AspenPlus课程讲义-全部PPT.ppt

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1、概述 汤吉海 2006年 8月 ASPEN PLUS入门 第 2 页 主要内容 概述 操作基础 分离过程模型 反应器模型 换热器模型 模型分析功能 热力学性质计算 第 3 页 ASPEN是什么？ 作为上世纪 70年代 DOE委托 MIT的开发项目（ Advanced System for Process Engineering ， ASPEN）的一部分，出于商业化 目的，于 1981年成立了 AspenTech公司。 AspenTech公司在随后的时间里又先后兼并了 20多个在各行业 中技术领先的公司（如 B-JAC International, Inc. 、 Dynamic Matrix C

2、ontrol Corporation、 ICARUS Corporation 、 PIMS business group from Bechtel Corp. 、 Hyprotech Ltd. 等），成为为过程工业提供从集散控制系统 （ DCS）到企业资源计划 (ERP)全方位服务的公司。 aspenONE 作为第一流的领先产品将 AspenTech公司的所有产 品统一起来了。 ASPEN ENGINEERING SUITE（ ASPEN PLUS、 HYSYS等 40个软件） ASPEN OPERATION MANAGER ASPEN Manufacturing SUITE ASPEN Su

3、pply Chain ASPENTECH于 1994在纳斯达克上市 (NASDAQ: AZPN) 第 4 页 ASPEN PLUS的用途 合成流程 工艺参数优化 研究某些设计问题或操作问题 进行参数灵敏度分析 流程优化 脱出瓶颈 参数拟合 过程开发阶段 过程设计阶段 实际生产操作 “ 生命周期模拟 ” （ Lifecycle Modeling） 第 5 页 ASPEN PLUS主要功能特点 方便灵活的用户操作环境， Model Manager是 ASPEN Tech向用户提供的专家指导系统 。 模拟计算以交互方式分析计算结果，按模拟要求修 改数据，调整流程。 提供了包括拷贝、粘贴等目标管理功能

4、，能方便地 处理复杂的流程图。 DXF格式接口可以将 Model Manager中的流程图按 DXF 标准格式输出，再转换成其他 CAD系统如 AUTOCAD所 能调用的图形文件。 丰富的物性数据库和单元模型库，强大的流程分析 与优化功能等。 与 AspenTech公司其他产品的有效集成。 第 6 页 1.1.2 ASPEN PLUS物性数据库 共含 5000个纯组分数据 40000个二元交互参数可用于 5000 个二元混 合物， 1000多个水相离子反应的反应常数。 与世界上最大的热力学实验物性数据库 DETHERM （含 250,000 多个混合物的汽液平 衡、液液平衡以及其它物性数据）的

5、接口。 可以建立自己的专用物性数据库。 第 7 页 纯组分数据库 Aqueous：适用于电解质（水溶剂），含 900种离子 参数 ASPEN PCD：含 472个有机和无机化合物参数（主要 为有机物） INORGANIC：含约 2450个化合物物性数据（绝大多数 为无机） PURE10：基于 DIPPR的数据库，含 1727个（绝大多数 为有机）化合物参数，是 ASPEN PLUS的主要数据库 SOLIDS：含 3314种固体化合物参数，主要用于固体 和电解质的处理 COMBUST：专用于高温、气相计算，含 59种燃烧产物 中典型组份的参数 第 8 页 ASPEN PLUS的热力学模型（适用体

6、系） 非理想体系 采用状态方程与活度系数相结 合的模型； 原油和调和馏分； 水相和非水相电解质溶液； 聚合物体系。 第 9 页 ASPEN PLUS的热力学模型（状态方程） Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（ BWRS）； Hayden-OConnell； 用于 Hexamerization的氢 -氟化物状态方程； 理想气体模型； Lee-Kesler（ LK）； Lee-Kesler-Plocker； Peng-Robinson（ PR）； 采用 Wong-Sandler混合规则的 SRK或 PR； 采用修正的 Huron-Vidal-2混合规则的 SRK或

