Simulation Design ofSimulation Design ofSimulation Design of Separation Processes by Aspen Plus Separation Processes by Aspen Plus Separation Processes by Aspen Plus精精精馏馏馏分分分别别别的仿真的仿真的仿真设计设计设计华东华东华东理工大学理工大学理工大学 凌昊凌昊凌昊中国化工学会培中国化工学会培中国化工学会培中国化工学会培训训中心中心中心中心 中国石油和化学工中国石油和化学工中国石油和化学工中国石油和化学工业协业协会培会培会培会培训训中心中心中心中心;塔设备单元模型 分类1.DSTWU2.Distl3.RadFrac4.Extract塔塔塔塔设备设备ColumnsColumns单单元共有元共有元共有元共有9 9种模种模种模种模块块：5.MultiFrac6.SCFrac7.PetroFrac8.RateFrac9.BatchFrac;DSTWU 简捷精馏设计DSTWU 模模块块用用Winn-Underwood-Gilliland简简捷算法捷算法进进展展精精馏馏塔的塔的设计设计，根据，根据给给定的加料条件定的加料条件和分和分别别要求要求计计算最小回流比、最小算最小回流比、最小实实际际板数、板数、给给定回流比下的定回流比下的实际实际板数和板数和加料板位置。加料板位置。;衔接DSTWU 模型的衔接图如下：;1、塔、塔设设定定 Column specifications 1 塔板数塔板数 Number of stages 2 回流比回流比 Reflux ratio 0, 实实践回流比；践回流比； 1； 饱和液体饱和液体 q=1 ； 气液混合物气液混合物 q1 ； 饱和蒸气饱和蒸气=0； 过热蒸气过热蒸气0。 ;RadFrac 严厉精馏模块 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 模块用于准确计算精馏塔、吸收塔板式塔或填料塔的分别才干和设备参数。;衔接 RadFrac 模块的衔接图如下：;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;配置配置表单包含以下工程： 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 Operation Specifications;1 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;2 再沸器三个三个选项中中选择一种：一种： 1、釜式再沸器、釜式再沸器Kettle 2、热虹吸式再沸器虹吸式再沸器Thermosyphon 3、无再沸器、无再沸器 None;热热虹吸式再沸器虹吸式再沸器虹吸式再沸器虹吸式再沸器ThermosyphonThermosyphon;3 有效相态有效相有效相态从四个从四个选项中中选择一种：一种： 1、汽、汽-液液Vapor-Liquid 2、汽、汽-液液-液液Vapor-Liquid -Liquid 3、汽、汽-液液- 冷凝器游离水冷凝器游离水 Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor 4、汽、汽-液液- 恣意塔板游离水恣意塔板游离水 Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage;4 收敛方法体系收体系收敛方法从六个方法从六个选项中中选择一种：一种： 1、规范方法范方法Standard 2、石油、石油/宽沸程沸程Petroleum/Wide-Boiling 3、强非理想液相非理想液相Strongly Non-ideal Liquid 4、共沸体系、共沸体系Azeotropic 5、深度冷、深度冷冻体系体系Cryogenic 6、用、用户定定义Custom;5 操作设定1、回流比Reflux Ratio2、回流速率Reflux Rate3、馏出物速率Distillate Rate4、塔底物速率Bottoms Rate5、上升蒸汽速率Boilup Rate操作操作设定从十个定从十个选项中中选择：;6、上升蒸汽比Boilup Ratio7、上升蒸汽/进料比Boilup to Feed Ratio8、馏出物/进料比Distillate to Feed Ratio9、冷凝器热负荷Condenser Duty10、再沸器热负荷Reboiler Duty操作操作设定从十个定从十个选项中中选择：;6 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。