Simulation Design ofSimulation Design of Separation Processes Separation Processes分离单元的仿真设计分离单元的仿真设计 ( (二二二二) )CAPD基础 第八讲第八讲1分离过程模型的分类Aspen Plus 中的分离中的分离过程模型包含两大类别：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2塔设备单元模型 分类1.DSTWU2.Distl3.RadFrac4.Extract塔设备塔设备塔设备塔设备(Columns)(Columns)单元共有单元共有单元共有单元共有9 9种模块种模块种模块种模块：5.MultiFrac6.SCFrac7.PetroFrac8.RateFrac9.BatchFrac3塔设备单元模型分类（2 2）4DSTWU 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。5DSTWU 简捷精馏 （2 2）6DSTWU 连接DSTWU 模型的连接图如下：71、塔设定塔设定 ( Column specifications)（1）塔板数）塔板数 ( Number of stages)（2）回流比 ( Reflux ratio) 0, 实际回流比；实际回流比； -1, 绝对值绝对值=实际回流比实际回流比/最小回流比最小回流比DSTWU 模型参数DSTWU模型有四组模型有四组模型设定参数模型设定参数：8DSTWU 模型参数（2）92、关键组分回收率 ( Key component recoveries )（1 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馏出物中的轻关键组分/ /进料中的轻关键组分进料中的轻关键组分（2 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馏出物中的重关键组分/ /进料中的重关键组分进料中的重关键组分DSTWU 模型参数（3 3）DSTWU模型有四组模型设定参数：10DSTWU 模型参数（4 4）113、压力 ( Pressure)（1） 冷凝器 ( Condenser)（2） 再沸器 ( Reboiler)DSTWU 模型参数（5 5）DSTWU模型有四组模型设定参数：12DSTWU 模型参数（6 6）134、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（7 7）DSTWU模型有四组模型设定参数：14DSTWU 模型参数（8 8）15 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)161、生成回流比理论板数关系表 ( Generate table of 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：17DSTWU 计算选项（2 2）18 “ “生生成成回回流流比比理理论论板板数数关关系系表表” ”对对选选取取合合理理的的理理论论板板数数很很有有参参考考价价值值。在在实实际际回回流流比比对对理理论论板板数数栏栏目目中中输输入入我我们们想想分分析析的的理理论论板板数数的的最最小小值值( (Initial Initial number number of of stagesstages) )、最最大大值值( (Final Final number number of of stagesstages) )和和增增量量值值( (Increment Increment size size for for number number of of stagesstages) )。计计算算完完成成后后的的结结果果中中会会包包括括回回流流比比剖剖形形( (Reflux Reflux ratio ratio profileprofile), ), 据据此此可可以以绘绘制制回回流流比比理理论板数曲线。论板数曲线。DSTWU 计算选项（3 3）19DSTWU 计算选项（4 4）20DSTWU 计算选项（5 5）合合理理的的理理论论板板数数应应在在曲曲线线斜斜率率绝绝对对值值较较小小的的区区域域内内选选择择。21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)22Distl 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。23Distl 连接Distl 模块的连接图如下：24Distl 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 pressure25Distl 模型参数（2）26Distl 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 quality27Distl 计算结果（2 2）28 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)29RadFrac 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。30RadFrac 精密分离模块（2 2）31RadFrac 连接 RadFrac 模块的连接图如下：32RadFrac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）33RadFrac 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、操作设定操作设定 （Operation Specifications)34RadFrac 配置（2 2）35RadFrac 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)36RadFrac配置（冷凝器）（2 2）37RadFrac 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)38RadFrac配置（再沸器）（2 2）39RadFrac 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（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）40RadFrac配置 (有效相态)（2 2）41RadFrac配置（收敛方法）收敛方法从六个选项中选择一种：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 LiquidStrongly Non-ideal Liquid） 4、共沸体系（Azeotropic） 5、深度冷冻体系（Cryogenic） 6、用户定义（Custom）42RadFrac配置 (收敛方法) (2)(2)43RadFrac 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：446、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) (2)(2)操作设定从十个选项中选择：45RadFrac配置 (操作设定) (3)(3)46RadFrac 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：47RadFrac流股（2 2）48RadFrac 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。