7、PR； 用于聚合物的 Sanchez-Lacombe模型。 第 10 页 ASPEN PLUS的热力学模型（活度系数模型） Eletrolyte NRTL； Flory-Huggins； NRTL； Scatchard-Hilde-Brand； UNIQUAC； UNIFAC； van Laar； WILSON。 第 11 页 ASPEN PLUS的热力学模型（其他模型） API酸水方法； Braun K-10； Chao-Seader； Grayson-Streed； Kent-Eisenberg； 水蒸气表。 第 12 页 ASPEN PLUS的物性分析工具 物性常数估算方法：可用于分子结

8、构或其他易测量 的物性常数（如正常沸点）估算其他物性计算模型 的常数。 数据回归系统：用于实验数据的分析和拟合。 物性分析系统：可以生成表格和曲线，如蒸汽压曲 线、相际线、 t-p-x-y图等。 原油分析数据处理系统：用精馏曲线、相对密度和 其他物性曲线特征化原油物系。 电解质专家系统：对复杂的电解质体系可以自动生 成离子或相应的反应 第 13 页 ASPEN PLUS专有物性数据库 在 ASPEN PLUS 10.x版中，有专用于 NRTL、 WILSON和 UNIQVAC方法的二元交互参数库，如 VLE-IG、 VLE-RK、 VLE-HOC、 VLE-LIT及 LLE-ASPEN、 LL

9、E-LTI 亨利系数的二元参数库有 HENRY及 BINARY（ 1600+对） ASPEN PLUS 10.x版的电解质专家系统，有内置电解 质库，包括几乎所有常见的电解质应用中化学平衡 常数及各种电解质专用二元参数。只要启动电解质 热力学方法，这些参数便会自动检索。 第 14 页 ASPEN PLUS的单元模型库 RADFRAC：用于精馏、吸收、萃取精馏和共沸精馏的严格法模拟； RADFRAC可以处理有双液相、固相以及带有化学反应和电化学反应 的情况。 PETROFRAC：用于炼油厂的预闪蒸塔、常减压塔、催化裂化主馏分 塔和延迟焦化分馏塔等。 各种反应过程：产率反应器（ RYIELD）、化

10、学计量反应器 （ RSTOIC）、化学平衡反应器（ REQUIL）、基于 GibbG自由能最小 化的平衡反应器（ RGIBBS）、连续搅拌糟式反应器（ RCSTR）、活 塞流反应器（ RPLUG）和间歇反应器（ RBATCH）。 固体处理模型：破碎机、筛分、织物过渡器、文丘里洗涤器、静电 沉降器、水力旋流器、离心过滤器、旋风过滤器、洗矿机、结晶器 和逆流洗涤器。 严格的设备尺寸和性能计算：泄压阀、换热器、泵和压缩机、管线 以及板式塔和填料塔。 可以结合用户建立的设备计算模块。 第 15 页 ASPEN PLUS的模型分析系统 敏感性分析：通过图表方式可看出设备规格和操作条件对工 艺性能的影响。

11、 设计规定：可自动计算满足规定性能指标的操作条件或设备 参数。 收敛性分析：对有多个物流循环和信息循环的体系，可自动 分析和建议最优切割物流、流程收敛方法和求解序列。 数据拟合：可用实际生产数据拟合所用的工艺模型。 最优化：可根据最优化目标调节工艺条件以达到如最大生产 率、最低能耗、物流纯度和最大经济效益等。 界面工具：可通过 Visual Basic编程语言完成新功能。 第 16 页 示例 1：活度系数模型参数回归 第 17 页 示例 2：未知组分物性数据估计 第 18 页 示例 3：精馏塔的模拟计算 第 19 页 示例 4：设计规定 第 20 页 示例 5：敏感性分析 第 21 页 示例

12、6：优化 第 22 页 示例 7： PFD图（过程工艺流程图） 第 23 页 过程工艺流程图（ PFD图） T em p erat u re (F) P res s u re (p s i ) M e t hy l c y c l ohe x a ne Re c ov e ry Col um n B1 B2 220 20 1 220 20 2 219 16 3 325 20 4 5 Met h y l cy cl o h ex an e Reco v ery P ro ces s St ream ID 1 2 3 4 T em p erat u re F 2 2 0 . 0 2 2 0 . 0

