《精编》化工计算与软件应用--设备工艺计算

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1、1 化工计算与软件应用 第四章设备工艺计算 2 化工流程设计 物料衡算 热量衡算完成之后 化工工艺设计的另一重要工作是进行设备的工艺计算 选型与核算 为车间布置设计 施工图设计及非工艺设计项目提供依据 设备的工艺计算 选型与核算知识与方法在多门化工专业基础课程中都有介绍 这些基础知识将有助于人们更好地使用ASPENPLUS软件进行化工设备的工艺计算 3 塔器是气 液 液 液间进行传热 传质分离的主要设备 在化工 制药和轻工业中 应用十分广泛 甚至成为化工装置的一种标志 在气体吸收 液体精馏 蒸馏 萃取 吸附 增湿 离子交换等过程更离不开塔器 对于某些工艺来说 塔器甚至于就是关键设备 随着时代的

2、发展 出现了各种各样型式的塔 而且还不断有新的塔型出现 虽然塔型众多 但根据塔内部结构 通常分为板式塔和填料塔两大类 4 1塔设备 4 4 1塔设备 ASPENPLUS软件中的塔板设计 Traysizing 功能 计算给定板间距下的塔径 共有五种塔板供选用 泡罩塔板 BubbleCap 筛板 Sieve 浮阀塔板 GlistchBallast 弹性浮阀塔板 KochFlexitray 条形浮阀塔板 NutterFloatValve 5 ASPENPLUS软件中的塔板核算 Trayrating 功能 计算给定结构参数的塔板的负荷情况 可供选用的塔板类型与 塔板设计 Traysizing 相同 塔

3、板设计 与 塔板核算 配合使用 可以完成塔板选型和工艺参数设计 4 1塔设备 6 5种典型的散堆填料是 拉西环 RASCHIG 鲍尔环 PALL 阶梯环 CMR 矩鞍环 INTX 超级环 SUPERRING 4 1塔设备 ASPENPLUS软件中的填料设计 Packsizing 功能 计算选用某种填料时的塔径 共有40种填料供选用 包括5种典型的散堆填料和5种典型的规整填料 7 4 1塔设备 5种典型的规整填料是 带孔板波填料 MELLAPAK 带孔网波填料 CY 带缝板波填料 RALU PAK 陶瓷板波填料 KERAPAK 格栅规整填料 FLEXIGRID 8 4 1塔设备 ASPENPLU

4、S软件中的填料核算 Packrating 功能 计算给定结构参数的填料的负荷情况 可供选用的填料类型与 填料设计 中相同 填料设计 与 填料核算 配合使用 可以完成填料选型和工艺参数设计 9 4 1塔设备 例4 1 分离一股芳烃混合物 其中含苯1272kg h 甲苯3179kg h 邻二甲苯3383kg h 正丙苯321kg h 温度50 压力3bar 精馏塔塔顶压力1 5bar 塔底压力2bar 要求苯中甲苯质量分数不超过0 0005 塔底产物苯质量分数不超过0 005 求 苯塔的理论塔板数 进料位置 回流比 再沸器能耗 如果精馏段的墨弗里效率 MurphreeEfficiencies 为0

5、 65 提馏段的墨弗里效率为0 75 试求满足分离要求所需的塔板数 加料板位置 回流比 再沸器能耗 水力学参数 Hydraulicparameters 填料塔设计 使用SULZER公司的MELLAPAK 250X型波纹板规整填料 设等板高度0 3m 求两段塔径 压降和塔板上的水力学数据 筛板塔设计 进行筛板塔设计计算 设筛孔直径8mm 板间距600mm 堰高50mm 降液管底隙50mm 求两段塔径 压降和塔板上的水力学数据 10 4 2换热器 化工生产中传热过程十分普遍 传热设备在化工流程中有重要的地位 物料的加热 冷却 蒸发 冷凝 蒸馏等都需要通过换热器进行热交换 换热器是应用最广泛设备之一

6、 ASPENPLUS软件中有4种换热器模型 Heater HeatX MHeatX HXFlux 换热器模型广泛应用于工艺流程模拟之中 多股物流的换热器 热传递模型计算 11 4 2换热器 ASPENONE工程套件中的 ExchangerDesignandRating 软件中还有7种换热器模型 AspenAirCooledExchanger formerlyAspenACOL AspenFiredHeater formerlyAspenFiredHeater AspenPlateFinExchanger AspenShellandTubeExchanger formerlyAspenTASC