在流股表在流股表单中中设置以下参数：置以下参数：;7 压强从三种方式从三种方式View中中选择一种一种 1、塔、塔顶/塔底塔底Top/Bottom 指定塔指定塔顶压力、冷凝器力、冷凝器压降和塔降和塔压降。降。 2、压力剖型力剖型Pressure Profile 指定每一指定每一块塔板塔板压力。力。 3、塔段、塔段压降降Section Pressure Drop 指定每一塔段的指定每一塔段的压降。降。在在压强表表单中中设置以下参数：置以下参数：;8 冷凝器冷凝器冷凝器设定有两定有两组参数：参数：1、冷凝器目的Condenser Specification 仅仅运用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度Temperature和蒸汽分率Vapor Fraction两个参数之一。;2、过冷态Subcooling1过冷选项Subcooling option 回流物和馏出物都过冷 Both reflux and liquid distillate are subcooled /仅仅回流物过冷 Only reflux is subcooled2过冷目的Subcooling specification 过冷物温度 Subcooled temperature /过冷度 Degrees of subcooled冷凝器冷凝器设定有两定有两组参数：参数：;9 再沸器如如选用了用了热虹吸再沸器，那么需求虹吸再沸器，那么需求进展展设置：置：1、指定再沸器流量 Specify reboiler flow rate2、指定再沸器出口条件 Specify reboiler outlet condition3、同时指定流量和出口条件 Specify both flow and outlet condition ;RadFrac 的计算结果从三部分查看： 1、结果简汇Results summary 2、分布剖形Profiles 3、流股结果Stream results10 结果查看;结果果简汇给出塔出塔顶冷凝器和塔底冷凝器和塔底再沸器的温度、再沸器的温度、热负荷、流量、回流荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在份在各出塔物流中的分配比率。各出塔物流中的分配比率。; 分分布布剖剖形形给给出出塔塔内内各各塔塔板板上上的的温温度度、压压力力、热热负负荷荷、相相平平衡衡参参数数，以以及及每每一一相相态态的的流流量量、组组成成和和物物性性。据据此此可可确确定定最最正正确确加加料板和料板和侧线侧线出料板位置。出料板位置。11分布剖形 Profile; 根根据据DSTWU例例如如 2 的的结结果果，选选取取 R=25、 NT=69、 NF =40 ， 用用RadFrac 模模块块进进展展准准确确计计算算。再再根根据据浓浓度度分分布布剖剖形形结结果果选选取取最最正正确确进进料料板板位置，重新位置，重新进进展校核展校核计计算。算。 运用例如 4;RadFrac 设计规定RadFrac 模型模型带带有内部的有内部的设计规设计规定功定功能，能，经过设计规经过设计规定定 Design Specs 和和变变化化 Vary 两两组对组对象象进进展展设设定。定。主要目的：主要目的：产产品品纯纯度下最度下最优优能耗。能耗。可以可以设设置多个置多个设计规设计规定定对对象和多个象和多个变变化化对对象，但要留意两者象，但要留意两者间间的依的依赖赖关系和自关系和自在度必需吻合，否那么不能收在度必需吻合，否那么不能收敛敛。;新建新建Design specs 和和 Vary 留意次序一一对应。留意次序一一对应。