13、 2 1 8 . 8 3 2 5 . 3 P res s u re psi 2 0 . 0 0 2 0 . 0 0 1 6 . 0 0 2 0 . 2 0 V ap o r Frac 0 . 0 0 0 0 . 0 0 0 0 . 0 0 0 0 . 0 0 0 Mo l e Fl o w l b m o l / h r 4 0 0 . 0 0 0 1 2 0 0 . 0 0 0 2 0 0 . 0 0 0 1 4 0 0 . 0 0 0 Mas s Fl o w lb/hr 3 8 0 6 5 . 7 3 6 1 1 2 9 3 5 . 6 4 8 1 9 6 0 5 . 0 0 2 1 3

14、 1 3 9 6 . 3 8 2 V o l u m e Fl o w cu f t / h r 8 2 7 . 4 4 6 1 7 9 2 . 7 9 5 4 4 9 . 9 9 5 2 3 1 4 . 3 8 9 E n t h al p y MMBt u / h r -1 2 . 7 0 2 -7 1 . 9 4 5 -1 4 . 5 0 9 -6 2 . 6 9 6 Mo l e Fl o w l b m o l / h r T O L U E N E 2 0 0 . 0 0 0 5 . 2 1 9 1 9 4 . 7 8 1 P H E N O L 1 2 0 0 . 0 0 0 0

15、 . 2 6 2 1 1 9 9 . 7 3 8 MCH 2 0 0 . 0 0 0 1 9 4 . 5 1 9 5 . 4 8 1 Mo l e Frac T O L U E N E 0 . 5 0 0 0 . 0 2 6 0 . 1 3 9 P H E N O L 1 . 0 0 0 0 . 0 0 1 0 . 8 5 7 MCH 0 . 5 0 0 0 . 9 7 3 0 . 0 0 4 * * * V A P O R P H A SE * * * D en s i t y V i s co s i t y * * * L IQ U ID P H A SE * * * D en s i

16、t y l b / cu f t 4 6 . 0 0 4 6 2 . 9 9 4 4 3 . 5 6 7 5 6 . 7 7 4 V i s co s i t y cP 0 . 2 8 8 1 . 0 2 1 0 . 3 2 3 0 . 4 4 3 Su rf ace T en d y n e/ cm 1 6 . 8 0 5 3 1 . 9 9 5 1 4 . 9 5 0 2 3 . 8 0 5 操作基础 汤吉海 2006年 8月 ASPEN PLUS入门 第 25 页 2.2 ASPEN PLUS使用初步 化工流程模拟系统的使用步骤 ASPEN PLUS软件窗口界面简介 演示教学 练习一 第

17、 26 页 化工流程模拟系统的使用步骤 第 27 页 ASPEN PLUS软件使用基本步骤 主窗口界面：绘图工作区和数据浏览窗口 基本设置 模拟流程图的绘制 组分定义 热力学方法 的定义 流股数据和 过程数据 的输入 模拟执行过程 查看结果 专家支持系统 第 28 页 Graphic User Interface 第 29 页 Automatic Naming of Streams and Blocks 第 30 页 Graphic Flowsheet Operations - Blocks 第 31 页 Graphic Flowsheet Operations - Streams 第 32

18、页 Using the Mouse Buttons 第 33 页 Modifying Blocks and Streams 第 34 页 Build Simulation Model M1 V1 F1 P1 S1 F E E D 2 3 4 5 R E C Y C L E L I Q U I D V A P O R 第 35 页 ASPEN PLUS Interface 第 36 页 Data Browser(1) 第 37 页 Data Browser(2) 第 38 页 Functionality of Forms 第 39 页 Help 第 40 页 Basic Input 第 41 页

19、 Status Indicators 第 42 页 Setup 第 43 页 Setup Specifications Form 第 44 页 Setup Run Types 第 45 页 Setup Units 第 46 页 Components 第 47 页 Component Specifications Form 第 48 页 Entering Components 第 49 页 Find 第 50 页 Pure Component Databanks(1) 第 51 页 Pure Component Databanks(2) 第 52 页 Properties 第 53 页 Prop

