ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用在化工过程设计中的应用第四章第四章多组分平衡级分离过程计算多组分平衡级分离过程计算（二）（二）第第第第 2 2 2 2 页页页页第四章第四章 多组分平衡级分离过程计算多组分平衡级分离过程计算C4.1 多组分单级分离过程 C4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 C4.3 多组分多级分离塔的严格计算A核算型（精馏塔参数分离性能？）A设计型（分离性能精馏塔结构尺寸？）第第第第 3 3 3 3 页页页页CAspen Plus中的分离过程模型： 简单分离单元模型：Separators 塔设备单元模型：Columns多组分分离过程模型的分类多组分分离过程模型的分类第第第第 4 4 4 4 页页页页C塔设备单元模型包含九个模块：包含九个模块： ADSTWU: 简捷蒸馏设计简捷蒸馏设计ADistl: 简捷蒸馏核算简捷蒸馏核算ARadFrac: 严格蒸馏严格蒸馏AExtract: 严格液严格液-液萃取器液萃取器AMultiFrac: 复杂塔的严格蒸馏复杂塔的严格蒸馏ASCFrac: 复杂塔的简捷蒸馏复杂塔的简捷蒸馏APetroFrac: 石油的严格蒸馏石油的严格蒸馏ARate-Frac: 非平衡级连续蒸馏非平衡级连续蒸馏ABatchFrac: 严格的间歇蒸馏严格的间歇蒸馏 第第第第 5 5 5 5 页页页页塔设备单元模型塔设备单元模型分类分类第第第第 6 6 6 6 页页页页ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型中的简捷法精馏塔设计模型 模型模型描述描述目的目的用于用于DSTWU使用使用WinnUnderwood- Gilliland 方法设计简捷法精馏方法设计简捷法精馏确定最小级数、最小确定最小级数、最小回流比或者实际回流回流比或者实际回流比、实际级数比、实际级数一个进料物流和一个进料物流和两个产品物流的两个产品物流的塔塔Distl使用Edmister方法进行简捷法精馏核算确定以回流比、级数、馏出与进料比为基准的分离程度,计算产品组成。一个进料物流和两个产品物流的塔SCFrac简捷法多塔精馏模块确定产品组成和流率每段的级数、使用分馏指数的热负荷原油单元常减压蒸馏塔第第第第 7 7 7 7 页页页页ASPEN PLUS的严格蒸馏模型的严格蒸馏模型模型模型描述描述目的目的用于用于RadFrac单个塔的两相或单个塔的两相或三相三相严格计算模块严格计算模块执行各塔严格核算和设计计执行各塔严格核算和设计计算算普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏MultiFrac严格法多塔精馏对一些复杂的多塔执行严格核算和设计计算原油单元常减压蒸馏塔、吸收/汽提塔组合等。PetroFrac石油精馏模块对石油炼制应用中的复杂塔执行严格核算和设计计算预闪蒸塔、常压原油单元、减压单元、催化裂化主分馏器、延迟焦化主分馏器、减压润滑油分馏器、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合RateFrac非平衡级速率模块对各塔和多塔执行严格核算与设计。基于非平衡级计算，不需要效率和HETPs。蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系统、热整合单元、石油应用例如原油和减压单元、吸收/汽提塔组合Extract严格液-液萃取使用一个溶剂模拟一个液体物流的逆流抽提液-液抽提塔，萃取塔第第第第 8 8 8 8 页页页页全回流及最少理论板层数全回流及最少理论板层数 全回流时，D=0， F=0，W=0 ；达到给定分离程度所需的理论板层数最少为Nmin。1）Nmin的求法的求法 a）图解法 xWxD理论板数的简捷算法 第第第第 9 9 9 9 页页页页芬斯克方程芬斯克方程 b）解析法芬斯克(Fenske)方程式 第第第第 10101010 页页页页最小回流比的求法最小回流比的求法 1）作图法）作图法a）对于正常的平衡曲线 第第第第 11111111 页页页页xq,yqq线与平衡线的交点坐标 qyqxq恩德伍特方程恩德伍特方程 第第第第 12121212 页页页页1、吉利兰图、吉利兰图 第第第第 13131313 页页页页 多组分多级分离塔的简捷计算多组分多级分离塔的简捷计算 C多组分精馏过程的近似设计算法常用于：A初步设计。A对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。A过程合成中寻找合理的分离顺序。A近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合适的设计变量数值和迭代变量初值。A当相平衡数据不够充分和可靠时，采用近似算法不比严格算法逊色。C近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用计算机进行数值求解也已广泛应用。 第第第第 14141414 页页页页多组分精馏多组分精馏的的简捷计算法简捷计算法 C多组分精馏的简捷计算法（FenskeUnderwood-Gilliland） A用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配；A用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；A用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比下的理论板数。第第第第 15151515 页页页页DSTWU-简捷法精馏设计简捷法精馏设计 CDSTWU算法特点：CDSTWU可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进行简捷法设计计算。CDSTWU假设恒定的摩尔流量和恒定的相对挥发度。C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。CDSTWU也估算适宜的进料位置、冷凝器和再沸器的热负荷，并产生一个可选的“回流比级数”的曲线图或表格。 第第第第 16161616 页页页页规定规定估计估计/结果结果轻重关键组分的回收率最小回流比和最小理论级数理论级数必需回流比回流比必需理论级数DSTWU使用使用去估算去估算Winn最小级数Underwood最小回流比Gilliland规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数第第第第 17171717 页页页页DSTWU 连接连接DSTWU 模型的连接图如下：第第第第 18181818 页页页页1、塔设定塔设定 ( 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（模型参数（1）DSTWU模型有四组模型设定参数：第第第第 19191919 页页页页DSTWU 模型参数（模型参数（1）第第第第 20202020 页页页页2、关键组分回收率 ( Key component recoveries )（1）轻关键组分在塔顶产品中的回收率 塔顶的轻关键组分流率/进料中的轻关键组分流率（2）重关键组分在塔顶产品中的回收率 塔顶的重关键组分流率/进料中的重关键组分流率DSTWU 模型参数（模型参数（2）第第第第 21212121 页页页页关键组分关键组分C所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组分);C这两组分中挥发度大的称为轻关键组分，挥发度小的称为重关键组分，它们各自在塔顶或塔底的含量必须加以控制，以保证分离后产品的质量。