; 设计规设计规定定对对象象经过经过以下三以下三张张表表单单设设置置规规定目的定目的 1、规规定定 Specification 2、组组分分 Components 3、进进料料/产产物流股物流股 Feed/Product Streams ;在在规定表定表单中中输入以下目的入以下目的 1、类型型 Type 有有36种种变量量类型共型共选用用 2、目的、目的 Target 设定定规定定变量的目的量的目的值 3、流股、流股类型型 Stream type 产物物Product/内部内部Internal/倾析析 器器Decanter; 在在组组分分表表单单中中输输入入定定义义目目的的值值的的组组分分 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.;设计规定对象 Design spec. 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设计规义设计规定目的定目的值值的流股称号的流股称号. 在在变变化化对对象象的的Specification表表单单中中输输入入调调理理变变量量及及其其调调理理范范围围的上、下限的上、下限值值。 ;1 目的spec2选定组成3选定物流Design specs 的输入方法;Vary 的输入方法的输入方法留意留意Vary有时需和一一输入变量对应有时需和一一输入变量对应;Sepc-vary 运用例如试模模拟BTX分分别的的苯苯塔塔和和甲甲苯苯塔塔分分别模模型型，并并对采采用用spec-vary进展展优化。化。;BTX分分别别流程流程图图目的目的目的目的1 1苯中甲苯含量不超越苯中甲苯含量不超越苯中甲苯含量不超越苯中甲苯含量不超越0.0005 wt0.0005 wt； 2 2苯塔釜底苯塔釜底苯塔釜底苯塔釜底产产物苯含量不超越物苯含量不超越物苯含量不超越物苯含量不超越0.005 wt0.005 wt； 3 3甲苯中二甲苯含量不超越甲苯中二甲苯含量不超越甲苯中二甲苯含量不超越甲苯中二甲苯含量不超越0.0005 wt0.0005 wt； 4 4甲苯收率不低于甲苯收率不低于甲苯收率不低于甲苯收率不低于98 wt%98 wt%；;Components and feedProperty: chao-sea;苯塔苯塔输入参数入参数;甲苯塔甲苯塔输入参数入参数;目的值目的值目的组分目的组分目的物流目的物流Design Specs 的输入方法的输入方法设计规范设计规范流股类型流股类型三三 部部 曲曲;调整的变量调整的变量搜索区间搜索区间最大迭代步长最大迭代步长Vary 的输入方法的输入方法;塔板效率RadFrac 模模块块可可以以设设定定实实践践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效率率，或或者者塔塔段段的的效效率。率。;蒸发效率Vaporization Efficiencies 定定义义如下如下下下标 i 代表代表组分，分，j 代表塔板代表塔板编号。号。;墨弗里效率Murphree Efficiencies定定义义如下如下下下标 i 代表代表组分，分，j 代表塔板代表塔板编号。号。;假假假假设设例例例例如如如如BTXBTX中中中中的的的的精精精精馏馏段段段段的的的的墨墨墨墨弗弗弗弗里里里里效效效效率率率率为为0.650.65，提提提提馏馏段段段段的的的的墨墨墨墨弗弗弗弗里里里里效效效效率率率率为为0.750.75，试试求求求求满满足足足足分分分分别别要要要要求求求求所所所所需的塔板数、加料板位置和回流比。需的塔板数、加料板位置和回流比。需的塔板数、加料板位置和回流比。需的塔板数、加料板位置和回流比。 ;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 Profile options 里里包包括括哪哪些些塔塔板板 Stages to be included in report 也也很很有有用。用。;选 择 了了 包包 括括 水水 力力 学学 参参 数数 Include hydraulic parameters选项后后，剖剖形形结果果中中将将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流流量量、密度、粘度和外表密度、粘度和外表张力等塔板力等塔板设计所需的参数。