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1、平衡级分离模型汤吉海 2006年8月ASPEN PLUS入门第第 2 2 页页ASPEN PLUS的单元操作模型（1） 类型模型说明混合器/分流器Mixer Fsplit Ssplit物流混合 物流分流 子物流分流分离器Flash2 Flash3 Decanter Sep Sep2双出口闪蒸 三出口闪蒸 液-液倾析器 多出口组分分离器 双出口组分分离器换热器Heater HeatX MHeatX Hetran Aerotran加热器/冷却器 双物流换热器 多物流换热器 与BJAC 管壳式换热器的接口程序 与BJAC 空气冷却换热器的接口程序塔DSTWU Distl RadFrac Extrac
2、t MultiFrac SCFrac PetroFrac Rate-Frac BatchFrac简捷蒸馏设计 简捷蒸馏核算 严格蒸馏 严格液-液萃取器 复杂塔的严格蒸馏 石油的简捷蒸馏 石油的严格蒸馏 非平衡级连续蒸馏 严格的间歇蒸馏第第 3 3 页页ASPEN PLUS的单元操作模型（2）类型模型说明反应器REquil RStoic RYield Rgibbs RCSTR RPlug RBatch平衡反应器 化学计量反应器 收率反应器 平衡反应器 连续搅拌罐式反应器 活塞流反应器 间歇反应器压力变送器Pump Compr Mcompr Pipeline Pipe Valve泵/液压透平 压缩
3、机/透平 多级压缩机/透平 多段管线压降 单段管线压降 严格阀压降手动操作器Mult Dupl ClChong物流倍增器 物流复制器 物流类变送器第第 4 4 页页ASPEN PLUS的单元操作模型（3）类型模型说明固体Crystallizer Crusher Screen FabFl Cyclone Vscrub ESP HyCyc CFuge Filter SWash CCD除去混合产品的结晶器 固体粉碎器 固体分离器 滤布过滤器 旋风分离器 文丘里洗涤器 电解质沉降器 水力旋风分离器 离心式过滤器 旋转真空过滤器 单级固体洗涤器 逆流倾析器用户模型User User2用户提供的单元操作模
4、型 用户提供的单元操作模型第第 5 5 页页第四章 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 第第 6 6 页页4.1 ASPEN PLUS的闪蒸模型C 根据规定进行相平衡闪蒸计算 A 绝热、等温、恒温恒压露点或泡点闪蒸计算； A 计算混合物的露点可以设置气相摩尔分率为1； A 计算混合物的泡点可以设置气相摩尔分率为0； A 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。 C 通常要固定入口物流的热力学状态必须规定： A 温度、压力、热负荷和气相摩尔分率中的任意两项。 A 需要注意的是，在闪蒸
5、模型中不允许同时规定热负荷和气 相摩尔分率。 C 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。 第第 7 7 页页ASPEN PLUS的闪蒸模型Flash2Flash3第第 8 8 页页ASPEN PLUS的闪蒸计算示例 C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。 C C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温度下 达到平衡的气相和液相产品组成。热力
6、学模 型采用理想模型（IDEAL）。 第第 9 9 页页ASPEN PLUS的闪蒸计算练习C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）。 第第 1010 页页4.2 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
7、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 1111 页页多组分精馏的FUG简捷计算法 C多组分精馏的FUG简捷计算法（Fenske Underwood-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。 C 第第 1212 页页关键组分C所谓关键组
8、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。 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。 第第 1313 页页关键组分C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? A 甲
9、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键组 分，而丙烯则是重关键组分。 第第 1414 页页ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型 模型描述目的用于DSTWU使用Winn Underwood- Gilliland 方法设计简捷法蒸馏确定最小回流比、最 小级数或者实际回流 比、实际级数一个进料物流和 两个产品物流的 塔Distl使用Edmister方法进 行简捷法蒸馏核算确定以回流比、级数 、馏出与进料比为基 准的分离程度一个进料物流和 两个产品物流的 塔SCF
10、rac复杂的多个石油分馏 单元的简捷精馏确定产品组成和流率 、每段的级数、使用 分馏指数的热负荷复杂塔例如原油 单元和减压塔第第 1515 页页DSTWU-简捷法精馏设计 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假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥 发度。 C 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。 第第 1616 页页DSTWU-简捷法精馏设计规定估计/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使用这个方法/关联式去
11、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 1717 页页ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计示例 C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
12、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 1818 页页ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计练习C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，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。 第第 1919 页页4.3 多组分多级分离塔
13、的严格计算第第 2020 页页理论模型 CMESH方程 A 组分物料衡算（M） A 相平衡关系（E） A 各相的摩尔分数加和式（S） A 热量衡算（H） C典型求解方法 A 方程解离法 A 同时校正法 A 内外法第第 2121 页页ASPEN PLUS的严格蒸馏模型模型描述目的用于RadFrac严格分馏执行各塔严格核算和设计计 算普通蒸馏、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 核算和设计计算热整合塔、空气分离塔、吸收/汽提 塔组合、乙烯装置初馏塔和急冷塔 组合、石油炼制应用PetroFrac石油炼制分馏对石油炼制应用中的复
14、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基于流率的蒸馏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-液抽提塔第第 2222 页页RadFrac模拟的多级气-液精馏操作 C一般精馏（Ordinary distillation） C吸收（Absorption） C再沸吸收（Rebo
15、iled absorption）C汽提（Stripping） C再沸汽提（Reboiled stripping）C萃取蒸馏（Extractive distillation） C共沸蒸馏（Azeotropic distillation）C共沸蒸馏（Reactive distillation）第第 2323 页页RadFrac 适用的体系C 两相蒸馏体系（Two-phase systems）C 三相蒸馏体系（Three-phase systems）C 窄沸程和宽沸程体系（Narrow and wide- boiling systems）C 液相具有非理想性强的体系（Systems exhibiti
16、ng strong liquid phase nonideality）C 游离水相或其它第二液相（Free-water phase or other second liquid phase)第第 2424 页页RadFrac模拟发生化学反应的塔C固定转化率（Fixed conversion）C平衡反应（Equilibrium）C流率控制反应（Rate-controlled）C电解质反应（Electrolytic ）第第 2525 页页RadFrac流程的连接 第第 2626 页页算法 C石油和石油化工应用 A 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 C高度非理想体系 A 当液相的非理想程度非常强，使用Newton算法 C共沸蒸馏 C吸收和汽提 A 使用Sum-Rates算法 C深冷应用 第第 2727 页页求解策略 C塔收敛 A Inside-out B标准流率加和和非理想算法