7、AspenShellandTubeMechanical formerlyAspenTeams AspenPlateExchanger formerlyAspenPlate AspenHTFSResearchNetwork 用EDR软件设计换热器需要提供的条件比ASPENPLUS多 但得到的计算结果也更多 能够给出换热器设备数据表和装配图 可以为工艺设计提供更多信息 12 4 2换热器 由于换热设备应用广泛 大部分换热器已经标准化系列化 已经形成标准系列的换热器有 列管式固定管板换热器 立式热虹吸式再沸器 浮头式换热器和冷凝器系列 U型管式换热器系列 薄管板列管式换热器系列 不可拆式螺旋板换热器

8、系列 BR0 1型波纹板式换热器 FP G型复波伞板换热器 石墨换热器系列等 在换热器设计计算时 应该优先选用标准系列的换热器 然后利用软件的强大计算功能与软件数据库的强大信息容量对选择的换热器进行反复核算 对换热器的选型一般不能一蹴而就 往往需要多次选择 多次核算才能完成 13 4 2换热器 ASPENPLUS软件及EDR软件中采用的换热器标准为美国的ETMA标准 国内设计换热器时根据 钢制管壳式换热器 GB151 1999 进行 因此 在用软件进行换热器选型核算时 应该随时查阅国家标准 另外 对于换热器的两侧污垢热阻的设置也需要根据具体情况查阅相关的设计手册 4 2 1冷凝器冷凝器是用于蒸

9、馏塔顶物流的冷凝或者反应器的冷凝循环回流的设备 包括分凝器和全凝器 分凝器用于多组份的冷凝 当最终冷凝温度高于混合组份的泡点 仍有一部分组分未冷凝 以达到再一次分离的目的 另一种为含有惰性气体的多组分的冷凝 排出的气体含有惰性气体和未冷凝组份 全凝器的最终冷凝温度等于或低于混合组份的泡点 所有组份全部冷凝 一般地 冷凝器水平布置 汽相通过冷凝器的壳程 冷却介质 最常见是循环冷却水 通过冷凝器的管程 14 4 2换热器 例4 2 冷凝器计算 对例4 1中苯塔的冷凝器进行设计选型 设循环冷却水进出口温度为33 43 塔板效率为100 解 15 4 2换热器 16 4 2 2再沸器 再沸器用于使精馏

10、塔底物料部分汽化 从而实现精馏塔内汽液两相间的热量及质量传递 为精馏塔正常操作提供动力的设备 再沸器 立式热虹吸式 卧式热虹吸式 强制循环式 釜式 内置式 17 4 2 2再沸器 例4 3 采用8bar饱和水蒸气作为加热蒸汽 对例4 1中苯塔进行虹吸式再沸器的设计选型 解 18 4 2 2再沸器 19 4 3反应器 对于存在化学反应的化工过程 反应器是整个化工工艺流程的核心 是化工装置的关键设备 反应物在反应器内通过化学反应转化为目标产物 由于化学反应种类繁多 机理各异 反应器的类型和结构也差异很大 反应器操作性能的优良与否 与设计过程息息相关 反应工程课程对反应器的基础理论 设计方程等均进行

11、了详细地介绍 这些基础理论不仅是手工设计反应器的依据 也是编制各种模拟软件的依据 由于涉及反应器的各种设计方程异常繁复 手工计算往往令人望而却步 或是采用简化方法进行 现在各种模拟软件的普及 为反应器的严格设计计算提供了条件 20 4 3反应器 反应器模块 生产能力类反应器 化学计量反应器Rstoic 产率反应器RYield 平衡类反应器 平衡反应器Requil 吉布斯反应器Rgibbs 动力学类反应器 全混流反应器RCSTR 平推流反应器Rplug 间歇式反应器Rbatch 每种模块采用一种计算方法 适应一种反应器设计需求 ASPENPLUS的操作手册中对这些模块的使用有详细的说明 下面对两