在压强表单中设置以下参数：49RadFrac压强（2 2）50RadFrac 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。51RadFrac 冷凝器（2）522、过冷态（SubcoolingSubcooling）1）过冷选项（Subcooling optionSubcooling option） 回流物和馏出物都过冷 (Both reflux and (Both reflux and liquid distillate are subcooled) liquid distillate are subcooled) /仅仅回流物过冷 (Only reflux is subcooled)(Only reflux is subcooled)2）过冷指标（Subcooling specificationSubcooling specification） 过冷液温度 (Subcooled temperature)(Subcooled temperature) /过冷度 (Degrees of subcooled)(Degrees of subcooled)RadFrac 冷凝器（3）冷凝器设定有两组参数：53RadFrac 冷凝器（4）54RadFrac 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 ）55RadFrac 再沸器56RadFrac 的计算结果从三部分查看： 1 1、结果简汇（Results summary） 2 2、分布剖形（Profiles） 3 3、流股结果（Stream results）RadFrac 结果查看57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58RadFrac 结果简汇（2）59 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60RadFrac 分布剖形（2）61RadFrac 分布剖形（3）62 根据DSTWU示例（2）的结果，选取 R=20、NT=72、NF =42 ，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)63RadFrac 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。64RadFrac 设计规定 (2)(2)65RadFrac 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 (Components) 3、进料/产物流股 (Feed/Product Streams) 66RadFrac设计规定对象 (2)(2)67RadFrac设计规定对象 (3)(3)在规定表单中输入以下指标在规定表单中输入以下指标 1、类型、类型 (Type) 有有36种变量类型共选用种变量类型共选用 2、目标、目标 (Target) 设定规定变量的目标值设定规定变量的目标值 3、流股类型、流股类型 (Stream type) 产物产物(Product)/内部内部(Internal)/倾析倾析 器器(Decanter)68RadFrac设计规定对象 (4)(4)69RadFrac设计规定对象 (5)(5) 在在组组分分表表单单中中输输入入定定义义目目标标值值的的组组分分 (Components)（分分子子）和和基基准准组组分分 (Base Components)（分分母母）。从从左左侧侧可可用用组组分分 (Available components)框框中中选选择择需需用用组组分分到到右右侧侧的的选选用用组组分分 (Selected Components) 框中框中.70RadFrac设计规定对象 (6)(6)71RadFrac设计规定对象 (7)(7) 在在进进料料/ /产产物物流流股股表表单单中中选选择择定定义义设设计计规规定定目目标标值值的的流流股股名名称称.72RadFrac设计规定对象 (8)(8)73RadFrac 变化对象 在变化对象的在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。范围的上、下限值。 74RadFrac 变化对象（2 2）75RadFrac 应用示例 (2)如如将将示示例例（1）的的塔塔压压调调到到0.01 MPa，全全塔塔压压降降0.005 MPa，试试求求满满足足分分离离要要求求所所需需的的回回流流比比和和馏馏出出物物流量。流量。 76RadFrac 塔板效率RadFrac 模模块块可可以以设设定定实实际际塔塔板板的的板板效效率率(Efficiencies)。用用户户可可选选用用蒸蒸发发效效率率(Vaporization Efficiencies) 或或墨墨弗弗里里效效率率(Murphree Efficiencies)，并并选选择择指指定定单单块块板板的的效效率率，单单个个组组分分的的效率，或者塔段的效率。效率，或者塔段的效率。77RadFrac 塔板效率（2 2）78RadFrac 塔板效率（3 3）79RadFrac 蒸发效率Vaporization Efficiencies 定义如下定义如下下标下标 i 代表组分，代表组分，j 代表塔板编号。代表塔板编号。80RadFrac 墨弗里效率Murphree Efficiencies定义如下定义如下下标下标 i 代表组分，代表组分，j 代表塔板编号。代表塔板编号。81RadFrac 应用示例 (3)如如果果示示例例（2）中中的的精精馏馏段段的的墨墨弗弗里里效效率率为为0.45，提提馏馏段段的的墨墨弗弗里里效效率率为为0.55，试试求求满满足足分分离离要要求求所所需需的的塔塔板板数数、加加料料板板位位置置和和回回流比。流比。 82RadFrac 报告选项 报报告告（Report）中中有有一一项项对对塔塔板板设设计计非非常常重重要要，即即性性质质选选项项（Property options）里里的的包包括括水水力力学学参参数数（Include hydraulic parameters）选选项项。另另外外剖剖形形选选项项（Pro）里里包包括括哪哪些些塔塔板板（Stages to be included in report）也很有用。也很有用。83RadFrac 报告选项（2 2）84RadFrac 报告选项（3 3）85RadFrac 报告选项（4 4）选选 择择 了了 包包 括括 水水 力力 学学 参参 数数（Include hydraulic parameters）选选项项后后，剖剖形形结结果果中中将将给给出出指指定定塔塔板板上上的的汽汽、液液两两相相的的体体积积流流量量、密密度度、粘粘度度和和表表面面张张力力等等塔塔板板设设计计所所需的参数。需的参数。86RadFrac 报告选项（5 5）87RadFrac 应用示例 (4)在在示示例例（3）的的基基础础上上选选定定性性质质选选项项中中的的包包括括水水力力学学参参数数，计算后查看结果。计算后查看结果。88