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1、Aspen Plus 应用基础Models forModels for Separation Processes Separation Processes分离过程模型分离过程模型 (I)(I)分离过程模型的分类Aspen Plus 中的分离中的分离过程模型包含两大类别：过程模型包含两大类别：简单分离单元模型塔设备单元模型简单分离单元模型简单分离单元模型包含五个模块：简单分离单元模型包含五个模块：两相闪蒸器两相闪蒸器三相闪蒸器三相闪蒸器倾析器倾析器组份分离器组份分离器两出口组份两出口组份分离器分离器Flash2 两相闪蒸器Flash2 模块执行给定热模块执行给定热力学条件下的汽力学条件下的汽-液
2、平衡或汽液平衡或汽-液液-液平衡计算，输出一股汽液平衡计算，输出一股汽相和一股液相产物。用于模拟相和一股液相产物。用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器闪蒸器、蒸发器、气液分离器等等。Flash2 连接Flash2 模块的连接图如下： Flash2 模型参数Flash2 模块的模型参数有 3 组： 1、闪蒸设定闪蒸设定 ( ( ( ( Flash SpecificationsFlash Specifications) ) ) )（1 1） 温度温度（TemperatureTemperature) ) ) )（2 2） 压力压力 （PressurePressure) ) ) )（3 3） 蒸气分率蒸
3、气分率（Vapor FractionVapor Fraction) ) ) )（4 4） 热负荷热负荷（Heat DutyHeat Duty) ) ) ) 从以上从以上从以上从以上 4 4 个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 2 2 个。个。个。个。2、有效相态有效相态 ( ( ( ( Valid PhaseValid Phase) ) ) )（1 1） 汽汽- -液相液相（Vapor-LiquidVapor-Liquid) ) ) )（2 2）汽汽- -液液- -液相液相（Vapor-Liquid-LiquidVapor-Liquid-Liquid) ) ) )（3 3）汽汽-
4、 -液液- -游离水相游离水相 （Vapor-Liquid-Free WaterVapor-Liquid-Free Water) ) ) )从以上从以上从以上从以上 3 3个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 1 1 个。个。个。个。Flash2 模型参数Flash2 模块的模型参数有 3 组： Flash2 模型参数Flash2 模块的模型参数有 3 组： 3、液沫夹带液沫夹带 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream)( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 液相被带入汽相中的分率液相被带入汽相中的分率。Flas
5、h2 应用示例（1）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为压力为 0.11 MPa、含乙醇含乙醇70 %w、水水30 %w的饱和蒸的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽流的汽/液比（摩尔）液比（摩尔）=1/3。求离开冷。求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。凝器的汽、液两相的温度和组成。Flash2 应用示例（2）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为压力为 0.5 MPa 温度为温度为120 、含乙醇、含乙醇70 %w、水水30 %w的物料绝热闪蒸到的物料绝热闪蒸到0.15 MPa。求求离开闪蒸器的汽、液两相的温度、流离开闪蒸器的汽、液两相的温
6、度、流量和组成。量和组成。Flash2 应用示例（3）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为压力为 0.2 MPa 温度为温度为20 、含丙酮、含丙酮30 %w、水水70 %w的物料进行部分蒸发回收丙酮，的物料进行部分蒸发回收丙酮，求丙酮回收率为求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相的流量和组和热负荷以及汽、液两相的流量和组成。成。Flash2 应用示例（4）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为压力为 0.2 MPa 温度为温度为20 、含丙酮、含丙酮30 %w、水水70 %w的物料进行部分蒸发回收丙酮，的物料进行部分蒸发回收丙酮，蒸发器热负荷为蒸发器
7、热负荷为250 kW。分析液沫分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的影响。影响。Flash3 三相闪蒸器三相闪蒸器 Flash3 模块执行给定热力模块执行给定热力学条件下的汽学条件下的汽-液液-液平衡计算，液平衡计算，输出一股汽相和两股液相产物。输出一股汽相和两股液相产物。用于模拟闪蒸器、蒸发器、液用于模拟闪蒸器、蒸发器、液-液分离器、汽液分离器、汽-液液-液分离器等液分离器等。Flash3 连接Flash3 模块的连接图如下： Flash3 模型参数Flash3 模块的模型参数有 3 组： 1、闪蒸设定闪蒸设定 ( ( ( ( Flash Specifica
8、tionsFlash Specifications) ) ) )（1 1） 温度温度（TemperatureTemperature) ) ) )（2 2） 压力压力 （PressurePressure) ) ) )（3 3） 蒸汽分率蒸汽分率（Vapor FractionVapor Fraction) ) ) )（4 4） 热负荷热负荷（Heat DutyHeat Duty) ) ) ) 从以上从以上从以上从以上 4 4 个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 2 2 个。个。个。个。Flash3 模型参数Flash3 模块的模型参数有 3 组： 2、关键组份关键组份 ( ( ( (