所需的参数。;查查看例如看例如看例如看例如BTXBTX的水力学的水力学的水力学的水力学计计算算算算结结果。果。果。果。;模型分析工具1.灵敏度分析灵敏度分析 Sensitivity2.优化优化 Optimization3.数据拟合数据拟合 Data Fit4.事件分析事件分析 Case Study5.费用估计费用估计 Cost Estimation;灵敏度分析对苯塔的进料板位置进展灵敏度分析。对苯塔的进料板位置进展灵敏度分析。目的：最小能耗，目的：最小能耗， reboiler dutry变量：进料板位置，变量：进料板位置， Feed stage;灵敏度分析首先建立一个首先建立一个S-1;灵敏度分析输入变量名，并定义目的变量输入变量名，并定义目的变量;灵敏度分析输入变量名，并定义目的变量输入变量名，并定义目的变量;点击点击Edit弹出目的变量选择窗口弹出目的变量选择窗口;工程工程目的变量类型目的变量类型模块模块变量变量描画描画单位单位;目的变量选择目的变量选择变量解释变量解释;优化变量的输入优化变量的输入目的变量类型目的变量类型模块模块变量变量描画描画单位单位变化区间变化区间步长步长点数点数;报表选项报表选项表列数表列数表列变量内容表列变量内容;可选内容可选内容设置完成后按设置完成后按 按钮执行。按钮执行。;点击点击计算结果计算结果最优值最优值运转形状运转形状;优化采用采用Design spec. 和和vary方法计算的结果方法计算的结果;目的产品纯度已到达，单塔已获得优化结果目的产品纯度已到达，单塔已获得优化结果能否已得到最优能耗？能否已得到最优能耗？;优化目的优化目的限定条件限定条件;输入优化目的和限定条件1定义变量定义变量变量类型变量类型变量类型变量类型变量归属变量归属变量变量描画描画;2限定条件限定条件定义需求约束的变量定义需求约束的变量变量名变量名约束范围约束范围最小误差按要求设定最小误差按要求设定设定其他限定条件后，进展优化设置。设定其他限定条件后，进展优化设置。;目的表达式目的表达式选择的约束选择的约束3输入表达式和约束条件输入表达式和约束条件需求提早建立需求提早建立;4自变量的选择自变量的选择低限低限低限低限自变量选择自变量选择迭代步长选项迭代步长选项报告选项报告选项;5运转并查看结果运转并查看结果;复杂精馏过程;塔板设计 塔塔板板设设计计 Tray sizing 计计算算给给定定板板间间距距下下的的塔塔径径。可可将将塔塔分分成成多多个个塔塔段段分分别别设设计计适适宜宜的的塔塔板板。在在Specification表表单单中中输输入入该该塔塔段段 Trayed section 的的起起始始塔塔板板 Starting stage 和和终终了了塔塔板板 Ending stage 序序号号，塔塔板板类类型型 Tray type ，塔塔板板流流型型程程数数 Number of passes ，以以及及板板间间距距 Tray spacing 等等几几何何构构造造 Geometry 参数。参数。;设设置好后运置好后运置好后运置好后运转计转计算。算。算。算。;单通道塔板;双通道塔板;塔板塔板类型提供了五种塔板供型提供了五种塔板供选用：用： 1、泡罩塔板、泡罩塔板Bubble Cap 2、筛板板Sieve 3、浮、浮阀塔板塔板Glistch Ballast 4、弹性浮性浮阀塔板塔板Koch Flexitray 5、条形浮、条形浮阀塔板塔板Nutter Float Valve; 结结果果 Results 表表单单中中给给出出计计算算得得到到的的塔塔内内径径 Column diameter 、对对应应最最大大塔塔内内径径的的塔塔板板序序号号 Stage with maximum diameter 、降降液液管管截截面面积积/塔塔截截面面积积 Downcomer area / Column area 、侧侧降降液液管管流流速速 Side downcomer velocity 、侧侧堰堰长长 Side weir length 。;降液密封区降液密封区降液区降液区鼓泡区鼓泡区; 剖剖形形 Profiles 表表单单中中给给出出每每一一块块塔塔板板对对应应的的塔塔内内径径 Diameter 、塔塔板板总总面面积积 Total area 、塔塔板板有有效效区区面面积积 Active area 、侧侧降降液液管管截截面面积积 Side downcomer area 。