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1、平衡级分离模型,汤吉海 2006年8月,ASPEN PLUS入门,ASPEN PLUS的单元操作模型（1）,ASPEN PLUS的单元操作模型（2）,ASPEN PLUS的单元操作模型（3）,第四章 多组分平衡级分离过程计算,4.1 多组分单级分离过程 4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 4.3 多组分多级分离塔的严格计算,4.1 ASPEN PLUS的闪蒸模型,根据规定进行相平衡闪蒸计算 绝热、等温、恒温恒压露点或泡点闪蒸计算； 计算混合物的露点可以设置气相摩尔分率为1； 计算混合物的泡点可以设置气相摩尔分率为0； 据此可以确定具有一个或多个入口物流的混合物的热状态和相态。 通常要固定入口物
2、流的热力学状态必须规定： 温度、压力、热负荷和气相摩尔分率中的任意两项。 需要注意的是，在闪蒸模型中不允许同时规定热负荷和气相摩尔分率。 闪蒸模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器。,ASPEN PLUS的闪蒸模型,Flash2,Flash3,ASPEN PLUS的闪蒸计算示例,例4-1：乙醇水溶液的摩尔组成为20%乙醇和80%水，试确定该混合物在1.0、1.5、2.0和2.5 atm下的泡点温度和露点温度。热力学模型采用UNIQUAC模型。 例4-2：摩尔组成分别为50/50的正戊烷和正己烷混合物在55和510 kPa条件下进入闪蒸罐，闪蒸压力为95 kPa，计算在50温度
3、下达到平衡的气相和液相产品组成。热力学模型采用理想模型（IDEAL）。,ASPEN PLUS的闪蒸计算练习,练习4-1：在101.3 kPa下，对组成为45%（摩尔分数，下同）正己烷、25%正庚烷和30%正辛烷的混合物。（1）计算泡点和露点温度；（2）将此混合物在101.3 kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度和两相的组成。热力学模型采用理想模型（IDEAL）。,4.2 多组分多级分离塔的简捷计算,多组分精馏过程的近似设计算法常用于： 初步设计。 对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。 过程合成中寻找合理的分离顺序。 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
4、变量数值和迭代变量初值。 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。 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。,多组分精馏的FUG简捷计算法,多组分精馏的FUG简捷计算法（FenskeUnderwood-Gilliland） 用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配； 用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比； 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。,关键组分,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)，它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在
5、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。 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。,关键组分,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、内烯、丙烷和丁烷，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? 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。因此，根据规定的分离要求，则能确定乙烷是轻关
6、键组分，而丙烯则是重关键组分。,ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型,DSTWU-简捷法精馏设计,DSTWU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。 DSTWU假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度。 DSTWU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。,DSTWU-简捷法精馏设计,ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计示例,例4-3：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
7、数），进料流股压力为18 atm。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）。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，回流比为取3。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。,ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计练习,练习题4-2：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0.12、正戊烷0.11和正己烷0.12（摩尔分数），塔顶设一分凝器，塔釜有再沸器，