20、erty Specification 第 54 页 Streams 第 55 页 Stream Input Form 第 56 页 Blocks 第 57 页 Block Form 第 58 页 Starting the Run 第 59 页 Control Panel 第 60 页 Reviewing Results 第 61 页 教学演示实例 采用 ASPEN PLUS模拟一个由混合器、闪蒸罐、分流器和泵组成的循环流 股流程，热力学性质采用 RK-SOAVE模型，计算在给定条件下的各流股的 状态（含温度、压力、流率、组成、气相分率、密度等信息）。 物性估算模型 汤吉海 2006年 8月 A

21、SPEN PLUS入门 第 63 页 第三章 ASPEN PLUS的物性数据库及其应用 3.1 基础物性数据库 3.2 物性预测模型 3.3 物性估算系统 3.4 实验数据处理系统（模型参数回归） 第 64 页 3.1 基础物性数据库 ASPEN PLUS物性数据库的数据包括离子种类、 二元交互参数、离子反应所需数据等。共含 5000个纯组分、 40000个二元交互参数、 5000 个二元混合物及与 250000多个混合物实验数 据的 DETHERM数据库接口和与 In-house（内部） 数据库接口。 系统数据库 用户数据库 第 65 页 PURE11 数据库 包括多于 1727个组分（大多

22、数为有机物）的参数， 这是 ASPEN PLUS纯组分参数的主要数据源。 （ 1）与状态无关的固有属性，如分子量、临界参数、偏 心因子等； （ 2）标准状态下一定相态的属性，如 25 时的标准生成 热、标准燃烧热、标准生成自由能等； （ 3）一定状态下的属性，如各温度下的热容、饱和蒸汽 压、粘度等，通常以一定的方程形式关联，将方程参数作 为基础物性数据。 （ 4）其他专用模型参数，如 UNIFAC模型的官能团信息。 第 66 页 固有性质 物性 代号 物性 代号 分子量 MW 临界压缩因 子 ZC 临界温度 TC 偏心因子 OMEGA 临界压力 PC 偶极距 MUP 临界体积 VC 回转半径

23、RGYR 第 67 页 标准态下的物性 物性 代号 物性 代号 生成热 DHFORM API重度 API 生成自由能 DGFORM 溶解度参数 DELTA 沸点 TB 等张比容 PARC 标准沸点下 的摩尔体积 VB 气体粘度 MUVDIP 汽化热 DHVLB 液体粘度 MULAND 凝固点 TEP 导热系数 KVDIP 相对密度 SG 表面张力 SIGDIP 第 68 页 关联式参数 物性 代号 参数个数 ANTOIN蒸汽压关联式参数 PLXANT 9 理想气体热容关联式参数 CPIG 11 WASTON关联式参数 DHVLWT 5 RACKETT液体容积方程关联式 RKTZRA 1 CAV

24、ETT综合方程参数 DHLCAT 1 CAVETT综合关联式参数 PLCAVT 4 SEALCHASD-HILDEBRNUD方程参数 VLCVT1 1 标准液体容积方程参数 VLSTD 3 水溶解度方程参数 WATSOL 5 AUDRADE液体年度关联式参数 MULAND 5 第 69 页 功能团参数 物性 代号 UNIFAC方程功能团的 Q参数 GMUFQ UNIFAC方程功能团的 P参数 GMUFP UNIFAC方程功能团的相互作用参数 GMUFB 第 70 页 3.2 ASPEN PLUS的物性方法和模型 类别 详细内容 热力学性质模型 状态方程模型 活度系数模型 蒸汽压和液体逸度模型

25、汽化热模型 摩尔体积和密度模型 热容模型 溶解度关联模型 其它 传递性质模型 粘度模型 导热系数模型 扩散系数模型 表面张力模型 非常规固体性质模型 一般焓和密度模型 煤和焦碳的焓和密度模型 第 71 页 热力学平衡计算模型的状态方程法 1、 IDEAL理想状态性质方法 2、用于石油混合物的性质方法 ： BK10、 CHAO-SEA、 GRAYSON 3、针对石油调整的状态方程性质方法： PENG-ROB、 RK-SOAVE 4、用于高压烃应用的状态方程性质方法： BWR-LS、 LK-PLOCK、 PR-BM、 RKS-BM 5、 灵活的和预测性的状态方程性质方法 ： PRMHV2、 PRW