9、 Key ComponentKey Component) ) ) ) 指定关键组份后，含关键组份摩指定关键组份后，含关键组份摩尔分率大的液相作为第二液相。尔分率大的液相作为第二液相。 如未指定关键组份，则密度大的如未指定关键组份，则密度大的液相作为第二液相。液相作为第二液相。3、液沫夹带液沫夹带 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream)( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 分别设定两个液相被夹带入汽相中分别设定两个液相被夹带入汽相中的分率。的分率。Flash3 模型参数Flash3 模块的模型参数有 3 组： Flash3
10、 应用示例（1）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为压力为 0.11 MPa、含乙醇含乙醇30 %w、正己烷正己烷30%、水、水40 %w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽凝物流的汽/液比（摩尔）液比（摩尔）=1/9。求离开冷。求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。和组成。Flash3 应用示例（2）F=500 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=100 含乙醇含乙醇70 %w、水水30 %w的的物流与物流与F=500 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=70 含正己烷含正己烷60%、乙
11、醇、乙醇40 %w的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P= 0.11 MPa，求离开闪蒸器的汽、液、液求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。三相的温度、质量流量和组成。Flash3 应用示例（3）在示例（在示例（2）中分别设置）中分别设置乙醇和己烷为关键组份，观察乙醇和己烷为关键组份，观察输出结果有什么变化。输出结果有什么变化。Decanter 倾析器Decanter 模块执行给定热模块执行给定热力学条件下的液力学条件下的液-液平衡或液液平衡或液-游离水平衡计算，输出两股液游离水平衡计算，输出两股液相产物。用于模拟液相产物。用于模拟液-液分离液分离器、
12、水倾析器等器、水倾析器等。Decanter 连接Decanter 模块的连接图如下： Decanter 模型参数Decanter 模块的模型参数有 3 组： 1、倾析设定倾析设定 ( ( ( ( Decanter Decanter SpecificationsSpecifications) ) ) )（1 1） 压力压力 （PressurePressure) ) ) )（2 2） 温度温度/ /热负荷热负荷 （Temperature/Heat Duty Temperature/Heat Duty ) ) ) ) 2、关键组份关键组份 ( ( ( ( Key ComponentKey Compo
13、nent) ) ) ) 指定关键组份后，含关键组份摩尔指定关键组份后，含关键组份摩尔分率大的液相作为第二液相。分率大的液相作为第二液相。 如未指定关键组份，则密度大的液如未指定关键组份，则密度大的液相作为第二液相。相作为第二液相。Decanter 模型参数Decanter 模块的模型参数有 3 组： Decanter 模型参数Decanter 模块的模型参数有 3 组： 3、组份分离效率组份分离效率 ( Separation Efficiencies)( Separation Efficiencies) 分别设定每个组份在两相中的分离效分别设定每个组份在两相中的分离效率（代表了相组成偏离平衡组
14、成的率（代表了相组成偏离平衡组成的程度）程度）。Decanter 应用示例(1)用水（用水（P= 0.2 MPa、T=20 ）从含乙从含乙醇醇40 %w、正己烷正己烷60%w的混合液（的混合液（F=500 kg/hr、P= 0.2 MPa、T=20 ）中萃取乙中萃取乙醇醇，要求乙醇的萃取率达到要求乙醇的萃取率达到97%，求需要，求需要的水流量和萃取相和萃余相的组成。的水流量和萃取相和萃余相的组成。Decanter 应用示例(2)同示例（同示例（1），求乙醇分离），求乙醇分离效率为效率为0.9时需要的水流量和萃时需要的水流量和萃取相组成。取相组成。Sep 组份分离器 Sep 模块可以接受多股输模
15、块可以接受多股输入物流，输出多股物流，并把入物流，输出多股物流，并把输入混合物中的各个组份分别输入混合物中的各个组份分别按照指定的比例分配到每一股按照指定的比例分配到每一股输出物流中去。输出物流中去。Sep 连接Sep 模块的连接图如下： Sep 模型参数Sep 模块的模型参数有 3 组： 1、设定设定 (Specifications) 输出物流条件设定，指定每输出物流条件设定，指定每个组份在各股输出物流中的分率个组份在各股输出物流中的分率或流量。或流量。Sep 模型参数Sep 模块的模型参数有 3 组： 2、进料闪蒸 ( ( Feed FlashFeed Flash) ) 指定输入物流混合后
16、的闪蒸压指定输入物流混合后的闪蒸压力和有效相态力和有效相态。3、出口闪蒸 ( ( ( ( Outlet FlashOutlet Flash) ) ) ) 指定每一股输出物流的闪蒸压力、指定每一股输出物流的闪蒸压力、温度、气相分率和有效相态温度、气相分率和有效相态。Sep 模型参数Sep 模块的模型参数有 3 组： Sep 应用示例（1）把把把把F=500 kg/hrF=500 kg/hr、P= 0.15 MPaP= 0.15 MPa、T=20 T=20 含乙醇含乙醇含乙醇含乙醇30 %w30 %w、正丙醇正丙醇正丙醇正丙醇20%w20%w、正丁醇正丁醇正丁醇正丁醇10%w10%w、水水水水40