8、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，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。,4.3 多组分多级分离塔的严格计算,理论模型,MESH方程 组分物料衡算（M） 相平衡关系（E） 各相的摩尔分数加和式（S） 热量衡算（H） 典型求解方法 方程解离法 同时校正法 内外法,ASPEN PLUS的严格蒸馏模型,RadFrac模拟的多级气-液精馏操作,一般精馏（Ordinary distillation） 吸收（Absorption） 再沸吸收（Reboiled absorption） 汽提（Stripping） 再沸汽提（Reboiled
9、stripping） 萃取蒸馏（Extractive distillation） 共沸蒸馏（Azeotropic distillation） 共沸蒸馏（Reactive distillation）,RadFrac 适用的体系,两相蒸馏体系（Two-phase systems） 三相蒸馏体系（Three-phase systems） 窄沸程和宽沸程体系（Narrow and wide-boiling systems） 液相具有非理想性强的体系（Systems exhibiting strong liquid phase nonideality） 游离水相或其它第二液相（Free-water ph
10、ase or other second liquid phase),RadFrac模拟发生化学反应的塔,固定转化率（Fixed conversion） 平衡反应（Equilibrium） 流率控制反应（Rate-controlled） 电解质反应（Electrolytic ）,RadFrac流程的连接,算法,石油和石油化工应用 极宽沸程的混合物和/或许多组分和设计规定，使用Sum-Rates算法 高度非理想体系 当液相的非理想程度非常强，使用Newton算法 共沸蒸馏 吸收和汽提 使用Sum-Rates算法 深冷应用,求解策略,塔收敛 Inside-out 标准流率加和和非理想算法 Multi
11、Frac、PetroFrac 和Extract模型 Napthali-Sandholm Newton算法 设计规定的收敛 设计规定嵌套循环收敛（适用于除SUM-RATES 外的所有算法） 设计规定同时收敛（Algorithm=SUM-RATES，NEWTON）,RadFrac的两种计算模式,核算模式计算： 温度 流率 摩尔分率分布 设计模式计算： 满足塔的操作参数（例如纯度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要满足的规定 有广泛的设计和核算塔板及填料的能力,RadFrac模型的基本设置（1）,RadFrac模型的基本设置（2）,RadFrac模型的基本设置（3）,RadFrac模型的基本设置（4
12、）,ASPEN PLUS的严格法精馏塔计算示例,例4-4：根据上节例4-3所描述的问题，采用DSTWU简介设计模型确定的脱乙烷精馏塔理论板数、进料位置和回流比等参数，对该精馏塔采用RADFRAC严格模型进行核算。 例4-5：根据例4-4，在其他条件不变的情况下，采用RADFRAC模型计算满足塔顶馏出物中乙烯摩尔分数达到0.99所需要的回流比。,ASPEN PLUS的严格法精馏塔计算练习,练习题4-3：设计一个甲醇精馏塔，进料中包含50 kmol/hr的甲醇和50 kmol/hr的水。采用回流比为1.5时，要求塔顶和塔底产物的纯度都达到99.5%。试确定精馏塔的理论板数、进料位置，以及精馏塔内的
13、温度、汽液相流率和组成分布。并确定采用BX型填料的塔径。,精馏塔内件（塔板和填料）的设计与核算,板式塔和填料塔进行设计、核算以及执行压降计算的扩展功能： TraySizing（塔板设计） TrayRating（塔板核算） PackSizing（填料设计） PackRating（填料核算） 三个塔单元操作模型中是可用的： RadFrac MultiFrac PetroFrac,板式塔类型,五种通用塔板类型中进行选择： Bubble caps（泡罩） Sieve（筛板） Glitsch Ballast（Glitsch重盘式塔板） Koch Flexitray（Koch轻便型浮阀塔板） Nutter
14、 Float Valve（Nutter浮阀塔板）,填料塔类型,各种各样的不规则填料 规则填料 Goodloe Glitsch Grid Norton Intalox Structured Packing Sulzer BX，CY，Mellapak Kerapak、Koch Flexipac，Flexeramic，Flexigrid,根据： 塔负荷、传输性质、塔板的几何数据、填料特性。 计算： 塔直径、液泛接近值或最大能力接近值、降液管滞留、压降,单通道塔板,双通道塔板,三通道塔板,四通道塔板,塔板和填料的设计与核算示例（1）,例4-6：根据例4-5计算得到的精馏塔，增加填料信息：填料类型：Su
15、lzer CY Standard；HETP：0.2 m；液泛因子：最大压降：10 kPa。试计算采用该种填料的填料塔信息。,塔板和填料的设计与核算示例（2）,例4-7：根据例4-5计算得到的精馏塔，对浮阀塔进行核算，浮阀信息如下： Tray type：Nutter float Valve BDH Number of passes： 1 Column diameter：0.7 m Actual number of trays： 34 Tray spacing： 0.5 m. Tray efficiency： 0.5 Weir height： 0.05 m Valve density： 129/sqm Downcomer clearance： 0.15 m Side downcomer width： 0.22 m Center downcomer width： 0.18 m,