26、S、 PSRK、 RK-ASPEN、 RKSMHV2、 RKSWS、 SR-POLAR 计算高温、高压、接近临界点混合物及在高压下的液 -液分离的体系。（如乙二醇 气体干燥、甲醇脱硫及超临界萃取） 处理高温、高压以及接近临界点的体系（如气体管线传输或超临界抽提） 用于气体加工、炼油及化工应用。（如气体加工装置、原油塔及乙烯装置） 用于炼油应用 ,它能用于原油塔、减压塔和乙烯装置的部分工艺过程 用于气相和液相处于理想状态的体系（如 减压体系、低压下的同分异构体系） 第 72 页 液体活度系数性质方法 NRTL UNIFAC UNIQUAC VAN LAAR WILSON 理想气体定律 Redli

27、ch-Kwong Redlich-Kwong-Soave Nothnagel Hayden-O Connell HF状态方程 液体活度系数模型 汽相状态方程 第 73 页 活度系数模型与状态方程方法的比较 活度系数方法是描述低压下高度非理想液体混合物 的最好方法。你必须由经验数据（例如相平衡数据） 估计或获得二元参数。 状态方程可以在一个很宽的温度和压力范围应用， 包括亚临界和超临界范围。对于理想或微非理想的 系统，汽液两相的热力学性质能用最少的组分数据 计算状态方程，适用于模拟带有诸如 CO2、 N2、 H2S这 样轻气体的烃类系统。 活度系数方法只能用在低压系统（ 10atm以下），对 于

28、在低压下含有可溶气体并且其浓度很小的系统， 使用亨利定律。对于在高压下的非理想化学系统， 用灵活的、具有预测功能的状态方程。 第 74 页 3.3 物性数据集 在 ASPEN PLUS 中用于计算热力学性质和传递 性质的方法和模型被组装在性质方法中，每 种性质方法中包括了一个模拟所需的所有方 法和模型。用于计算一个性质的模型和方法 的每个不同组合形式叫作 路线（ Route） 。 （ 1）性质名 （ 2）方法 （ 3）每个主要或次要性质的子级路线， （ 4）计算每个中间性质的模型名称有时带有一个 模型选项代码。 第 75 页 路线 第 76 页 模型 第 77 页 3.4 ASPEN PLUS

29、物性数据库的应用 1、 ASPEN PLUS的物性分析功能 例 3-1： 采用 ASPEN PLUS的理想气体方法（ Ideal Gas Method）查找水在 1 atm和 100500 范围内 的摩尔体积和压缩因子。 例 3-2： 采用 ASPEN PLUS分别计算在 25 、 35 和 45 下不同质量浓度甲醇水溶液（甲醇含量从 0100%范围内变化）的密度，热力学计算方法选 择 NRTL模型。 第 78 页 3.4 ASPEN PLUS物性数据库的应用 2、 ASPEN PLUS的参 数估值与数据回归 例 3-3： 使用 Gillespie釜测定了 1 atm下乙醇 -水混 合物的 T

30、-x-y数据如 表所示，现采用 ASPEN PLUS回归 UNIQUAC模型参数。 TEMPERATURE X(wt%) X(wt%) Y(wt%) Y(wt%) C Ethanol Water Ethanol Water 100 0 1 0 1 99.3 0.0071 0.9929 0.0772 0.9228 96.9 0.0297 0.9703 0.2464 0.7536 96 0.0361 0.9639 0.2856 0.7144 94.8 0.0549 0.9451 0.3692 0.6308 93.5 0.0738 0.9262 0.4346 0.5654 90.5 0.1229 0

31、.8771 0.5442 0.4558 89.4 0.1456 0.8544 0.5675 0.4325 88.6 0.1645 0.8355 0.5916 0.4084 85.4 0.2685 0.7315 0.6919 0.3081 83.4 0.3985 0.6015 0.7423 0.2577 82.3 0.4664 0.5336 0.7593 0.2407 81.4 0.5473 0.4527 0.7831 0.2169 80.5 0.6589 0.3411 0.8107 0.1893 78.8 0.8339 0.1661 0.8755 0.1245 78.5 0.8763 0.12

