Butane和I- Pentane，塔顶产品中轻、重关键组 分的回收率（recovery）分别为0.990 8和0.0112，规定操作回流比为1.8。 体系热力学性质计算采用“SRK”模 型方程。 试确定：该条件下的最小回流比 、理论板数、最小理论板数及适宜的 进料位置。 组分 流量 / kmol/s Propane 0.0006 I-Butane 0.0013 N-Butane 轻 0.0038 I-Pentane 重 0.0025 N-Pentane 0.0019 N-Hexane 0.0025 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第15页 1 流程图绘制 • Columns/DSTWU/ICON1 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第16页 1 流程图绘制 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第17页 2 全局参数设置 进入setup/specification进行全局变量（global 设置。这里 • 工程单位：自定义 us-1（以MET为基础） • Run Type： Flowsheet流程模拟 • 要求显示流股的摩尔分率。 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第18页 3 组分输入 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第19页 4 进料流股参数设置 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第20页 5 DSTWU模型设置 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第21页 6 DSTWU结果查看 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第22页 6 DSTWU结果查看 • 最小回流比为1.23 • 实际回流比为1.8 • 最小理论板数为11.7 • 实际塔板数为21 • 进料板位置为第11块板 • 再沸器所需的热量为83129.2cal/sec • 冷凝器所需的冷量量为76206.4cal/sec 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例1 第23页 【例2】设计一精馏塔。 原料泡点进料，进料组成 、塔顶产品要求见表。操作 压力为4.4atm。要求塔顶采 用全凝器，回流比为1.8。 热力学计算采用物性方法P ENG-ROB。采用DSTWU 模块设计满足上述分离要求 的精馏塔。 组分 进料/ kmol/h 塔顶产品/ kmol/h 丙烷 5 异丁烷 10 正丁烷 30 ≥29.7248 异戊烷 20 ≤0.2247 正戊烷 15 正己烷 20 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第24页 1 流程图绘制 • Columns/DSTWU/ICON1 • 冷凝器为全凝器；连接流股时注意连接位置， 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第25页 1 流程图绘制 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第26页 2 全局参数设置 setup/specification设置全局变量（global设置 。这里 • 工程单位：MET • Run Type： Flowsheet • 报告要求显示流股的摩尔分率。 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第27页 3 组分输入 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第28页 4 进料流股参数设置 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第29页 5 DSTWU模型设置 这里轻关键组分为NC4， 重关键组分为I-C5。 对于轻关键组分NC4 Recov=29.7248/30=0.9908 重关键组分为I-C5 Recov=0.2247/20=0.01124 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第30页 5 DSTWU模型设置 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第31页 6 DSTWU结果查看 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第32页 6 DSTWU结果查看 • 最小回流比为1.32 • 实际回流比为1.8 • 最小理论板数为12.8 • 实际塔板数为24 • 进料板位置为第12块板 • 再沸器所需的热量为753.31kJ/sec • 冷凝器所需的热量为688.95kJ/sec 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—例2 第33页 【习题1】 设计一脱乙烷塔分离附表所示物料 ，要求塔顶采出中丙烷流率不得高 于2 kmol/h，塔底出料中乙烷流率 不得高于2 kmol/h。假定操作回流 比为最小回流比的2.5倍，选择部分 冷凝器。 计算最小回流比、所需的平衡级 数及适宜的进料位置。(进料流股 温度305.4K，压强2500kPa) 组分 流量 / kmol/h C1 160 C2 370 C3 240 n-C4 25 n-C5 5 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏—习题1 第34页 习题1 脱乙烷塔 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第35页 习题1 脱乙烷塔 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第36页 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第37页 【习题1】---灵敏度分析 结合习题1结果，考察回流比变化对精馏塔实际 理论板数、再沸器和泠凝器热负荷的影响。 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 灵敏度分析定义方法： 1）定义目标变量 2）定义自变量 3）规定表格 第38页 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 1）定义因变量（Flowsheet variable） 第39页 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 1）定义目标变量 相同方法定义再沸器及冷凝器热负荷 第40页 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 2）定义自变量(Vary)---回流比（RR）自1.2-10，步长为0.5变化 第41页 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 3）规定表格(Tabulate)---规定需要软件计算的变量列表 第42页 3.稳态精馏过程模拟—灵敏度分析 运行计算，/Model Analysis Tools/Sensitivity/S-1/Results/， 查看结果 课堂练习： 将计算结果 绘图 第43页 【习题2】 设计一精馏塔用于分离附表所示乙苯与 二甲苯混合物。流股在205kPa下泡点进 料。 设计要求：塔顶出料中O-xylene流率不 得高于1 kmol/h，塔底出料中M-xylene 流率不得高于1 kmol/h。假定操作回流 比为最小回流比的1.1倍，塔顶操作压强 为170kPa，塔压降为70kPa。 1）计算所需的平衡级数、操作回流 比及适宜的进料位置。 2）估算塔顶馏出液及釜液组成，并 与题中给定值做比较。 组分 流量 / kmol/h Ethylbenze ne 100 P-xylene对 100 M-xylene 间 200 O-xylene邻 100 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏 第44页 【习题3】 采用Radfrac模块，核算【习题2】设计得到的精馏塔 能否满足分离要求。 若不能，尝试做相应调整，使得分离要求得到满足。 3.稳态精馏过程模拟—简捷蒸馏+严格核算