;塔板核算 塔塔板板核核算算 Tray rating 计计算算给给定定构构造造参参数数的的塔塔板板的的负负荷荷情情况况，可可供供选选用的塔板用的塔板类类型与型与“塔板塔板设计设计中一中一样样。 “塔塔板板设设计计与与“塔塔板板核核算算配配合合运运用用，可可以以完完成成塔塔板板选选型型和和工工艺艺参参数数设计设计。; “塔塔板板核核算算的的输输入入参参数数除除了了从从“塔塔板板设设计计 带带来来的的之之外外，还还应应补补充充塔塔盘盘厚厚度度 Deck thickness 和和溢溢流流堰堰高高度度 Weir heights ，多多流流型型塔塔板板应应对对每每一种塔一种塔盘盘都都输输入堰高。入堰高。;塔板核算3留意留意留意留意单单位！位！位！位！厚度厚度10-15Gauge堰高堰高50-75mm300-450mm;塔板核算 4在塔板布置在塔板布置Layout表表单中中输入：入：浮浮阀的的类型型Valve type、材材质Material、厚厚度度Thickness、有有效效区区浮浮阀数数目目Number of valves to active area ；筛孔孔直直径径Hole diameter和和开开孔孔率率Sieve hole area to active area fraction。;塔板核算 512mm左右最好左右最好;塔板核算 7在降液管在降液管Downcomer表表单中中输入：入：降液管底隙降液管底隙Clearance；顶部部宽度度Width at top；底部底部宽度度Width at bottom；直段高度直段高度Straight height 。; 塔塔板板核核算算结结果果在在结结果果 Results 表表单单中列出，有三个参数中列出，有三个参数应应重点关注：重点关注：1、最大液泛因子、最大液泛因子 Maximum flooding factor ，应该应该小于小于0.8 ；2、塔段、塔段压压降降 Section pressure drop ；3、最大降液管液位、最大降液管液位/板板间间距距 Maximum backup / Tray spacing ，应该应该在在 0.25 0.5之之间间。;运用例如 5在在例例如如4的的根根底底上上进展展塔塔板板设计和和塔塔板板核核算算，分分别选用用浮浮阀塔塔板板和和弹性性浮浮阀塔塔板板计算后算后对比比结果。果。;塔径塔板号降液管面积Ad/AT,%板间距HT,mm开孔率，%堰高hw底隙hB降液型式塔板型式28001顶-8#8.060018.05050单液流浮阀2-25#8.060018.05050单液流浮阀一个计算实例;填料设计 填填料料设设计计 Pack sizing 计计算算选选用用某某种种填填料料时时的的塔塔内内径径。在在Specification表表单单中中输输入入填填料料类类型型 Type 、消消费费厂厂商商 Vendor 、资资料料 Material 、板板材材厚厚度度 Sheet thickness 、尺尺寸寸 Size 、等等板板高高度度 Height equivalent to a theoritical plate 等参数。等参数。;填料设计2填料厚度填料厚度;填料设计3 填料填料类类型共有型共有 40 种填料供种填料供选选用，用，以下是以下是 5 种典型的散堆填料：种典型的散堆填料：1、拉西、拉西环环 RASCHIG 2、鲍鲍尔尔环环 PALL 3、阶阶梯梯环环 CMR 4、矩鞍、矩鞍环环 INTX 5、超、超级环级环 SUPER RING ;填料设计4 填料填料类类型共有型共有 40 种填料供种填料供选选用，用，以下是以下是 5 种典型的种典型的规规整填料：整填料：1、带带孔板波填料孔板波填料 MELLAPAK 2、带带孔网波填料孔网波填料 CY 3、带缝带缝板波填料板波填料 RALU-PAK 4、陶瓷板波填料、陶瓷板波填料 KERAPAK 5、格、格栅规栅规整填料整填料 FLEXIGRID ;规整填料的特点：整填料的特点：1规整填料整填料压降小，降小，筛板塔的板塔的1/4；2持液量小，塔容持液量小，塔容积的的1-6%；3分分别效率效率较高；高；4空隙率大，通量大，空隙率大，通量大，综合合处置才干置才干强。