17、 %w40 %w的的的的物流分成四股物流分成四股物流分成四股物流分成四股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为： 乙醇乙醇乙醇乙醇 0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.010.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01 正丙醇正丙醇正丙醇正丙醇 0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.020.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 正丁醇正丁醇正丁醇正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.020.01 : 0.05 : 0.9
18、2 : 0.02 水水水水 0.01 : 0.02 : 0.03 : 0.940.01 : 0.02 : 0.03 : 0.94求输出物流组成。求输出物流组成。求输出物流组成。求输出物流组成。Sep2 两出口组份分离器Sep2 模模块块可可以以接接受受多多股股输输入入物物流流，输输出出两两股股物物流流，并并把把输输入入混混合合物物中中的的各各个个组组份份分分别别按按照照指指定定的的比比例例分分配配到到输输出出物流中去。物流中去。Sep2 应用示例（1）从从F=500 kg/hr、P= 0.15 MPa、T=20 、含乙醇含乙醇60 %w、正丙醇正丙醇25%w、正丁醇正丁醇15 %w的的物流中回
19、收乙醇，要求：物流中回收乙醇，要求：1.乙醇浓度达到乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于正丁醇含量不大于1%w;2.乙醇回收率达到乙醇回收率达到95%。求输出物流的组成和流量求输出物流的组成和流量。Sep2 应用示例（2）同示例（同示例（1），如果分离过程是在精馏塔），如果分离过程是在精馏塔中实现，塔顶出料是中实现，塔顶出料是 0.11 MPa 的饱和蒸的饱和蒸汽，塔底出料是汽，塔底出料是0.13 MPa 的饱和液体，的饱和液体，求输出物流的温度和体积流量求输出物流的温度和体积流量。Sep2 应用示例（3） 采用膜分离装置制取富氧空气。采用膜分离装置制取富氧空气。采用膜分离装置制取富氧空气。
20、采用膜分离装置制取富氧空气。原料空气原料空气原料空气原料空气 T = 30T = 30、 P P = 1.013 bar= 1.013 bar、F = 500 F = 500 kmolkmol/hr/hr，经压缩机加压到，经压缩机加压到，经压缩机加压到，经压缩机加压到4.5 bar4.5 bar后进后进后进后进入膜分离组件，入膜分离组件，入膜分离组件，入膜分离组件，出口压强出口压强出口压强出口压强 1.1 bar1.1 bar。已知膜分离组件的性能与。已知膜分离组件的性能与。已知膜分离组件的性能与。已知膜分离组件的性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：进、出口压差及进口流量的关系由下式
21、描述：进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：求求求求富氧空气富氧空气富氧空气富氧空气的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。塔设备单元模型 分类1.DSTWU2.Distl3.RadFrac4.Extract塔设备塔设备塔设备塔设备(Columns)(Columns)单元共有单元共有单元共有单元共有9 9种模种模种模种模块，其中块，其中块，其中块，其中 RateFrac RateFrac RateFrac 和和和和 Batch
22、Frac BatchFrac BatchFrac 需要单需要单需要单需要单独的许可证，其余独的许可证，其余独的许可证，其余独的许可证，其余7 7种可直接使用种可直接使用种可直接使用种可直接使用：5.MutiFrac6.SCFrac7.PetroFracExtract 连续萃取塔 Extract 模块用逐级计算法精确计算给定连续萃取过程的操作结果。可以采用三种方法求取液液平衡分配系数：1、用给定的物性方法（活度系数法或状 态方程法）；2、KLL温度关联式；3、用户子程序。Extract 连接 Extract模块的连接图如下：模块的连接图如下：1、塔设定塔设定 (Specs) 1) 塔板数塔板数
23、(Number of stages) 2) 热状态选项热状态选项 (Thermal options) (1) 绝热绝热 (Adiabatic) (2) 指定温度剖形指定温度剖形 (Specify temperature) (3) 指定热负荷剖形指定热负荷剖形 (Specify heat duty )Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：2、关键组分关键组分 ( Key components) (1) 第一液相第一液相( 1st liquid phase) 即比重较大的液相，从塔底出料。即比重较大的液相，从塔底出料。 (2) 第二液相第二液相( 2
24、nd liquid phase) 即比重较小的液相，从塔顶出料。即比重较小的液相，从塔顶出料。Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：3、物流物流 ( Streams ) 设置各股侧线物流的加料板和出料板设置各股侧线物流的加料板和出料板位置。位置。4、压力压力 ( Pressure ) 设置塔内的压力剖形。至少指定一设置塔内的压力剖形。至少指定一块板。未指定板的压力通过内插或外块板。未指定板的压力通过内插或外推决定。推决定。Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数： 用甲基异丁基甲酮用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮从含丙酮45%w 的水溶液中萃取回收的水溶液中萃取回收丙酮，丙酮，处理量处理量 500 kg/hr。采用逆流连采用逆流连续萃取塔，在续萃取塔，在 0.12 MPa下操作。求萃下操作。求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。中丙酮浓度的影响。Extract 萃取示例 (1)
