Hysys模拟分离过程课件

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1、第3章 hysys模拟分离过程,分离单元的类型,I. 闪蒸 II. 精馏 III. 吸收 IV. 萃取,hysys模拟的分离过程,分离器： 2 相分离器、 3 相分离器、固体分离器、旋风分离器、真空过滤器、结晶器 塔： 吸收解吸、有再沸器的吸收塔、有回流的吸收塔，液 - 液萃取塔、常减压塔、精馏塔、组分分离器、三相精馏塔（所有塔都能在板上加反应单元进行反应精馏）,I.闪蒸(Flash drum),执行给定热力学条件下的汽 液平衡或汽 液平衡计算， 输出一股汽相和一股（或两 股）液相产物。 用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器 等。 闪蒸单元自由度： 2,闪蒸单元的模型,PV=PL TV=TL y

2、i=kixi (i=1,，c) FFzi=FVyi+FLxi (i=1，c-1) FF=FV+FL hFFF+Q=hVFV+hLFL ki=K(TV,PV,X,Y) (i=1,c) hF=H(TF,PF,Z) hV=H(TV,PV,Y) hL=H(TL,PL,X),方程数：3c+9 变量数：4c+13 自由度：(c+2)+2,闪蒸分离操作类型,平衡闪蒸,泡点 Bubble P.,露点 Dew P.,闪蒸计算的任务,a) 气液平衡计算 包含一股气相和一股液相，如果体系中存在水，则水作为单独的一相出料 b) 气液液平衡计算 包含一股气相和两股液相,Flash模型参数,第一规定： 压力、温度 第二规

3、定： 闪蒸类型(绝热、等温、等熵等)或产物规定 可选参数： 产物相态 热力学模型 夹带选项（carry over opitions，模拟真实工况）,闪蒸类型,绝热闪蒸：绝热或指定热负荷下的汽液平衡状态 等温闪蒸：指定温度下的汽液平衡状态 露点闪蒸：指定压力下的露点温度 泡点闪蒸：指定压力下的泡点温度 等熵闪蒸：等熵变化后的温度、压力和所需要的热负荷,理想分离器和实际分离器的区别,理想分离器 认为气液相是完全分离的。 实际分离器 分离并不完全，液体能夹杂在气体中或者液体中液包含气体 近年来多使用增加容器内部构件（例如，金属网垫，叶片包，堰）的方法来减少夹杂的液体量和气体量。 hysys Desi

4、gn 中默认的分离器是理想分离器 实际分离器有许多优点： 夹带选项（carry over opitions）可以使模型与过程质量平衡或分离器设计参数相匹配 可以预测进料相位分别的影响、进料工况、容器形状、进出口夹带,对出口物流进行P-H 闪蒸来测定出口的工况和相位 闪蒸的压力是最小进口压力减去容器中的压降 焓值是进口的焓加上负荷（加热时，负荷是正值；冷却时负荷是负值）。,气液出口压力=进口压力-DP,气出口压力=进口压力-DP-DP2,220 kPa,220-14 kPa,220-14-4 kPa,220-14 kPa,分离器的三个选项,Flash 应用示例（1）,流量为 1000 kg/hr

5、 压力为 0.11 MPa 含乙醇 70%、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽液比（摩尔）=1/3。 求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。 （增加一个cooler，设定出口物流的Vapor Fraction为独立变量！）,Flash 应用示例（1）,液相： 活度系数方程 NRTL,Wilson,等 气相： 状态方程 SRK, P-R等,Flash 应用示例（2）,流量为 1000 kg/hr 压力为 0.5 MPa 温度为 120、含乙醇70%w、水30%的物料绝热闪蒸到 0.15 MPa。 求离开闪蒸器的汽、液两相的 温度、流量和组成。,II 精馏,当体系中的化学组分

6、沸点相差较小，或不具有其它易于分离的性质时，须采用精馏的方法。 其它的分离方法包括：吸收、萃取、吸附 模拟传质设备的两个关键点： (1)热力学 (2)收敛问题,精馏原理,精馏是分离液体混合物的单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的差异,并借助回流的工程手段，实现组分的分离 典型的连续精馏流程如图. 预热到一定温度的原料液送入精馏塔的进料板,在每层塔板上, 回流液体与上升蒸气互相接触, 进行热和质的传递. 塔顶冷凝器的作用: 获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流.再沸器的作用: 提供一定量的上升蒸气流.,图 6-9 连续精馏流程,常规精馏塔自由度,精馏计算模型,精馏模拟方法： 平衡级模型 主流模型

7、 非平衡级模型 ASPEN RateFrac模型,hysys的精馏计算,A. 组分分离器 B.简捷精馏 C. 严格精馏 D. 侧线精馏 E. 塔板计算：塔板设计和塔板核算 F. 填料塔计算：填料设计和填料核算,严格塔的类型,预设复杂塔的类型,预设塔的模板,A. 组分分离器（Component Splitter）,进料物流按照所设定的参数和分离器分数被分成了两个组分物流，必须要设定从组分分离器中出来进入到顶部的产品物流的每个进料组分的分数 使用组分分离器可以完成更接近专业和非标准的分离过程，而这些过程在hysys中其他地方是无法处理的。 理论（Theory） 组分分离器可以满足每个组分的物料平衡

8、： fi = ai + bi 其中： fi=进料的ith 组分的摩尔流量 ai=顶部ith 组分的摩尔流量 bi=底部ith 组分的摩尔流量,A. 组分分离器（Component Splitter）,A. 组分分离器（Component Splitter）,A. 组分分离器（Component Splitter）,B. 简捷精馏(shortcut),设计要求： 含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精馏塔分离，要求 99.8% 的乙苯从塔顶排出， 99.9%m 的苯乙烯从塔底排出,简捷精馏(sho