12、种动力学反应器的设计过程作一介绍 21 4 3 1釜式反应器 釜式反应器内物料假定为理想混合 假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的 并等于反应器出口物流的组成和温度 釜式反应器通用性好 造价低用途广 可以连续操作也可以间歇操作 间歇操作时 只要设计好搅拌 可以使釜温均一 浓度均匀 反应时间可长可短 可以常压 加压 减压操作 范围较大 反应结束后出料容易 清洗方便 连续操作时 可以多釜串联反应 物料一端进料 另一端出料 形成连续流动 停留时间可有效控制 多釜串联时 可以认为形成活塞流 反应物浓度和反应速度恒定 反应釜还可以分段控制 22 4 3 1釜式反应器 例4 4 用釜式反应器合成乙酸乙酯

13、 正反应方程式 CH3CH2OH CH3COOH CH3CH2COOCH3 H2O 逆反应方程式 CH3CH2COOCH3 H2O CH3CH2OH CH3COOH 原料流率400kmol h 其中水的含量为0 026摩尔分数 乙醇与乙酸均为0 4875摩尔分数 反应温度70 常压 反应釜体积140L 求 乙醇的转化率 若要求乙醇转化率达到0 65 反应釜体积需要多大 若反应釜体积140L不变 反应温度在65 75 范围内变化 乙醇转化率如何变化 23 4 3 1釜式反应器 解 24 4 3 2管式反应器 管式反应器的特点是传热面积大 传热系数较高 反应可以连续化 流体流动快 物料停留时间短

14、可以控制一定的温度梯度和浓度梯度 根据不同的化学反应 可以有直径和长度千差万别的型式 此外 由于管式反应器直径较小 相对于反应釜 因而能耐高温 高压 由于管式反应器结构简单 产品稳定 它的应用范围越来越广 管式反应器可以用于连续生产 也可以用于间歇操作 反应物不返混 管长和管径是反应器的主要指标 反应时间是管长的函数 管径决定于物料的流量 反应物浓度在管长轴线上 浓度梯度分布 不随时间变化 25 4 3 2管式反应器 例4 5 环戊二烯二聚管式反应器工艺计算 用管式反应器将液态轻苯馏分中的环戊二烯经绝热热二聚反应生成双环戊二烯 要求环戊二烯的质量转化率不低于0 94 已知原料流率为1000kg

15、 h 温度80 压力600kPa 组成和基本物性见附表 反应方程式为 式中 活化能E的因次为kJ kmol 浓度的因次为kmol m3 26 4 3 2管式反应器 热二聚反应时为液态绝热反应 为降低副反应速率 热二聚反应温度应控制 110 初步选择两个固定管板换热器串联作为管式反应器 物料走管程 选择的换热器筒体直径1600mm 管长9000mm 单管程 管子数3339根 管程截面积0 5901m2 求 当环戊二烯质量转化率为0 94时反应器的管长 当环戊二烯质量转化率转化率由0 84增加到0 94时 反应器体积 物料停留时间如何变化 若用90 的冷却水并流换热 要求冷却水出口温度不超过100

16、 求冷却水流率 27 4 3 2管式反应器 解 28 4 4流体输送设备 化工设计过程中常见的流体输送设备是泵和压缩机 泵是化工厂最常用的液体输送设备 具有构造简单 便于维修 易于排除故障 造价低 系列化生产等优点 压缩机用于气体压缩 输送 主要用于工艺气体 气动仪表气体 压料过滤及吹扫管道等方面 压缩机可分为离心式 螺杆式和往复式压缩机 4 4 1离心泵在ASPENPLUS软件模拟泵过程中 常用来指定出口压力 Dischargepressure 并给定泵的水力学效率 PumpEfficiency 和驱动机效率 DriverEfficiency 计算得到出口流体状态和所需的轴功率和驱动机电功率 29 4 4 1离心泵 例4 6 离心泵输送液态苯 用一离心泵输送一股常压 40 100kmol h的液态苯 已知泵的特性曲线如附表 泵的效率为0 6左右 电机效率为0 9 求 泵的出口压力 泵提供给流体的功率 泵所需要的轴功率 以及电机消耗的电功率各是多少 30 4 4 2气体压缩机 在ASPENPLUS软件模拟压缩机过程中 常用来指定排出压力 压力增量 压力比率等参数 求压缩机需要功率 例4