32、37 0.8984 0.1016 78.4 0.9129 0.0871 0.9184 0.0816 78.3 1 0 1 0 78.3 0.9658 0.0342 0.961 0.039 第 79 页 3.4 ASPEN PLUS物性数据库的应用 3、 ASPEN PLUS的物性估算 噻唑（ C3H3NS， Thiazole）不是 ASPEN PLUS组分 数据库中化合物组分，现已知该化合物的分子结 构式为：，分子量为 85，正常沸点为 116.8 ，气 相压力关联式为： ， 的 单位是 mmHg， T的单位为 ，适用范围是 69 T118 。计算噻唑的焓和密度需要下表所 示的数据，采用 AS

33、PEN PLUS的 “ Property Estimation” 功能估算这些性质。 )255.216(0.3281445.16ln 0 TLi Li0 平衡级分离模型 汤吉海 2006年 8月 ASPEN PLUS入门 第 81 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 A

34、erotran 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 Extract 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 82 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

35、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 83 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 Filte

36、r 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型 用户提供的单元操作模型 第 84 页 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 第 85 页 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

37、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。 第 86 页 ASPEN PLUS的闪蒸模型 Flash2 Flash3 第 87 页 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

38、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）。 第 88 页 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

39、（ IDEAL）。 第 89 页 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。 第 90 页 多组分精馏的 FUG简捷计算法 多组分精馏的 FUG简捷计算法（ Fenske Underwood-Gilliland） 用芬斯克（ Fenske）公式估算最

40、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。 第 91 页 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。 第 92 页 关键组分 例如，石油裂

41、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 乙烷是轻关键组 分，而丙烯则是重关键组分 。 第 93 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

42、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 SCFrac 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 94 页 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

43、热负荷，并产生一个可选的回流比 级数的曲线图或表格。 第 95 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 96 页 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、

44、 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 97 页 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

45、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 98 页 4.3 多组分多级分离塔的严格计算 第 99 页 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 第 100 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

46、 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

47、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 101 页 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 stripping） 萃取蒸馏（ Extractive distillation） 共沸蒸馏（ Azeotropic distillation） 共沸蒸馏（ Reactive distillation）

48、 第 102 页 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 phase or other second liquid phase) 第 103 页 RadFrac模拟发生化学反应的塔 固定转化率（ Fixed conversion）

49、 平衡反应（ Equilibrium） 流率控制反应（ Rate-controlled） 电解质反应（ Electrolytic ） 第 104 页 RadFrac流程的连接 第 105 页 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 第 106 页 求解策略 塔收敛 Inside-out 标准流率加和和非理想算法 MultiFrac、 PetroFrac 和 Extract模型 Napthali-Sandho

50、lm 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） 第 107 页 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 第 108 页 RadFrac模型的基本设置（ 1） 第 109 页 RadFrac模型的基本设置（ 2） 第 110 页 RadFrac模型的基本设置（ 3） 第 111 页 RadFrac

51、模型的基本设置（ 4） 第 112 页 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。 第 113 页 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.

52、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，以及精馏塔内的温度、汽液相流 率和组成分布。并确定采用 BX型填料的塔径。 第 114 页 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 第 115 页 板式塔类型 五种通用塔板类型中进行选择： Bubble caps（泡罩） Siev

53、e（筛板） Glitsch Ballast（ Glitsch重盘式塔板） Koch Flexitray（ Koch轻便型浮阀塔板） Nutter Float Valve（ Nutter浮阀塔板） 第 116 页 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 第 117 页 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

54、值或最大能力接近值、降液管 滞留、压降 第 118 页 单通道塔板 第 119 页 双通道塔板 第 120 页 三通道塔板 第 121 页 四通道塔板 第 122 页 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： Sulzer 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。 第 123 页 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

55、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 换热器模型 汤吉海 2006年 8月 ASPEN PLUS入门 第 125 页 第五章 ASP

56、EN PLUS的换热器模型 5.1 ASPEN PLUS的换热器模型 模型 说明 目的 用于 Heater 加热器或冷却器 确定出口物流的热和相态条件 加热器、冷却器、冷凝器等 HeatX 两股物流的换热器 在两个物流之间换热 两股物流的换热器。当 知道几何尺寸时，核算 管壳式换热器 MHeatX 多股物流的换热器 在多股物流之间换热 多股热流和冷流换热器， 两股物流的换热器， LNG换热器 Hetran 管壳式换热器 提供 B-JAC Hetran管壳式换热器程序界面 管壳式换热器，包括釜式再沸器 Aerotran 空冷换热器 提供 B-JAC Aerotran空冷换热器程序界面 错流式换热