9、rtcut),用全回流塔进行 Fenske-Underwood 精馏计算 可以计算塔板的最小Fenske 塔板数以及最小的Underwood 回流比。 使用设定的回流比计算富集和抽提工段中汽体和液体的流动速率，冷凝器负载和再沸器负载，理想的板的数量，以及最佳进料位置。 全回流塔只是塔性能的估计并受到简单的回流塔的限制。对于更多的实际的结果要使用严格的塔选项，这些操作仅可以为大多数的简单的塔提供初始估计值,Shortcut连接,Shortcut模型的连接图如下：,Shortcut 应用示例,含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P

10、=0.12MPa、T=30）用精馏塔（塔压 0.02 MPa(a) 分离，要求塔顶乙苯的浓度大于99.8%m， 塔底苯乙烯浓度大于99.9%m。塔顶采用全凝器。 求： (1) Rmin，NTmin ; (2) R=1.5Rmin时的R、NT和NF,C 严格精馏(Distillation),Distillation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。 Distillation模块可用于精确计算精馏 塔、吸收塔（板式塔或填料塔）、 萃取塔的分离能力和设备参数。,平衡级,平衡级模型基于两个基本假设： 每块塔板上的液体和塔板间的气体是完全混合的，具有

11、均匀的温度和组成； 离开每块塔板的液体和气体都处于相平衡,平衡级,任何一平衡级（或理论板）为基础的严格精馏算法包含以下基本方程组： 1)物料平衡方程组(M) 2)相平衡方程组(E) 3)摩尔分数加和式(S) 4)热平衡方程组(H) MESH方程组,输入专家系统1,输入专家系统2,输入专家系统3,输入专家系统4,Design 界面,设计规定更改,主流程图和子流程图的概念,严格精馏模块模型设定,1) 压力分布(Pressure profile) 2) 进出流股(Feeds and products) 3) 收敛判据 (Convergence data) 4) 热力学模型 (Thermodynami

12、c systems) 5) 冷凝器 (Condenser) 6) 侧线加热器/冷却器 (Side-heaters and Coolers) 7) 泵循环 (Pumparounds) 8) 塔板效率 (Tray efficiency) 9）求解算法 (Algorithm),1) 压力分布(Pressure profile),2)进出流股(Feeds and Products),加料板位置,3)收敛判据 (Convergence data),收敛计算阻尼因子 默认值：1 稳定性较差的流程或单元，可取01之间 收敛允许误差 默认值： 物料平衡：1105 能量平衡：5104,4)热力学模型 (Ther

13、modynamic systems),整塔使用同一个热力学模型 不同的塔板指定不同的热力学模型,5)冷凝器 (Condenser),冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、分凝器（Partial）露点 2、泡点温度（Bubble point）泡点 3、过冷冷凝 （Subcooled，Fixed temperature） （Subcooled，Fixed temperature drop）,6)侧线加热器/冷却器(Side-heaters and Coolers),可为每块塔板指定侧线加热或冷却的热负荷 每块塔板的热损失 每块塔板的Flash zone,7)泵循环 (Pumparounds),作用

14、：从塔板移走热量，可调节塔内汽液两相的流量，是塔内部汽液两相流量的主要控制点。 可规定的参数： 流量和热负荷 流量和绝热 流量和回流条件 热负荷和回流条件,8)塔板效率 (Tray efficiency),Murphree model Vaporization model yi = ci Ki xi Equilibrium model yi = (Ki 1)Eeq + 1xi 全塔效率： Eeq=NT/N,yi - yi+1 yi * - yi+1,Ki =,对大多数带冷凝器和再沸器的精馏塔，通常的塔效率为6575% 在低回流比下，分离效果对模型中的塔板数不敏感 冷凝器模拟为1块塔板、 再沸器

15、视情况而定（1块或2块） Pumparounds 通常模拟为2块塔板,9）求解算法 (Algorithm),六种求解算法： a) Legacy Inside-Out 法 b) Modified Inside-Out 法 c) Newton-Raphson I/O法 d) Sparse Continuation Solver e) Simultaneous Correction f) OLE Solver,a)内外层迭代法(I/O Method), 平衡级模拟计算中最复杂和最费时的是平衡常数和物流热焓的计算，内外层法的基本思想是先将这些复杂而费时的计算内容简化，将这些简化模型用于主体（即内层循环

16、）计算，而再外循环中则采用严格的热力学模型对简化模型的模型参数进行更新，这样即构成两重迭代循环。也称为双层法或局部模型法。 适用于汽液平衡常数与组分基本无关的情况,a)内外层迭代法(I/O Method),优点： 计算速度快 对初始猜测值相对不敏感 附塔与主塔同时求解 可使用热虹吸式再沸器 缺点： 只能包含一个液相（水可在冷凝器除去） 对高度非理想性体系求解较困难 不允许完全泵循环(Total Pumparounds),b) Enhanced I/O法,支持完全液相或气相侧线出料 支持完全泵循环 支持再任何塔板上存在自由水相或水倾析,求解方法一般特征,当某种方法用默认的迭代次数不能收敛时,1)可以规定更多的迭代次数 2)可以利用阻尼因子(damping factor)限制该法在两次迭代间对未知变量猜测值所作的改变，以避免过大的振荡 3)可以改变各未知量的初始猜测值,精馏模型功能：,确定所需的平衡级数与回流比 选择适宜的气液接触方法（塔板、填料） 确定对应于一