5工工业放大效放大效应不明不明显。;填料设计5规整填料250为比外表积m2/m3X为波纹与垂直方向的倾角金属板厚度0.1-0.6mm;填料设计6 结结果果 Results 表表单单中中给给出出计计算算塔塔内内径径 Column diameter 、最最大大负负荷荷分分率率 Maximum fractional capacity 、最最大大负负荷荷因因子子 Maximum capacity fractor 、塔塔段段压压降降 Section pressure drop 、比比外外表表积积 Surface area 等等参参数。数。;填料核算 填填料料核核算算 Pack rating 计计算算给给定定构构造造参参数数的的填填料料的的负负荷荷情情况况，可可供供选选用的填料用的填料类类型与型与“填料填料设计设计中一中一样样。 “填填料料设设计计与与“填填料料核核算算配配合合运运用用，可可以以完完成成填填料料选选型型和和工工艺艺参参数数设计设计。;填料核算2;运用例如 6对对甲甲甲甲苯苯苯苯塔塔塔塔根根根根底底底底上上上上先先先先进进展展展展效效效效率率率率设设定定定定，然然然然后后后后进进展展展展填填填填 料料料料 设设 计计 和和和和 填填填填 料料料料 核核核核 算算算算 ， 分分分分 别别 选选 用用用用 MELLPAKMELLPAK和和和和RALU-PAKRALU-PAK计计算后算后算后算后对对比比比比结结果。果。果。果。;吸收计算RadFrac 模块用于吸收计算时， 1在Configuration表单中将冷凝器和再沸器类型选为 “None； 2在Streams表单中将塔底气体进料板位置设为塔板总数加 1 ，并将加料规那么 Convention 设为 “Above-Stage；;吸收计算 2;吸收计算 4在收在收敛Convergence工程中将工程中将1、根本、根本Basic 表表单里的算法里的算法algorithm设置置为“Standard，并将最大迭代次数，并将最大迭代次数maximum iterations设置置为200;2、将高、将高级 Advance 表表单里的第一里的第一栏吸收器吸收器 Absorber 设置置为“yes 。;吸收计算 5;吸收计算 6;摩摩尔组成成为CO2 12%、N2 23%和和H2 65%的的混混合合气气体体F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C用用甲甲醇醇F= 30 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C吸吸收收脱脱除除CO2。吸吸收收塔塔有有30块实际板板，在在2.8 MPa 下下操操作作。求求出出塔塔气体中的气体中的CO2浓度。度。吸收例如 1;在在吸吸收收例例如如1的的根根底底上上求求使使出出塔塔气气体体中中的的CO2浓度度到到达达0.5%所需的吸收所需的吸收剂甲醇用量。甲醇用量。吸收例如 2;在在吸吸收收例例如如2的的根根底底上上求求使使出出塔塔气气体体中中的的CO2浓度度到到达达0.5%所所需需的的吸吸收收剂甲甲醇醇用用量量与与实际板数的关系。板数的关系。吸收例如 3;选用用10块实际板，求使出塔气板，求使出塔气体中的体中的CO2浓度到达度到达0.5%所需的吸所需的吸收收剂甲醇用量以及采用典型塔板甲醇用量以及采用典型塔板和填料和填料时的塔径。的塔径。吸收例如 4;脱吸计算脱吸是吸收的逆脱吸是吸收的逆过程，脱程，脱吸吸计算与吸收算与吸收计算的模型参数算的模型参数设置一置一样，只是物料初始，只是物料初始组成成不同。不同。;将吸收例如将吸收例如4所得到的吸收富所得到的吸收富液减液减压到到0.15 MPa进展展闪蒸，低蒸，低压液液体再体再进入脱吸塔在入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气下用氮气进展气提脱吸，要求出塔展气提脱吸，要求出塔贫液中的液中的CO2浓度到达度到达0.1%。求合理的。求合理的实际板板数、所需氮气流量、采用不同塔板和数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料填料时的脱吸塔尺寸、的脱吸塔尺寸、压降和降和负荷情荷情况。况。脱吸例如1;End;