57、器包括空气冷却器 第 126 页 5.1.1 Heater Model 第 127 页 Heater Input Specifications(1) 第 128 页 Heater Input Specifications(2) 第 129 页 Heater Stream 第 130 页 5.1.2 HeatX Model(1) 第 131 页 HeatX Model(2) 第 132 页 HeatX Model(3) 第 133 页 HeatX Input Specifications 第 134 页 HeatX versus Heater 第 135 页 5.1.3 MHeatX Model

58、 第 136 页 5.1.4 Heat Exchanger Design Model 第 137 页 HeatX输入规定和浏览结果 使用这个窗口 去做 Setup 规定简捷或详细的计算、流动方向、换热器压降、传热系数计算方法和膜系数。 Options 规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态， HeatX收敛参数和模块规定报告选项。 Geometry 规定壳程和管程的结构，并指明任何翅片管、折流挡板或管嘴。 User Subroutines 规定用户定义的 Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、LMTD校正因子、管壁液体滞留量或管壁压降。 Hot-Hcurves 规定热流的加热或冷

59、却曲线表和浏览结果表 Cold-Hcurves 规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表 Block Options 替换这个模块的物性、模拟选项、诊断消息水平和报告选项的全局值。 Results 浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。 Detailed Results 浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管、折流挡板和管嘴的信息。 Dynamic 规定动力学模拟的参数。 第 138 页 HeatX的简捷法核算与严格法核算比较 用 Setup Specifications页上的 Calculation Type（核算类型）字段来规定简捷法或严格 法核算。 简捷法核算不需要换热器结

60、构或几何尺寸数 据。 对于严格法核算模型，可以用换热器几何尺 寸去估算： 膜系数（ Film coefficients） 压降（ Pressure drops） 对数平均温差校正因子（ Log-mean temperature difference correction factor） 第 139 页 HeatX具有有效值的选项 变量 计算方法 在简捷法模型 中可采用 在严格法模型 中可采用 LMTD Correction Factor （ LMTD校正因子） 常数 几何尺寸 用户子程序 Default No No Yes Default Yes Heat Transfer Coefficie

61、nt （传热系数） 常数值 特定相态的值 幂率表达式 膜系数 换热器几何尺寸 用户子程序 Yes Default Yes No No No Yes Yes Yes Yes Default Yes Film Coefficient （膜系数） 常数值 特定相态的值 幂率表达式 由几何尺寸计算 No No No No Yes Yes Yes Default Pressure Drop （压降） 出口压力 由几何尺寸计算 Default No Yes Default 第 140 页 计算对数平均温差校正因子 换热器的标准方程是： Q = U A LMTD 这里 LMTD是对数平均温差，此方程用于纯逆

62、流流动 的换热器。 通用方程是： Q = U A F LMTD 这里 LMTD是校正因子， F考虑了偏离逆流流动的程 度 在 Setup Specifications页上用 LMTD Correction Factor区域输入 LMTD校正因子。 第 141 页 传热系数和膜系数 在 Setup U Methods（设定传热系数方法）页 确定怎样计算传热系数，设定计算方法。 在简捷法核算模型中， HeatX模型不计算膜系 数，在严格法核算模型中，如果你在传热系 数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺寸， HeatX计算传热系数，使用： hc = 冷流膜系数 hh = 热流膜系数 hc hhU 111 第 142 页 换热器结构 换热器结构指换热器内整个流动的型式。如 果对于传热系数、膜系数或压降计算方法选 择 Calculate From Geometry选项，可能需要 在 Geometry Shell页中输入一些有关换热器 结构的信息。 TEMA型换热器壳体类型 管程数 换热器方向 折流板上管数排布 密封圈数 垂直的换热器管程流动 第 143 页 TEMA壳体类型 第 144 页 壳体尺寸 Geometry Shell页也包含了两个重要的壳体 尺寸： 壳体内径 壳体到管束的最大直径的环形面积 Outer Tube Limit 管束外层的最大直径 Shell