C它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的（即是应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重要作用。第第第第 22222222 页页页页关键组分关键组分 - - ExampleC例如，石油裂解气分离中的C2-C3塔，其进料组成中有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和丁烷；C分离要求规定塔釜中乙烷浓度不超过0.1，塔顶产品中丙烯浓度也不超过0.1，试问其轻重关键组分分别是哪两个?C分析：A甲烷、乙烯沸点低于乙烷，若能将乙烷和丙烯分开，乙烷和比乙烷轻的组分必定从塔顶排出，同样，比丙烯重的组分则必定从塔釜徘出。A因此，根据规定的分离要求，则能确定乙烷是轻关键组分，而丙烯则是重关键组分。 第第第第 23232323 页页页页DSTWU 模型参数（模型参数（2）第第第第 24242424 页页页页3、压力压力 ( Pressure)（1） 冷凝器 ( Condenser)（2） 再沸器 ( Reboiler)DSTWU 模型参数（模型参数（3）第第第第 25252525 页页页页DSTWU 模型参数（模型参数（3）第第第第 26262626 页页页页4、冷凝器设定 ( Condenser specifications) 三种类型：（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（模型参数（4）第第第第 27272727 页页页页DSTWU 模型参数（模型参数（4）第第第第 28282828 页页页页1.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 计算选项计算选项DSTWU模型有两个计算选项：第第第第 29292929 页页页页DSTWU 计算选项计算选项第第第第 30303030 页页页页DSTWU 计算选项计算选项第第第第 31313131 页页页页DSTWU 计算选项计算选项合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。第第第第 32323232 页页页页C例1：书（P79）C由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计示例示例 第第第第 33333333 页页页页ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计示例示例 C例2：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100 kmol/hr，进料组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18 atm。C要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯度达到99%（摩尔分数）。C塔顶设一全凝器，操作压力为17.8 atm，塔釜有再沸器，操作压力为18.2 atm。回流比为3。C试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。热力学模型选择Peng-Robinson方程。第第第第 34343434 页页页页ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计示例示例CDSTWU中回收率的设定均指塔顶馏出物中轻、重关键组分的回收率。C本例中轻关键组分乙烯的回收率是0.95；C本例中重关键组分乙烷的回收率第第第第 35353535 页页页页第第第第 36363636 页页页页第第第第 37373737 页页页页第第第第 38383838 页页页页第第第第 39393939 页页页页假定饱和液体进料，假定饱和液体进料，Vapor fraction设为设为0注意基准的选择注意基准的选择第第第第 40404040 页页页页回收率均指塔顶馏出物回收率均指塔顶馏出物第第第第 41414141 页页页页第第第第 42424242 页页页页第第第第 43434343 页页页页生成回流比关于理论生成回流比关于理论板数的关系表板数的关系表第第第第 44444444 页页页页回流比关于理论板数的剖面图回流比关于理论板数的剖面图第第第第 45454545 页页页页ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计练习练习C练习题1：C设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22 atm，进料为汽、液混合物，其中气相占60%，进料组成为甲烷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（摩尔分数）；C塔顶设一全凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔顶的收率不超过0.0175；C确定该精馏塔的理论板数、回流比、塔顶和塔釜的采出量及换热器的热负荷。C假定进料100kmol/h, 塔共有16块,物性选PENG-ROB。 第第第第 46464646 页页页页Distl 简捷校核模块简捷校核模块Distil可对带有一股进料和两股产品的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块用Edmister方法计算精馏塔的产品组成。Distil模块有两个假设：即恒摩尔流假设和恒定的相对挥发度假设。根据回流比、级数、馏出与进料比,计算产品组成。第第第第 47474747 页页页页Distl 简捷校核模块简捷校核模块第第第第 48484848 页页页页Distl 连接连接Distl 模块的连接图如下：第第第第 49494949 页页页页Distl 模型参数模型参数在Specification表单中设定以下两组参数：（1）塔设定 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（2）压力设定 冷凝器压强 Condenser pressure 再沸器压强 Reboiler pressure第第第第 50505050 页页页页Distl 模型参数模型参数第第第第 51515151 页页页页Distl 计算结果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 quality第第第第 52525252 页页页页Distl计算结果计算结果-塔参数塔参数第第第第 53535353 页页页页Distl计算结果计算结果-汽液相组成汽液相组成